宇宙膨脹的速度有多快？ 答案可能會(huì)指向一些令人難以置信的事情。

如果你想知道宇宙中的某些東西是如何運(yùn)作的，你所需要做的就是弄清楚一些可測(cè)量的量是如何給你必要的信息的，然后就去測(cè)量這些量，并得出你的結(jié)論。當(dāng)然，會(huì)有偏差和錯(cuò)誤，以及其他讓人困惑的因素，如果你不小心，它們可能會(huì)把你引入歧途。有什么解決辦法嗎？就是盡可能多地使用不同技術(shù)，盡可能多地進(jìn)行獨(dú)立測(cè)量，盡可能確鑿地確定這些量的自然屬性。

如果你每件事都做對(duì)了，那么你使用的每一種方法都會(huì)得到同一個(gè)答案，不會(huì)有什么歧義。如果一項(xiàng)測(cè)量或技術(shù)方法失效了，其他的測(cè)量或技術(shù)方法會(huì)給你指出正確的方向。但是，當(dāng)我們?cè)噲D將這一技術(shù)應(yīng)用于膨脹的宇宙時(shí)，難題就出現(xiàn)了：我們得到了兩個(gè)答案中的一個(gè)，而這兩個(gè)答案彼此不兼容。這是宇宙學(xué)最大的難題，也許又是解開我們存在的最大謎團(tuán)的線索。

圖注：圖表顯示了遙遠(yuǎn)星系的紅移--距離關(guān)系。不完全落在直線上的點(diǎn)由于獨(dú)特的速度差異而略有不匹配，這與觀察到的整體膨脹只有輕微的偏差。最初用來顯示宇宙膨脹情況的埃德溫·哈勃原始數(shù)據(jù)，都放在左下角的紅色小框里。（羅伯特·克什納，《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》，101, 1, 8–13 (2004)）圖源：原文。

自20世紀(jì)20年代以來，我們就知道宇宙在膨脹，其膨脹速率被稱為哈勃常數(shù)。從那時(shí)起，幾代人一直在尋求“這個(gè)速率到底是多少？”

早期，只有一種技術(shù)：宇宙距離階梯。這項(xiàng)技術(shù)非常簡(jiǎn)單，只涉及四個(gè)步驟。

1. 選擇一類本質(zhì)上已知其特性的物體，如果你測(cè)量一些可觀察的東西（例如其亮度波動(dòng)周期），你就會(huì)知道它的一些本質(zhì)內(nèi)在特性（例如其固有亮度）。

2. 測(cè)量可觀測(cè)的量，確定其固有亮度是多少。

3. 然后測(cè)量表觀亮度，利用你所知道的膨脹宇宙中的宇宙距離來確定它的距離。

4. 最后，測(cè)量該物體的紅移。

圖注：星系越遠(yuǎn)，在宇宙膨脹中就越高速地離我們遠(yuǎn)去，它的光越呈現(xiàn)紅移狀態(tài)。一個(gè)隨著宇宙膨脹而運(yùn)動(dòng)的星系，今天現(xiàn)在，和我們之間的實(shí)際光年距離，也比它的光到底我們視野內(nèi)要多好多光年。但是宇宙膨脹的速度到底是多少，使用不同技術(shù)的天文學(xué)家們還無法達(dá)成一致。(加拿大皇家天文學(xué)會(huì)，卡爾加里中心，拉里·麥克尼什）圖源：原文。

紅移是把一切聯(lián)系在一起的因素。隨著宇宙的膨脹，任何穿過它的光也會(huì)被拉伸。請(qǐng)記住，光是一種波，有其特定的波長(zhǎng)。這個(gè)波長(zhǎng)決定了它的能量是什么，宇宙中的每個(gè)原子和分子都有一組特定的放射和吸收線，這些放射線和吸收線只出現(xiàn)在特定的波長(zhǎng)上。如果你能測(cè)量一個(gè)遙遠(yuǎn)的星系中，這些特定的光譜線的波長(zhǎng)，你就可以確定，從光離開這個(gè)物體到光到達(dá)你的眼睛，這期間宇宙膨脹了多少。

