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一百年前，天文學(xué)家開始發(fā)現(xiàn)宇宙并非一直保持相同的大小，而是在不斷膨脹。

然而，如果你問(wèn)一群天文學(xué)家宇宙膨脹的速度究竟有多快，卻得不到一個(gè)統(tǒng)一的答案。

目前的估計(jì)值集中在兩個(gè)不同的數(shù)值附近，但分歧相當(dāng)大，以至于有人稱之為“宇宙學(xué)危機(jī)”。

2021年，100億美金打造的堪稱當(dāng)下最強(qiáng)的的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空，科學(xué)家們一度希望它能解決這一危機(jī)。

然而，韋伯太空望遠(yuǎn)鏡不僅沒(méi)解決問(wèn)題，最近的觀測(cè)和發(fā)現(xiàn)反而讓情況變得更加復(fù)雜了！

甚至正在揭示全新的物理學(xué)規(guī)律！

從哈勃的發(fā)現(xiàn)到宇宙學(xué)危機(jī)

關(guān)于宇宙膨脹的假說(shuō)和問(wèn)題，這還要從1929年說(shuō)起。當(dāng)時(shí)美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃發(fā)表了一篇論文，宣布夜空中的許多星系正在遠(yuǎn)離我們。

換句話說(shuō)，宇宙正在膨脹：但不是星系本身在移動(dòng)，而是星系之間的空間在擴(kuò)張。

宇宙膨脹的速度而且還隨時(shí)間變化，天文學(xué)家將當(dāng)前的膨脹速率稱為“哈勃常數(shù)”（H?）。哈勃甚至給出了一個(gè)估計(jì)值：530公里/秒/百萬(wàn)秒差距（Mpc）。

這個(gè)數(shù)值對(duì)非天文學(xué)家來(lái)說(shuō)可能意義不大，因此這里稍作解釋下。

百萬(wàn)秒差距（Mpc）是一個(gè)距離單位，1 Mpc大約等于300萬(wàn)光年，或者說(shuō)31萬(wàn)億公里。舉個(gè)例子，銀河系與最近的仙女座星系之間的距離約為0.8 Mpc，而整個(gè)可觀測(cè)宇宙的直徑約為30000 Mpc。如果哈勃常數(shù)的值真的是530，那么距離我們1 Mpc的星系將以每秒530公里的速度遠(yuǎn)離我們，2 Mpc的星系則以每秒1060公里的速度遠(yuǎn)離，以此類推。

然而，隨著時(shí)間的推移，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)哈勃的估計(jì)值偏差很大。

得益于更先進(jìn)的太空望遠(yuǎn)鏡和更精確的數(shù)據(jù)，我們現(xiàn)在知道哈勃常數(shù)的真實(shí)值大約在70公里/秒/Mpc左右。但問(wèn)題在于，不同研究團(tuán)隊(duì)使用不同的方法測(cè)量哈勃常數(shù)，得到的數(shù)值并不一致。這一分歧最終引發(fā)了所謂的“宇宙學(xué)危機(jī)”，因此也有人稱之為“哈勃沖突”。

兩大陣營(yíng)的對(duì)立

目前，測(cè)量哈勃常數(shù)的研究主要分為兩大陣營(yíng)：CMB陣營(yíng)和距離階梯陣營(yíng)。CMB陣營(yíng)通過(guò)研究宇宙微波背景輻射（CMB），即宇宙大爆炸后幾十萬(wàn)年發(fā)出的最古老的光，來(lái)推導(dǎo)哈勃常數(shù)。他們的模型基于已知的物理定律和宇宙微波背景輻射數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬重建宇宙的歷史，最終得出哈勃常數(shù)的值約為67公里/秒/Mpc。

而距離階梯陣營(yíng)則通過(guò)直接觀測(cè)距離我們幾百萬(wàn)秒差距的星系，測(cè)量它們的距離和速度來(lái)計(jì)算哈勃常數(shù)。他們的方法依賴于“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，即那些無(wú)論距離多遠(yuǎn)都保持相同亮度的天體，例如某些類型的恒星和超新星。距離階梯陣營(yíng)得出的哈勃常數(shù)約為73公里/秒/Mpc。

