▲ 自大爆炸以來(lái)，宇宙一直在膨脹，但膨脹的速度有多快？這個(gè)答案或許揭示，我們一直以來(lái)，自認(rèn)為對(duì)物理學(xué)的一切理解，其實(shí)是錯(cuò)的。
北京時(shí)間 3 月 30 日消息，我們都知道，宇宙浩瀚無(wú)窮。但我們朝任何一個(gè)方向望去時(shí)，宇宙最遙遠(yuǎn)的可見(jiàn)區(qū)域大約在 460 億光年之外。但這實(shí)際上，還只是我們的一個(gè)最佳估計(jì)，因?yàn)闆](méi)有人確切知道，宇宙到底有多大。
我們能看到的最遙遠(yuǎn)距離，是自宇宙大爆炸之后光傳播的距離（或者更準(zhǔn)確地來(lái)說(shuō)，是從宇宙大爆炸中拋射出來(lái)的微波輻射）。大約 138 億年前，宇宙在一場(chǎng)大爆炸中誕生，自此之后，宇宙一直在膨脹。但是由于我們并不知道宇宙的真正年齡，我們也就很難確定在我們看不見(jiàn)的范圍之外，宇宙到底膨脹到了什么程度。
天文學(xué)家曾嘗試使用“哈勃常數(shù)”來(lái)確定宇宙的膨脹程度。這是當(dāng)前宇宙膨脹速度的一個(gè)度量，哈勃常數(shù)可以確定宇宙的規(guī)模，包括宇宙的大小和年齡。
我們不妨把宇宙類(lèi)比稱一個(gè)正在膨脹的氣球。當(dāng)恒星和星系（好比氣球表面的斑點(diǎn)）越來(lái)越快地遠(yuǎn)離彼此時(shí)，它們之間的距離也越來(lái)越大。從我們眼中看去，就是某個(gè)星系離我們?cè)绞沁b遠(yuǎn)，它黯淡下去的速度也就越快。
▲ 隨著宇宙膨脹，我們的銀河系正飛快地遠(yuǎn)離其他星系。
不巧的是，天文學(xué)家測(cè)量哈勃常數(shù)的次數(shù)越多，我們基于對(duì)宇宙的理解所建立的預(yù)測(cè)便越站不住腳。一種測(cè)量方法直接給了我們一個(gè)確定的值，而另一種測(cè)量方法（取決于我們對(duì)宇宙其他參數(shù)的理解）則給出了不同的結(jié)果。要么這兩種測(cè)量方法都是錯(cuò)的，要么就是我們對(duì)宇宙的理解存在缺陷。
但是現(xiàn)在，科學(xué)家們相信，他們離答案不遠(yuǎn)了。當(dāng)然，這一切，離不開(kāi)旨在了解哈勃常數(shù)之本質(zhì)的新實(shí)驗(yàn)和觀察結(jié)果。
作為宇宙學(xué)家面臨的挑戰(zhàn)其實(shí)是一個(gè)工程挑戰(zhàn)：我們?nèi)绾尾拍鼙M可能精確、準(zhǔn)確地測(cè)量這個(gè)常數(shù)？要解決這個(gè)挑戰(zhàn)，不僅需要獲得測(cè)量的數(shù)據(jù)，還是以盡可能多的方式交叉檢驗(yàn)測(cè)量方法。從一個(gè)科學(xué)家的角度來(lái)看，這更像是將拼圖完整地拼湊起來(lái)，而非破解謎團(tuán)。
天文學(xué)家埃德溫?哈勃在 1929 年對(duì)哈勃常數(shù)進(jìn)行了首次測(cè)量，這個(gè)常數(shù)也正是以埃德溫?哈勃的名字命名。首次測(cè)量將哈勃常數(shù)定為 500km/s/Mpc，或者 310miles/s/Mpc。Mpc 表示百萬(wàn)秒差距，一個(gè)宇宙距離尺度，大約相當(dāng)于 326 萬(wàn)光年的距離。500km/s/Mpc，即意味著，距離地球的距離每增加一個(gè)百萬(wàn)秒差距，星系遠(yuǎn)離我們的速度便加快 500 千米每秒。
在哈勃首次估測(cè)宇宙膨脹率后的一個(gè)多世紀(jì)中，這個(gè)數(shù)值曾一次又一次地被向下修正。如今哈勃常數(shù)的值在 67km/s/Mpc 到 74km/s/Mpc 之間。一部分原因在于，測(cè)量的方式不同，哈勃常數(shù)也會(huì)有所不同。
關(guān)于哈勃常數(shù)差異的大多數(shù)解釋認(rèn)為，測(cè)量哈勃常數(shù)值的方法有兩種。第一種方法是觀察銀河系附近星系遠(yuǎn)離我們的速度，而另一種方法則選擇使用宇宙微波背景（即宇宙大爆炸之后留下的第一束光）。
我們至今仍可以觀測(cè)到宇宙微波背景。但是，由于宇宙的遙遠(yuǎn)區(qū)域正離我們?cè)絹?lái)越遠(yuǎn)，這種光被拉伸成無(wú)線電波。上世紀(jì)六十年代，因一次偶然的機(jī)會(huì)，天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)這些無(wú)線電信號(hào)。這些無(wú)線電信號(hào)也讓我們有機(jī)會(huì)了解宇宙最早期的樣子。
兩種互斥力 —— 引力的內(nèi)向拉力和輻射的外向推力，在宇宙誕生之初，上演了一場(chǎng)宇宙拔河比賽，所產(chǎn)生的擾動(dòng)，至今仍以微小的溫度差異的形式，存在于宇宙微波背景中。