結(jié)合紅移和整個(gè)宇宙中各種物體間的距離，你就可以計(jì)算出宇宙往各個(gè)方向上的膨脹速度，以及膨脹率如何隨時(shí)間變化。

圖注：宇宙膨脹的歷史，包括它目前的組成。只有通過測(cè)量光在膨脹的宇宙中傳播時(shí)的紅移，我們才能理解光和宇宙，而這需要大量的獨(dú)立測(cè)量。（歐洲宇航局和普朗克合作組織（主要），由E·西格爾修改；美國(guó)宇航局/維基共享資源網(wǎng)用戶老陳 (插圖)。）圖源：原文。

整個(gè)20世紀(jì)，科學(xué)家們都使用這項(xiàng)技術(shù)，來盡可能多地嘗試并確定我們宇宙的歷史。宇宙學(xué)?——?一種對(duì)宇宙是由什么構(gòu)成的、從哪里來的、它是如何變成今天的樣子的，以及它的未來會(huì)變成怎樣的科學(xué)研究?——曾被許多人嘲笑是對(duì)“當(dāng)前膨脹率”和“膨脹率如何隨時(shí)間演變”這兩個(gè)參數(shù)的追求。直到20世紀(jì)90年代，科學(xué)家們甚至無法就第一個(gè)參數(shù)達(dá)成一致。

他們都使用了相同的技術(shù)，但做出了不一樣的假設(shè)。一些小組使用不同類型的天文物體，另一些則使用不同的儀器，產(chǎn)生不同的測(cè)量誤差。有些種類的對(duì)象比我們最初認(rèn)為的要復(fù)雜。許多問題仍在出現(xiàn)。

圖注：標(biāo)準(zhǔn)蠟燭（左）和標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)尺（右），是過去天文學(xué)家用來測(cè)量不同時(shí)間/距離的空間膨脹的兩種不同技術(shù)。根據(jù)光度或角度大小隨距離的變化，我們可以推斷宇宙的膨脹歷史。使用蠟燭法是距離階梯的一部分，產(chǎn)生73個(gè)哈勃常數(shù)。使用標(biāo)尺是早期信號(hào)方法的一部分，產(chǎn)生67個(gè)哈勃常數(shù)。（美國(guó)宇航局/加州理工學(xué)院-噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室）圖源：原文。

如果宇宙膨脹得太快，就沒有足夠的時(shí)間來形成地球。如果我們能找到銀河系中最古老的恒星，我們就知道宇宙的年齡必須至少和其中的恒星一樣大。如果膨脹率隨著時(shí)間的推移而變化，因?yàn)槌宋镔|(zhì)或輻射之外還有別的東西——或者是數(shù)量上與我們假設(shè)的物質(zhì)數(shù)量不同——這些將體現(xiàn)在膨脹率隨時(shí)間的變化上。

解決這些早期的爭(zhēng)議是建造哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的主要科學(xué)動(dòng)機(jī)。它的關(guān)鍵項(xiàng)目是實(shí)現(xiàn)這些因素可測(cè)量化，并取得了巨大的成功。它獲得的速率是72個(gè)哈勃常數(shù)，只有10%的不確定性。這一結(jié)果發(fā)表于2001年，解決了一個(gè)和哈勃定律本身一樣古老的爭(zhēng)議。隨著暗物質(zhì)和暗能量的發(fā)現(xiàn)，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡似乎給了我們一個(gè)準(zhǔn)確和自洽的宇宙圖景。

圖注：宇宙距離階梯的構(gòu)建，涉及到從我們的太陽(yáng)系到附近星系的恒星，再到遙遠(yuǎn)的星系。每一步“梯級(jí)”都有其不確定性，尤其是涉及造父變星和超新星的那幾步；如果我們生活在密度不足或密度過高的地區(qū)，數(shù)值也會(huì)偏向于較高或較低的值。用來構(gòu)建宇宙距離階梯的獨(dú)立方法有很多種，我們?cè)侔央A梯上的一個(gè)“梯級(jí)”弄錯(cuò)，又歸罪于不同方法之間的誤差就說不過去了。(美國(guó)宇航局，歐洲宇航局，A·菲爾德(空間望遠(yuǎn)鏡研究所) 以及A·里斯 (空間望遠(yuǎn)鏡研究所/約翰斯·霍普金斯大學(xué))）圖源：原文。

