我们仍然不知道宇宙膨胀的速度有多快

早在20世纪80年代，天文学家们就卷入了一场巨大的争论，其规模之大，足以容纳整个宇宙。争论的焦点是一个名为哈勃常数的数字，它描述了宇宙膨胀的速率，并由此推断出宇宙大爆炸以来经过了多少时间：膨胀速率越慢，宇宙就越古老。

一方是威尔逊山天文台埃德温·哈勃的杰出继任者艾伦·桑德奇，他计算出宇宙的年龄约为200亿年。另一方则是一群持不同意见者，他们的观测结果显示宇宙的年龄大约只有前者的一半。争论进行得异常激烈。

哈勃常数的测量单位很深奥（千米每秒每百万秒差距），因此为了简洁，研究人员通常只使用数字本身。一位新锐学者可能会在演讲中宣称：“我们测得的哈勃常数是100。”桑德奇则会怒吼回应：“是50。”并嘲笑同事们的测量存在缺陷。对于当时报道该领域的我这个年轻记者来说，这是一场展现科学热情的启示性场面。整个宇宙的历史都岌岌可危！

三十年后，一场关于哈勃常数的新争论再次让我们对宇宙的理解悬而未决。至少，过去的激烈争吵早已平息。来自哈勃太空望远镜和普朗克卫星的大幅改进的数据显示，桑德奇和他的对手们都错了；宇宙的真实年龄介于两者之间，为138亿年。然而，随着问题变得清晰，新的冲突也随之浮现。

通过直接观测恒星得到的哈勃常数测量值为73。而通过研究早期宇宙遥远的微波背景辐射得到的测量值约为68。尽管差距很小，但它却持续存在。解决早期的争论带来了惊人的发现：我们生活在一个被神秘的“暗能量”推动而加速膨胀的宇宙中。而这场最新争论的意义可能同样重大。

太空望远镜科学研究所的亚当·里斯因发现暗能量而分享了2011年诺贝尔物理学奖，他对事态的最新发展既惊讶又觉得有趣。他问道：“谁能想到，我们测量哈勃常数时，仅仅10%的差异就让我们说‘嗯，这里有问题’呢？”“但事实就是如此。”

攀登阶梯

里斯和他的团队专注于通过观测恒星来测量哈勃常数——即所谓的“宇宙距离阶梯”方法。研究人员从可以精确测量距离的较近天体开始，然后用这些天体来校准更远天体的距离，如此层层递进，就像攀登梯子一样。一旦知道了天体的真实距离，就可以将其与运动测量值相结合，从而推导出宇宙的膨胀率。

宇宙距离阶梯是埃德温·哈勃在1929年发现宇宙正在膨胀的方法，但用它来推断膨胀的“速率”却问题重重。巨大的挑战在于校准阶梯的第一级，即一种名为造父变星的恒星。这类恒星的脉动节奏取决于其固有光度。如果你测量了一颗造父变星的脉动周期，你就能知道这颗星真正的亮度。将其与观测到的亮度进行比较，你就能算出它的距离——然后就可以继续前进了。

不幸的是，造父变星这个技巧只能给出相对距离。要得到绝对距离，你需要知道几颗邻近造父变星的精确位置，作为所有其他恒星的参照。“这正是困扰了人们20到25年的问题。他们很难以绝对的方式校准任何东西，”里斯说。他职业生涯的大部分时间都在努力为宇宙学消除这个难题。

在桑德奇的时代，哈勃常数的不确定性约为50%。到2001年，来自哈勃望远镜的数据将误差降低到10%。在他最近的论文中，里斯声称精度达到了2.2%——“而且有可能接近1%。这是我未来几年的目标，而且看起来是可行的，”他说。因此，他很有信心地表示，哈勃常数的值是73。

膨胀的回响

这一切听起来都很棒，直到你和那些同样有说服力的、使用普朗克卫星数据的科学家交谈。从2009年到2013年，普朗克卫星对宇宙微波背景——宇宙大爆炸的遗留辐射——进行了精确观测。距离阶梯方法的研究者从近处开始，而普朗克的研究者则深入探究，研究来自可见宇宙边缘的辐射，并检查其中的模式，以揭示宇宙的膨胀历史。

这是一种巧妙的方法，摆脱了局部宇宙测量的不确定性。而分歧也由此开始。

普林斯顿大学的天体物理学家乔·邓克利说：“根据普朗克的数据，我们得到的哈勃常数是68或67。”与距离阶梯结果的差异变得如此明显，以至于邓克利想确保普朗克的研究人员没有在任何方面自欺欺人。

这项任务最终落在了邓克利的一位前研究生、现为约翰霍普金斯大学宇宙学家的格雷姆·阿迪森身上。阿迪森开始探索另一种计算宇宙膨胀的方法，这次是通过观察大爆炸留下的振动，这些振动在宇宙中星系的分布上刻下了一个巨大的涟漪模式。这个模式在最新的大规模巡天调查中是可见的。宇宙涟漪的大小，结合有关大爆炸的其他信息，可以得出哈勃常数的测量值。

“这是关于正在发生的事情的第三种意见，”阿迪森说。这个意见与普朗克的67值相符，“这有力地表明，你不能把这个差异完全归咎于普朗克的数据。”

这到底是怎么回事？

与桑德奇那样的老派“斗士”相比，今天的研究人员是一群和蔼而谨慎的人。他们明智地从考虑人为错误开始：即是否有人在收集或分析数据时出了错。但这看起来越来越不可能。

“如果你三年前问我，我会说，‘距离阶梯相当复杂，而且其中涉及的天体物理学需要被理解。’但我对这个问题的看法已经改变了，这主要是因为里斯和他的合作者们的工作，”阿迪森说。“他们重新审视了距离阶梯的每一个步骤，进行了统计检验，但所有这些分析都没有使哈勃常数发生任何接近于与普朗克数据相符的改变。”

最令人不安——也最令人兴奋——的是，如此多的证据线索汇集到两个不一致的答案上。这种持续存在的差距正迫使宇宙学家们考虑两种测量结果可能都是正确的。也许宇宙具有双重身份：普朗克研究的早期宇宙，和哈勃望远镜研究的晚期宇宙，可能真的不一致，这是由于宇宙运行方式中某个尚未被发现的方面所致。

里斯列举了一系列可能性，其中任何一个都足以算作一项重大发现。空间本身可能有轻微的曲率。可能存在一种未知类型的中微子，这是一种几乎不与物质相互作用的幽灵粒子。暗物质和暗能量可能具有“稀奇古怪”的特性。

邓克利怀疑，当前科学理解中的问题可能比里斯描述的那些相对微小的调整要深刻得多。“没有任何一个对标准宇宙学模型的单一扩展能够解释普朗克数据、局部测量以及其他大量数据，”她说。“我们还有一些大问题需要弄清楚，比如宇宙为什么在加速膨胀，以及它最初为什么会开始膨胀？如果我们即将迎来一场重大颠覆，我不会感到惊讶。”

当前的争论可能看起来比之前的要小，但它可能大到足以带来一个全新的宇宙。