研究人員可以通過(guò)這些擾動(dòng)，測(cè)量出宇宙大爆炸后不久，宇宙膨脹的速度，然后將其應(yīng)用于宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型來(lái)推斷目前的膨脹速度。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型，是目前對(duì)宇宙起源、宇宙組成以及我們今天所看到一切的最好解釋。
▲ 早期宇宙的微小擾動(dòng)可以在宇宙最古老的光 —— 宇宙微波背景 —— 的波動(dòng)中觀測(cè)到。
但是這里存在一個(gè)問(wèn)題。當(dāng)天文學(xué)家嘗試用第一種方法 —— 觀察銀河系附近星系遠(yuǎn)離我們的速度，來(lái)測(cè)量哈勃常數(shù)時(shí)，他們得到了一個(gè)不同的數(shù)值。
如果標(biāo)準(zhǔn)模型是正確的，那么你會(huì)認(rèn)為兩種方法得出的結(jié)果 —— 當(dāng)前的測(cè)量結(jié)果和從早期觀測(cè)中推導(dǎo)出的結(jié)果，應(yīng)該是一致的。然而，事實(shí)并非如此。
2014 年，歐洲航天局的普朗克衛(wèi)星首次測(cè)量了宇宙微波背景中的差異；2018 年，又測(cè)量了一次。根據(jù)普朗克衛(wèi)星的測(cè)量，哈勃常數(shù)的值為 67.4km/s/Mpc。但是，這個(gè)數(shù)值，比弗里德曼等天文學(xué)家通過(guò)觀察附近星系得出的測(cè)量值，低了 9% 左右。
2020 年，阿塔卡瑪宇宙學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)宇宙微波背景的進(jìn)一步測(cè)量，與普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)具有相關(guān)性。這幫助科學(xué)家從兩個(gè)方面排除了普朗克衛(wèi)星存在系統(tǒng)性問(wèn)題的可能。那么，如果宇宙微波背景的測(cè)量是正確的，剩下的可能性只能是以下兩個(gè)中的一個(gè)：1）測(cè)量附近星系發(fā)出的光，這種方法不對(duì)；2）宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型需要修改。
天文學(xué)家使用的測(cè)量方法采用了一種特殊類(lèi)型的恒星：造父變星。大約 100 年前，天文學(xué)家亨麗愛(ài)塔?勒維特發(fā)現(xiàn)了這種亮度會(huì)變化的恒星，變化的周期為幾天或幾周。勒維特發(fā)現(xiàn)，越明亮的恒星，變亮、變暗然后再變亮所需的時(shí)間越長(zhǎng)?，F(xiàn)在，天文學(xué)家可以通過(guò)研究這類(lèi)恒星的亮度脈沖，來(lái)準(zhǔn)確地判斷恒星的真正亮度。通過(guò)測(cè)量我們?cè)诘厍蛏嫌^察到的亮度，再加上光線雖距離增加而變暗，我們可以精確地測(cè)量我們與恒星的距離。
弗里德曼和她的團(tuán)隊(duì)是率先使用鄰近星系中的造父變星來(lái)測(cè)量哈勃常數(shù)的人。他們使用的數(shù)據(jù)來(lái)自哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。2001 年，他們測(cè)量到的哈勃常數(shù)值為 72km/s/Mpc。
從那之后，通過(guò)研究附近星系得出的哈勃常數(shù)值一直在 72km/s/Mpc 上下浮動(dòng)。另一個(gè)也使用造父變星測(cè)量哈勃常數(shù)的團(tuán)隊(duì)，在 2019 年使用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，得出的結(jié)果為 74km/s/Mpc。幾個(gè)月之后，另一組天體物理學(xué)家以另一種不同的測(cè)量技術(shù)（涉及類(lèi)星體發(fā)出的光）得出的哈勃常數(shù)值為 73km/s/Mpc。
如果這些測(cè)量是正確的，這說(shuō)明宇宙膨脹的速度可能高于宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型下的理論所允許的膨脹速度。也就是說(shuō)，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模型 —— 以及我們基于該模型描述的宇宙本質(zhì)，都需要更新。目前，答案尚不確定。但如果真的是這樣，這將給我們了解的一切帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。