在此期間，距離階梯組變得更加復(fù)雜?，F(xiàn)在有很多獨(dú)立的方法來測(cè)量宇宙膨脹的歷史：

﹡ 利用遠(yuǎn)距離引力透鏡，

﹡ 利用超新星數(shù)據(jù)，

﹡ 利用遙遠(yuǎn)星系的旋轉(zhuǎn)和色散特性，

﹡ 或者使用正向旋渦星系的表面亮度波動(dòng)，

它們都會(huì)得出同樣的結(jié)果。不管你是用造父變星，天琴座RR星，還是用即將經(jīng)歷氦聚變的紅巨星來校準(zhǔn)它們，你都會(huì)得到相同的值：約73個(gè)哈勃常數(shù)，只有2-3%的不確定性。

圖注：船尾座RS的變星，它的光芒穿越映射在星際云層中。變星有很多種；其中一個(gè)，仙王座的造父變星，既可以在我們自己的星系中測(cè)量，也可以在5000萬(wàn)到6000萬(wàn)光年之外的星系中測(cè)量到。這使我們能夠推斷出，從我們自己的星系到宇宙中更遠(yuǎn)星系的距離。其他種類的單個(gè)恒星，如AGB變星頂端的恒星或天琴座RR變星，可以用來代替仙王座的造父變星，在宇宙膨脹率上產(chǎn)生類似的結(jié)果，也產(chǎn)生相同的謎題。(美國(guó)宇航局、歐洲宇航局和哈勃遺產(chǎn)團(tuán)隊(duì)）圖源：原文。

這將是宇宙學(xué)上的一次巨大勝利，除了一個(gè)問題?，F(xiàn)在是2019年，還有第二種方法可以測(cè)量宇宙的膨脹率。除了觀察遙遠(yuǎn)的物體，并測(cè)量它們發(fā)出的光是如何變化的，我們還可以利用大爆炸早期的遺跡。當(dāng)我們這樣做時(shí)，我們得到的數(shù)值約為67個(gè)哈勃常數(shù)，據(jù)說不確定性僅為1-2%。這些數(shù)字彼此相差9%，不確定性也不發(fā)生重疊。

圖注：現(xiàn)代測(cè)量的距離階梯張力（紅色），與宇宙微波背景輻射以及重子聲學(xué)振蕩的早期信號(hào)數(shù)據(jù)（藍(lán)色）形成對(duì)比。很可能早期的信號(hào)方法是正確的，距離階梯存在根本性的缺陷；也有可能早期的信號(hào)方法有一個(gè)小范圍的誤差偏差，而距離階梯是正確的，或者兩組數(shù)據(jù)都是正確的，而某種形式的新式物理（如上圖所示）則是罪魁禍?zhǔn)?。但現(xiàn)在，我們還不能確定（亞當(dāng)·里斯（私人信息交流））圖源：原文。

不過，這次情況不同了。我們不能再指望一組數(shù)據(jù)是對(duì)的，而另一組是錯(cuò)的。我們也不能期望答案會(huì)介于兩者之間，就是說不能指望兩組數(shù)據(jù)都在假設(shè)中出了某種錯(cuò)誤。有太多獨(dú)立的證據(jù)告訴我們不能那樣去想。如果我們?cè)噲D用錯(cuò)誤來解釋一個(gè)測(cè)量值，就會(huì)與另一個(gè)已經(jīng)產(chǎn)生的測(cè)量值相矛盾。

宇宙中物質(zhì)的總量決定了宇宙如何隨時(shí)間膨脹。愛因斯坦的廣義相對(duì)論把宇宙的能量含量、膨脹率和總曲率聯(lián)系在一起。如果宇宙膨脹得太快，也就意味著起其中的物質(zhì)更少，暗能量更多，而這將與觀測(cè)結(jié)果沖突。

圖注：在普朗克之前，數(shù)據(jù)的最佳擬合表明其哈勃常數(shù)約為71km/s/Mpc，但是對(duì)于我們通過其他方法看到的暗物質(zhì)密度（x軸），以及我們?cè)诟蟪叨鹊挠钪娼Y(jié)構(gòu)上得到的標(biāo)量光譜指數(shù)（y軸的右側(cè)）來說，現(xiàn)在大約69或更高的值都過于完美了，以至于意義不大。(P.A.R.ADE和AL.以及普朗克研究所合作（2015年））圖源：原文。

