宇宙膨胀到底有多快

2011年诺贝尔物理学奖得主、约翰·霍普金斯大学宇宙学家亚当·里斯（法新社供图）

我们身处的宇宙正在膨胀，这在现代社会已经成为一个常识。实际上，正如时间像一条向前流动、永不停止的河流一样，宇宙膨胀并不是人类“自古以来”就有的概念（在古代，各个文明对于时间和时间流逝的方式等问题有着各种各样不同的理解。直到17世纪物理学家牛顿提出了牛顿力学和绝对时间、绝对空间的概念，人们才开始普遍把时间理解为一条永远向前流淌的、单方向性的河流。后来物理学家亚瑟·艾丁顿把这称为“时间之箭”）。

直到1916年发表广义相对论时，爱因斯坦仍然认为宇宙是处于一种静止不动的状态之中（这也是当时人们的普遍看法）。与此同时，一些天文学家利用天文望远镜观测遥远的星系，发现所有的星系都在远离地球而去。到了1929年，美国天文学家埃德温·哈勃发表了观测结果，说明距离银河系越远的星系远离我们的速度就越快。这时人们才终于意识到，整个宇宙都处于膨胀的状态之中。后来人们把宇宙膨胀的速度称为哈勃常数（Hubble Constant,H0）。

那么，宇宙膨胀的速度，也就是哈勃常数的数值到底是多少？实际上，天文学家们对此还没有定论，因为通过不同方法测量出的哈勃常数都有所不同。人们认为，其数值应在50～90（km/s）/Mpc之间（天体与地球的距离每增加大约300万光年，其相对于地球退行的速度就会增加50～90公里/秒）。正是因为困难极大，测量出一个尽可能准确的哈勃常数成为了很多天文学家多年来努力的目标。

在描述和测量宇宙时，很多宇宙学家采用“ΛCDM模型”。在这个模型中，包含有宇宙微波背景辐射、暗能量、冷暗物质和宇宙的大尺度结构等人们已经了解的构成宇宙的多个关键因素。根据这个宇宙模型，一些天文学家通过对普朗克卫星于2013年公布的对宇宙中微波背景辐射的探测结果进行计算，得出的哈勃常数在67左右。所谓微波背景辐射，是指在宇宙刚刚诞生38万年之后所产生的一种弥漫在整个宇宙空间内的辐射。所以说通过微波背景辐射计算出的宇宙膨胀速度，是宇宙早期的膨胀速度。

但通过其他方法测量的哈勃常数却有所不同。2011年诺贝尔物理学奖得主、约翰·霍普金斯大学的宇宙学家亚当·里斯（Adam Riess）在过去几年里领导一个名为“SH0ES”的研究小组，一直试图通过测量宇宙中遥远天体的距离来计算哈勃常数。想要精确测量宇宙中遥远天体的距离，里斯需要借助一些被称为“标准烛光”的天体。宇宙中的一些天体，例如一些白矮星，它们自身的亮度恒定，因此只需要观察它们相对于地球的亮度，再通过与白矮星同星系中的亮度会发生变化的造父变星进行校准，就能够推算出它们相对于地球的距离。而通过这种方法计算出的哈勃常数大约为74——与通过宇宙微波背景辐射测出的数值有较大差距。另外一组名为“H0LiCOW”的宇宙学家使用了另一种方法。他们利用引力透镜手段对宇宙中一些极其遥远又明亮的天体“类星体”（Quasar）进行观测，由此得出的哈勃常数大约为73.3——也明显高于通过微波背景辐射方法得出的数值，更接近通过“标准烛光”方式测量的数值。

宇宙膨胀到底有多快，哈勃常数的数值究竟是多少，成了一个重要的问题。为了解决这个问题，众多天文学家在2019年7月聚集到位于加州大学圣芭芭拉分校的卡维利理论物理研究所，讨论因为测量哈勃常数而产生的宇宙学问题。通过两种不同的方法测量哈勃常数，得出了完全不同的结果，而且两种方法也都不孤立，各有旁证，究竟哪个数值更为可信？

情况可能比人们之前想象的更为复杂。在这次会议上，芝加哥大学的天文学家温迪·弗里德曼（Wendy Freedman）报告了她通过另外一种方式——利用红巨星作为标准烛光——测量哈勃常数得出的数值为70，恰好位于处于争论之中的两个数值中间。里斯认为，考虑到弗里德曼在进行测量时可能因为星际尘埃所产生的误差，根据这个方法得出的哈勃常数应该大约是73。但是弗里德曼本人对此并不认同。

人们请诺贝尔物理学奖得主、卡维利理论物理研究所前所长大卫·格罗斯（David Gross）评价这个因为测量哈勃常数而产生的事件，究竟是一种紧张局面（Tension），还是一个问题（Problem）？格罗斯评价，这不是紧张局面，也不是一个问题，而是一个危机（Crisis）——颇为有趣的是，两个月前格罗斯在圣芭芭拉分校接受本刊采访时，曾经说目前物理学没有任何危机。

在物理学界，所谓的“危机”往往蕴含着多种含义，甚至可能和“机遇”等同起来。天文学家们测量动辄距离地球数千万光年之外的天体，难免会出现各种各样的误差。想要让通过各种不同方法得出的测量结果取得一致，并不容易。但另一方面，利用宇宙微波背景辐射和标准烛光两种思路测量出的数值结果相差巨大，这实际上体现了两种不同的思路：测量早期宇宙的膨胀速度和测量有140亿年历史的后期宇宙的膨胀速度。如果说这两个数值之间的差别始终如此，可能就说明哈勃常数实际上并非一个常数。

直到21世纪，人类才意识到在宇宙中还有推动宇宙加速膨胀的暗能量存在，但是人们至今仍认为哈勃常数的数值是一个常数。如果连哈勃常数的数值也会发生变化，那么就说明人们目前所建立的宇宙模型具有重大的缺陷，显然遗漏了宇宙中某些重要的因素。

天文学家和物理学家们能够从中发现什么契机，在这次危机中是否孕育着某种新物理学？现在谈论这个话题似乎还为时尚早。天文学家们应该做的是利用更精确的手段测量哈勃常数，尽量消除各种不确定因素。或许通过两个思路测量的哈勃常数会趋于一致，或许两者的区别依然存在。未来值得期待。盖亚太空望远镜（Gaia Space Telescope）即将发回它的探测报告，詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）即将升空，它们都将在未来为天文学家们测量哈勃常数提供更精确的数据。

（本文写作参考了《科学》和Quanta Magazine杂志的相关报道） 科学天文宇宙亚当·里斯宇宙膨胀哈勃常数