弗里德曼說(shuō)：“這或許可以告訴我們，我們所認(rèn)為的標(biāo)準(zhǔn)模型缺失了某些東西。我們現(xiàn)在還不知道為什么會(huì)這樣，但這是發(fā)現(xiàn)原因的一個(gè)機(jī)會(huì)?！?/p>
如果標(biāo)準(zhǔn)模型是錯(cuò)的，那么這可能意味著我們的一些模型 —— 關(guān)于宇宙組成的模型，重子（或正常）物質(zhì)、暗物質(zhì)、暗能量與輻射的相對(duì)量的模型等等，并不十分正確。另外，如果宇宙膨脹的速度確實(shí)比我們想象的更快，那么宇宙的年齡可能也比目前公認(rèn)的 138 億年更年輕。
▲ 類(lèi)似造父變星這樣的脈動(dòng)恒星可以用來(lái)測(cè)量宇宙中的距離，并解釋宇宙膨脹的速度。
關(guān)于哈勃常數(shù)值差異的另一種解釋是，我們所在的宇宙部分與其他部分相比，存在不同或特殊之處，正是這種區(qū)別扭曲了測(cè)量結(jié)果。也許不是一個(gè)完美的比喻，但是你可以這么想，在上坡或下坡的時(shí)候，哪怕你用同樣的力度踩油門(mén)，汽車(chē)的速度或加速度變化是不一樣的。這不太可能是我們測(cè)量到的哈勃常數(shù)值差異的一個(gè)最終原因，重要的是我們不能忽視已經(jīng)為得到這些結(jié)果所做的工作。
但是天文學(xué)家認(rèn)為，他們已經(jīng)越來(lái)越接近確定哈勃常數(shù)值，以及哪一種測(cè)量方法是正確的。
弗里德曼說(shuō)：“令人興奮的是，我認(rèn)為，我們真的能夠在相當(dāng)短的時(shí)間里解決這個(gè)問(wèn)題，不管是一年還是兩三年。有很多即將出現(xiàn)的新技術(shù)，可以提高我們測(cè)量的準(zhǔn)確性。最終，問(wèn)題可以得到解答?！?/p>
其中一個(gè)新技術(shù)在是歐洲航天局的蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡。蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡于 2013 年發(fā)射升空，一直在以高精確度測(cè)量約十億顆恒星的位置。科學(xué)家正在使用一種被稱為“視差”的技術(shù)，基于這些數(shù)據(jù)計(jì)算恒星之間的距離。當(dāng)蓋亞繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，該望遠(yuǎn)鏡在太空中的有利觀測(cè)地點(diǎn)也會(huì)發(fā)生變化。就好比你遮住一只眼睛去看物體，然后再遮住另一只眼睛去看物體，物體的位置看上去會(huì)不同。所以，在軌道周期內(nèi)，蓋亞可以在一年中的不同時(shí)間觀測(cè)天體，進(jìn)而讓科學(xué)家得以準(zhǔn)確計(jì)算出恒星遠(yuǎn)離我們太陽(yáng)系的速度。
另外一個(gè)可以回答哈珀常數(shù)值的設(shè)備是詹姆斯韋伯空間望遠(yuǎn)鏡。這架望遠(yuǎn)鏡將在 2021 年末發(fā)射升空。詹姆斯韋伯空間望遠(yuǎn)鏡可以通過(guò)研究紅外波長(zhǎng)，進(jìn)行更好的測(cè)量。這樣的測(cè)量不會(huì)受到我們與恒星之間的塵埃的影響。
▲ 詹姆斯韋伯空間望遠(yuǎn)鏡上的 18 面黃金鏡片將捕獲宇宙中最古老星系發(fā)出的紅外光。
但是，如果這些新技術(shù)依舊發(fā)現(xiàn)哈勃常數(shù)值存在差異，那么我們確實(shí)需要引入新的物理學(xué)了。盡管人們也已經(jīng)提出很多理論來(lái)解釋這種差異，但都無(wú)法完全解釋我們看到的一切。每個(gè)潛在理論都有缺點(diǎn)。例如，有人提出，早期宇宙中可能存在另一種輻射，但我們已經(jīng)精確測(cè)量了宇宙微波背景，所以這個(gè)可能性幾乎為零。另一種觀點(diǎn)是，暗能量可能會(huì)隨時(shí)間而變化。
這似乎是一個(gè)非常有前景的假設(shè)，但是目前，暗能量如何隨時(shí)間變化可能也面臨其他限制。暗能量似乎只能以一種不自然的方式隨時(shí)間變化，看起來(lái)也希望渺茫。還有一個(gè)解釋是，早期宇宙中存在暗能量，之后這些暗能量又消失了。但是，我們沒(méi)有明顯的理由，可以解釋為什么暗能量起初存在而后又消失。
因此，科學(xué)家們不得不繼續(xù)探索新的可能性，解釋眼下發(fā)生的一切。雖然現(xiàn)在我們還不知道合理的解釋是什么，但這并不意味著以后不會(huì)有合適的想法出現(xiàn)。
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