比如說，從宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)、星系團(tuán)和許多其他來源來看，我們知道宇宙中的物質(zhì)總量必須是臨界密度的30%左右。我們還看到標(biāo)量光譜指數(shù)——?一個(gè)告訴我們?cè)谛〕叨群痛蟪叨壬?，引力是如何形成束縛結(jié)構(gòu)的參數(shù)——必須略小于1。

如果膨脹率太高，你不僅得到了一個(gè)物質(zhì)太少，標(biāo)量光譜指數(shù)太高，與我們現(xiàn)有的宇宙不一致的宇宙，你得到的這個(gè)宇宙還過于年輕：125億年的年紀(jì)而不是138億年。由于我們生活的這個(gè)星系中，星系中的恒星已被確認(rèn)為超過130億年，這將產(chǎn)生一個(gè)巨大的難題：一個(gè)無法調(diào)和的難題。

圖注：SDSS J102915+172927，位于4140光年之外的星系光環(huán)中，是一顆古老的恒星，其所含的重元素僅為太陽(yáng)的1/20000，其年齡應(yīng)超過130億年：它是宇宙中最古老的恒星之一，甚至可能在銀河系形成之前就已形成。像這樣的恒星的存在提醒我們，宇宙不可能比存在其內(nèi)部的恒星更年輕。（歐洲南方天文臺(tái)，數(shù)字化巡天項(xiàng)目2）圖源：原文。

但也許并沒有人弄錯(cuò)什么。也許早期的遺跡指向了一組關(guān)于宇宙的真實(shí)情況：

﹡ 它有138億年的歷史，

﹡ 它確實(shí)含有大約70%的暗能量，25%的暗物質(zhì)，以及5%正常物質(zhì)，

﹡ 它的膨脹率似乎符合低端數(shù)值 67 km/s/Mpc。

也許距離階梯也指出了一組關(guān)于宇宙的真實(shí)狀況，就全宇宙這樣的大尺度來說，宇宙在以更大的速度膨脹。

盡管這聽起來很奇怪，但兩組數(shù)據(jù)都有可能是對(duì)的。妥協(xié)的原因可能來自于大多數(shù)人還不愿意考慮的第三種選擇。與其說距離階梯組的數(shù)據(jù)錯(cuò)了，或者早期遺跡組數(shù)據(jù)有誤，還可能是我們對(duì)物理定律或宇宙本質(zhì)的假設(shè)出了錯(cuò)。換句話說，也許我們不是在處理爭(zhēng)議；也許我們看到的是一條關(guān)乎新物理學(xué)的線索。

圖注：如圖所示，一個(gè)雙透鏡類星體，是由引力透鏡引起的。如果能理解多幅圖像的時(shí)間延遲，就有可能在我們所討論的這個(gè)類星體處重建宇宙的膨脹率。最早的結(jié)果顯示總共有四個(gè)透鏡類星體系統(tǒng)，提供了一個(gè)與距離階梯組數(shù)據(jù)一致的膨脹率估計(jì)值。(美國(guó)宇航局哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，托馬索·特雷烏/加州大學(xué)洛杉磯分校以及比勒等人）圖源：原文。

也許，我們測(cè)量宇宙膨脹率的方法，實(shí)際上揭示了宇宙本身的一些新奇的性質(zhì)。關(guān)于宇宙的某些東西可能會(huì)隨著時(shí)間而改變，這也可以解釋，為什么用兩種不同的技術(shù)測(cè)量宇宙膨脹的歷史，卻產(chǎn)生了不同的結(jié)果。有一些選項(xiàng)我們可以看看：

﹡ 我們所處的宇宙區(qū)域，與宇宙平均狀態(tài)相比，有著一些不尋常的特性（這種觀點(diǎn)已經(jīng)不被看好了），

﹡ 隨著時(shí)間的推移，暗能量正在以一種無法預(yù)料的方式變化，

﹡ 重力的表現(xiàn)和我們?cè)谟钪鎸W(xué)角度上的預(yù)期不同，

﹡ 或者，有一種新的場(chǎng)或力滲透進(jìn)宇宙。

關(guān)于進(jìn)化中的暗能量這一觀點(diǎn)，尤其令人感興趣，也很重要，美國(guó)宇航局未來天體物理學(xué)方面的旗艦任務(wù)，寬視場(chǎng)紅外探測(cè)望遠(yuǎn)鏡，它的明確設(shè)計(jì)目標(biāo)就是對(duì)此進(jìn)行觀測(cè)。

