難解之謎：我們的宇宙到底有多大

我們都知道，宇宙浩瀚無窮。但我們朝任何一個方向望去時，宇宙最遙遠(yuǎn)的可見區(qū)域大約在460億光年之外。但這實(shí)際上，還只是我們的一個最佳估計(jì)，因?yàn)闆]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)確地來說，是從宇宙大爆炸中拋射出來的微波輻射）。大約138億年前，宇宙在一場大爆炸中誕生，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)”來確定宇宙的膨脹程度。這是當(dāng)前宇宙膨脹速度的一個度量，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。

我們不妨把宇宙類比成一個正在膨脹的氣球。當(dāng)恒星和星系（好比氣球表面的斑點(diǎn)）越來越快地遠(yuǎn)離彼此時，它們之間的距離也越來越大。從我們眼中看去，就是某個星系離我們越是遙遠(yuǎn)，它黯淡下去的速度也就越快。

不巧的是，天文學(xué)家測量哈勃常數(shù)的次數(shù)越多，我們基于對宇宙的理解所建立的預(yù)測便越站不住腳。一種測量方法直接給了我們一個確定的值，而另一種測量方法（取決于我們對宇宙其他參數(shù)的理解）則給出了不同的結(jié)果。要么這兩種測量方法都是錯的，要么就是我們對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)是一個工程挑戰(zhàn)：我們?nèi)绾尾拍鼙M可能精確、準(zhǔn)確地測量這個常數(shù)？要解決這個挑戰(zhàn)，不僅需要獲得測量的數(shù)據(jù)，還需要以盡可能多的方式交叉檢驗(yàn)測量方法。從一個科學(xué)家的角度來看，這更像是將拼圖完整地拼湊起來，而非破解謎團(tuán)。

天文學(xué)家埃德溫·哈勃在1929年對哈勃常數(shù)進(jìn)行了首次測量，這個常數(shù)也正是以埃德溫·哈勃的名字命名。首次測量將哈勃常數(shù)定為500（km/s）/Mpc，或者310（miles/s）/Mpc。Mpc表示百萬秒差距，一個宇宙距離尺度，大約相當(dāng)于326萬光年的距離。500（km/s）/Mpc，即意味著，距離地球的距離每增加一個百萬秒差距，星系遠(yuǎn)離我們的速度便加快500 km/s。

在哈勃首次估測宇宙膨脹率后的一個多世紀(jì)中，這個數(shù)值曾一次又一次地被向下修正。如今哈勃常數(shù)的值在67（km/s）/Mpc到74（km/s）/Mpc之間。一部分原因在于，測量的方式不同，哈勃常數(shù)也會有所不同。

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到宇宙微波背景。但是，由于宇宙的遙遠(yuǎn)區(qū)域正離我們越來越遠(yuǎn)，這種光被拉伸成無線電波。20世紀(jì)60年代，因一次偶然的機(jī)會，天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)這些無線電信號。這些無線電信號也讓我們有機(jī)會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，上演了一場宇宙拔河比賽，所產(chǎn)生的擾動，至今仍以微小的溫度差異的形式，存在于宇宙微波背景中。

研究人員可以通過這些擾動，測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)模型來推斷目前的膨脹速度。這個標(biāo)準(zhǔn)模型，是目前對宇宙起源、宇宙組成以及我們今天所看到一切的最好解釋。

但是這里存在一個問題。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，來測量哈勃常數(shù)時，他們得到了一個不同的數(shù)值。

如果標(biāo)準(zhǔn)模型是正確的，那么你會認(rèn)為兩種方法得出的結(jié)果——當(dāng)前的測量結(jié)果和從早期觀測中推導(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)星首次測量了宇宙微波背景中的差異;2018年，又測量了一次。根據(jù)普朗克衛(wèi)星的測量，哈勃常數(shù)的值為67.4（km/s）/Mpc。但是，這個數(shù)值比弗里德曼等天文學(xué)家通過觀察附近星系得出的測量值，低了9%左右。

2020年，阿塔卡瑪宇宙學(xué)望遠(yuǎn)鏡對宇宙微波背景的進(jìn)一步測量，與普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)具有相關(guān)性。這幫助科學(xué)家從兩個方面排除了普朗克衛(wèi)星存在系統(tǒng)性問題的可能。那么，如果宇宙微波背景的測量是正確的，剩下的可能性只能是以下兩個中的一個：（1）測量附近星系發(fā)出的光，這種方法不對;（2）宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型需要修改。

天文學(xué)家使用的測量方法采用了一種特殊類型的恒星：造父變星。大約100年前，天文學(xué)家亨麗愛塔·勒維特發(fā)現(xiàn)了這種亮度會變化的恒星，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間越長?，F(xiàn)在，天文學(xué)家可以通過研究這類恒星的亮度脈沖，來準(zhǔn)確地判斷恒星的真正亮度。通過測量我們在地球上觀察到的亮度，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測量哈勃常數(shù)的人。他們使用的數(shù)據(jù)來自哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。2001年，他們測量到的哈勃常數(shù)值為72（km/s）/Mpc。

從那之后，通過研究附近星系得出的哈勃常數(shù)值一直在72（km/s）/Mpc上下浮動。另一個也使用造父變星測量哈勃常數(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74（km/s）/Mpc。幾個月之后，另一組天體物理學(xué)家以另一種不同的測量技術(shù)（涉及類星體發(fā)出的光）得出的哈勃常數(shù)值為73（km/s）/Mpc。

如果這些測量是正確的，這說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，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深遠(yuǎn)的影響。

弗里德曼說：“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這樣，但這是發(fā)現(xiàn)原因的一個機(jī)會?！?/p>

如果標(biāo)準(zhǔn)模型是錯的，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。

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)別扭曲了測量結(jié)果。也許不是一個完美的比喻，但是你可以這么想，在上坡或下坡的時候，哪怕你用同樣的力度踩油門，汽車的速度或加速度變化是不一樣的。這不太可能是我們測量到的哈勃常數(shù)值差異的一個最終原因，重要的是我們不能忽視為得到這些結(jié)果所做過的工作。

但是天文學(xué)家認(rèn)為，他們已經(jīng)越來越接近確定哈勃常數(shù)值，以及哪一種測量方法是正確的。

弗里德曼說：“令人興奮的是，我認(rèn)為，我們真的能夠在相當(dāng)短的時間里解決這個問題，不管是一年還是兩三年。有很多即將出現(xiàn)的新技術(shù)，可以提高我們測量的準(zhǔn)確性。最終，問題可以得到解答?！?/p>

其中一個新技術(shù)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量約10億顆恒星的位置?？茖W(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)蓋亞繞太陽運(yùn)動時，該望遠(yuǎn)鏡在太空中的有利觀測地點(diǎn)也會發(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不同。所以，在軌道周期內(nèi)，蓋亞可以在一年中的不同時間觀測天體，進(jìn)而讓科學(xué)家得以準(zhǔn)確計(jì)算出恒星遠(yuǎn)離我們太陽系的速度。

另外一個可以回答哈珀常數(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)鏡可以通過研究紅外波長，進(jìn)行更好的測量。這樣的測量不會受到我們與恒星之間的塵埃的影響。

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)提出很多理論來解釋這種差異，但都無法完全解釋我們看到的一切。每個潛在理論都有缺點(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)精確測量了宇宙微波背景，所以這個可能性幾乎為零。另一種觀點(diǎn)是，暗能量可能會隨時間而變化。

這似乎是一個非常有前景的假設(shè)，但是目前，暗能量如何隨時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間變化，看起來也希望渺茫。還有一個解釋是，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有合適的想法出現(xiàn)。