[新聞] 宇宙膨脹的速度究竟有多快？
https://cn.nytstyle.com/science/20170221/hubble-constant-universe-expanding-speed/zh-hant
宇宙膨脹的速度究竟有多快？
在宇宙中——或許是在宇宙學家群體中，一場危機正在醞釀。一些天文學家稱，宇宙似乎
膨脹得太快了。最近對遙遠星系的距離和速度的測量結果，與宇宙的「標準模型」不符。
這個費盡周折得出的模型，在過去20年裡一直佔據主流地位。
最新結果顯示，一項長期尋找的數據的數值出現了9%的偏差。這項數據叫哈伯常數，用於
描述宇宙膨脹的速度。但小小的偏差引發了一場爭論，從中可以看出宇宙學家認為自己研
究的這門學科已經達到了何等精確的程度。這場爭論關乎我們究竟有多了解宇宙。
「如果是真的，我們將學到新的物理，」芝加哥大學(University of Chicago)的溫迪·
弗里德曼(Wendy Freedman)說。她把職業生涯中的大部分時間都用在了用圖表描述宇宙的
大小和膨脹上。
哈伯常數得名於發現了宇宙在不斷膨脹的威爾遜山天文台(Mount Wilson)和卡內基科學研
究院天文台(Carnegie Observatories)天文學家埃德溫·哈伯(Edwin Hubble)，是一個始
終困擾著天文學家的東西。在一個不斷膨脹的宇宙中，離我們越遠的東西後退的速度越快
。哈伯常數衡量的就是這種變化的幅度。
但測量哈伯常數須探測天空中的光點——我們永遠無法到達或在實驗室裡複製的恆星乃至
星系——的距離。從哈伯所在的時代至今，採用的辦法一直是找到所謂的標準燭光，即可
通過從地球上看它們時的亮度，計算出其與地球之間的距離的恆星或整個星系。
但校準器本身也需要校準，這引發了一系列不牢靠的假設和測量結果。在這些測量結果中
，小小的誤差和不一致，比如關於灰塵在多大程度上干擾了觀測結果，可能會逐漸變成巨
大的差異。就在30年前，著名天文學家在宇宙的年齡是100億年還是200億年上還無法達成
一致意見。現在，所有人都認定它的年齡約為138億年。利用新一代工具，如哈伯太空望
遠鏡，天文學家逐步降低了哈伯常數的不確定性。
越來越近
2001年，弗里德曼率領的一個團隊報告的哈伯常數值是72公里每秒每百萬秒差距（約330
萬光年）。天文學家喜歡用這種冗長的單位，它的意思是一個星系與我們之間的距離每增
加330萬光年，它的移動速度會增加72公里每秒。哈伯的最初估值要高得多，為500公里每
秒每百萬秒差距。
弗里德曼的結果有一個誤差範圍，使它恰好與其他較間接的計算相符。那些計算得出的
哈伯常數結果是67，稍微低一些、慢一些。它們來源於對最初的大爆炸火球發射的微波
進行的研究。那些微波現在仍留在空中。結果是，近年來天文學家在這個昏暗、頹靡得
堪比雙倍黑巧克力布朗尼的宇宙的組成上意見一致。按重量計算，宇宙由大約5%的原子
物質、27%的神秘暗物質和68%的暗能量組成。暗能量比暗物質更神秘，正在加快宇宙的
膨脹。我們不知道這些黑暗的物質究竟是什麼，但這不要緊。關於它們是如何運轉的，
天文學家有一個精妙的理論，使他們能夠講出一個看上去合理的故事，介紹宇宙是如何
從年齡只有一萬億分之一秒的時候進化到現在的。
但現在，哈伯常數的精度似乎提高了，而宇宙可能又陷入了麻煩。去年夏天，供職於
約翰·霍普金斯大學(Johns Hopkins University)和太空望遠鏡科學研究所(Space
Telescope Science Institute)的亞當·裡斯(Adam Riess)帶領的一個團隊利用了哈
伯太空望遠鏡和夏威夷冒納凱阿火山上的巨型望遠鏡凱克望遠鏡(Keck Telescope)，