圖注：在相同深度、相同時(shí)間內(nèi)，哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)區(qū)域（左上角），與寬視場(chǎng)紅外探測(cè)望遠(yuǎn)鏡所能觀察到的區(qū)域的對(duì)比。寬視場(chǎng)紅外探測(cè)望遠(yuǎn)鏡的廣闊視野，將使我們能夠捕捉到比以往更多的遙遠(yuǎn)超新星，也能使我們能夠?qū)τ钪娉叨壬蠌奈刺綔y(cè)過的星系進(jìn)行深入、廣泛的觀測(cè)。不管它能發(fā)現(xiàn)什么，它都會(huì)帶來一場(chǎng)科學(xué)革命。(美國(guó)宇航局/戈達(dá)德寬視場(chǎng)紅外探測(cè)望遠(yuǎn)鏡）圖源：原文。

現(xiàn)在，我們認(rèn)為暗能量和宇宙常數(shù)是一致的。也就是說，隨著宇宙膨脹，暗能量的密度保持一個(gè)常量，而不是像物質(zhì)那樣密度變小。暗能量也會(huì)隨著時(shí)間的推移而增強(qiáng)，或者它的表現(xiàn)也會(huì)發(fā)生變化：以不同的量向內(nèi)或向外推動(dòng)空間。

今天，在寬視場(chǎng)紅外探測(cè)望遠(yuǎn)鏡投入使用之前，我們最好的限制設(shè)定就是，暗能量與宇宙常數(shù)保持一致，約為其10%的水平。有了寬視場(chǎng)紅外探測(cè)望遠(yuǎn)鏡，即使1%的偏差我們也能測(cè)量到：這足以測(cè)試進(jìn)化中的暗能量，是否能解決關(guān)于宇宙膨脹問題的爭(zhēng)論。在我們得到答案之前，我們所能做的就是繼續(xù)完善我們最好的測(cè)量方法，并查看全套證據(jù)，以尋找解決方案的可能線索。

圖注：隨著宇宙膨脹而體積增大，物質(zhì)（普通物質(zhì)和暗物質(zhì)）和輻射的密度會(huì)降低，而暗能量是空間本身固有的一種能量形式。隨著宇宙膨脹，新的空間被創(chuàng)造出來，暗能量的密度保持不變。如果暗能量隨著時(shí)間的推移而改變，我們不僅可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)可能解決宇宙膨脹這一難題的方法，還可能發(fā)現(xiàn)一個(gè)關(guān)于存在本質(zhì)的革命性的新見解。（E·西格爾/《超越銀河》）圖源：原文。

這并不是一些逆向思維的科學(xué)家過分強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)中的一個(gè)小差異，從而產(chǎn)生的一些邊緣性的觀點(diǎn)。如果兩組數(shù)據(jù)都正確?——而且沒人能在任何一組中發(fā)現(xiàn)任何缺陷?——那么，在我們?yōu)榱死斫庥钪娑~出下一大步時(shí)，這可能就是第一條線索。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者亞當(dāng)·里斯，也許是目前研究宇宙距離階梯的最杰出的人物，他很友好地和我一起錄制了一期播客，討論所有這一切對(duì)宇宙學(xué)的未來，可能意味著什么。

可能在研究的過程中，我們?cè)谀硞€(gè)地方犯了一個(gè)錯(cuò)誤。有可能當(dāng)我們?cè)噲D確定這個(gè)錯(cuò)誤時(shí)，一切困難又都會(huì)恰到好處地得以解決，不會(huì)再有爭(zhēng)議或難題。但也有可能錯(cuò)誤就存在于我們對(duì)宇宙簡(jiǎn)單性的假設(shè)中，而這種錯(cuò)誤又將為我們更深入地理解宇宙的基本真相鋪平道路。

BY: Ethan Siegel

FY:?大恐龍龍

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請(qǐng)?jiān)谧髌钒l(fā)布后聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請(qǐng)取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處