並把超新星爆炸作為終極距離標記，得出的哈伯常數值為73，正負誤差僅為2.4%。
這引起了軒然大波，因為它意味著，如果屬實，那麼今天觀察到的哈伯常數，顯然和
2013年歐洲普朗克(Planck)航天器從大爆炸殘留輻射的相關數據中推斷出的67不符。
後者更低，代表膨脹速度更慢。普朗克太空飛行任務的觀察結果顯示的是年齡僅為38
萬年的宇宙。它們被視作宇宙學的金本位。
標準的宇宙構成現在是否需要調整——比如，把一種從大爆炸開始就在太空中涌動的新型
亞原子粒子計算在內——取決於你在跟誰講話。有人說，在一個以爭議著稱的領域，對通
過這麼小的一個差異反映出的新物理感到興奮還為時過早。他們認為，搜集到更多數據，
並增強對統計不確定性的了解後，這種差異也許就消失了。「據我所知，解釋永遠比問題
更可怕，」亞利桑那州立大學(Arizona State University)的理論學者勞倫斯·M·克勞
斯(Lawrence M. Krauss)說。
還有一些人則表示這可能是某個大事件的開端。任職於普林斯頓大學(Princeton
University)和西蒙斯基金會(Simons Foundation)的宇宙學者戴維·斯佩格爾(David
Spergel)稱這個偏差「非常有趣」，但表示他還不相信這標誌著出現了新的物理。
芝加哥大學(University of Chicago)的邁克爾·S·圖爾納(Michael S. Turner)說，
「如果這個差異是真實存在的，這可能會擾亂當前非常成功的標準宇宙學模型，也正
是年青一代想要的——一個取得大發現、新見解和突破的機會。」
去年夏天晚些時候，裡斯和同事斯特凡諾·卡塞爾塔諾(Stefano Casertano)得到了大致
相同的結果，73。這鞏固了哈伯常數發生了改變的說法。他們使用的是歐洲蓋亞(GAIA)航
天器提供的早期數據。蓋亞正在用三角測量的方法測量逾10億顆恆星的距離，因而使天文
學家能夠跳過距離階梯上較低的一些等級。他們計算出，這個差異只是統計巧合的可能性
不到1%。在撲克牌中，這也許聽上去不錯，但在物理學中不是。後者要求可能性在100萬
分之一以下，才能鞏固有了新發現的說法。「我覺得這是一個可能會比較嚴重的問題，」
團隊成員之一、加利福尼亞大學(University of California)天文學者亞力克斯·菲利片
科(Alex Filippenko)說。「在這個研究領域，細節決定成敗。細節沒問題了，我們就只
剩一個等待解決的難題了。」
接下來怎麼辦？
裡斯和其他人均表示，現代的和原始的結果都需要進行調整，才能做到準確，因為普朗克
只是間接地把哈伯常數作為標準宇宙模型多個參數中的其中一個進行測量的。其他參數也
許會得到完善。這正是也許會出現新的物理的地方。
裡斯說，最有可能解釋這種差異的，也許是一種新的幽靈粒子，叫中微子。據知，宇宙中
存在大量這種粒子。它們分三種，在宇宙中穿行時可從一種變成另外一種。一些物理學家
稱可能還有一種幽靈粒子，叫惰性中微子，完全不與任何東西相互作用。他們的發現可能
揭開了粒子物理學的新領域，也許還可以說讓外界對認識暗物質的追求有所了解。暗物質
充斥著太空，為星系提供引力腳手架。
另一種可能性是，在宇宙學模型中，最受歡迎的暗能量形式——被稱作宇宙學常數，是愛
因斯坦在100年前提出的，後來被當成錯誤遭到否定——也許不得不被一種危害更大、更
有爭議的形式所取代。這種暗能量叫幽靈能量，可能會導致宇宙最終膨脹得太快，以至原
子都會在距今數十億年後的一場大撕裂中被撕碎。「這是一種非常有趣的緊張狀態，」裡
斯說。「這也正是我們玩這個遊戲的原因。我們要找的就是某種不正常的東西。」
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