雖然這兩個(gè)數(shù)值看起來(lái)相差不大，但關(guān)鍵在于它們的誤差范圍并不重疊！

CMB陣營(yíng)的誤差范圍非常小，約為67.4±0.5，而距離階梯陣營(yíng)的誤差范圍約為73±1。這意味著兩者的測(cè)量結(jié)果在統(tǒng)計(jì)學(xué)上存在顯著差異，根本無(wú)法用隨機(jī)誤差來(lái)解釋。

而韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射曾被視為解決這一危機(jī)的希望。憑借異常強(qiáng)大的分辨率，韋伯太空望遠(yuǎn)鏡有望提供更精確的觀測(cè)數(shù)據(jù)，從而幫助天文學(xué)家構(gòu)建更準(zhǔn)確的距離階梯，進(jìn)而得出更可靠的哈勃常數(shù)值。

然而，2024年，韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的首批研究結(jié)果卻讓情況變得更加復(fù)雜。

兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)分析了韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，卻得出了截然不同的結(jié)論。

第一個(gè)團(tuán)隊(duì)由諾貝爾獎(jiǎng)得主亞當(dāng)·里斯領(lǐng)導(dǎo)，他們分析了上千顆造父變星（一種標(biāo)準(zhǔn)燭光），發(fā)現(xiàn)韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)與哈勃望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)并無(wú)顯著差異，因此哈勃常數(shù)的值也沒(méi)有變化。這意味著距離階梯陣營(yíng)的結(jié)果仍然與CMB陣營(yíng)的預(yù)測(cè)不符。

然而，幾個(gè)月后，資深宇宙學(xué)家溫迪·弗里德曼的團(tuán)隊(duì)公布了他們的研究結(jié)果。他們使用了三種不同的標(biāo)準(zhǔn)燭光進(jìn)行交叉校準(zhǔn)，最終得出的哈勃常數(shù)值與CMB陣營(yíng)的預(yù)測(cè)更加接近。

弗里德曼的團(tuán)隊(duì)甚至宣稱，哈勃沖突可能已經(jīng)解決。

然而，里斯團(tuán)隊(duì)隨后指出，弗里德曼的研究可能存在系統(tǒng)性誤差，即數(shù)據(jù)處理中的某些假設(shè)可能導(dǎo)致結(jié)果偏向某一方向。目前，弗里德曼的研究尚未通過(guò)同行評(píng)審，而里斯團(tuán)隊(duì)的批評(píng)也未正式發(fā)表。因此，這場(chǎng)學(xué)術(shù)爭(zhēng)論仍在繼續(xù)。

系統(tǒng)性誤差與新物理學(xué)的可能性

這場(chǎng)爭(zhēng)論的核心在于系統(tǒng)性誤差：那些在數(shù)據(jù)處理中未被完全考慮的小假設(shè)，可能會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生一致的偏差。無(wú)論是里斯團(tuán)隊(duì)還是弗里德曼團(tuán)隊(duì)，他們的計(jì)算都基于大量關(guān)于宇宙如何運(yùn)作的假設(shè)，從恒星的演化到亞原子粒子的行為。

而大多數(shù)宇宙學(xué)家認(rèn)為，哈勃沖突可能是由于某些假設(shè)出了問(wèn)題。

然而，如果里斯團(tuán)隊(duì)是對(duì)的，韋伯太空望遠(yuǎn)鏡無(wú)法得出與宇宙微波背景輻射預(yù)測(cè)更接近的哈勃常數(shù)值，那么這可能意味著我們需要發(fā)現(xiàn)新的物理學(xué)規(guī)律。例如，暗能量，被認(rèn)為是推動(dòng)宇宙加速膨脹的神秘力量，可能并非恒定不變，而是隨時(shí)間變化！

如果真是如此，這將是幾十年來(lái)物理學(xué)領(lǐng)域最重大的發(fā)現(xiàn)之一。

盡管韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的研究結(jié)果尚未定論，但它并不是唯一可能解決這一危機(jī)的工具。即將建成的薇拉·魯賓天文臺(tái)，將能夠每幾天掃描一次整個(gè)南半球天空，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)數(shù)百萬(wàn)顆超新星，從而提供更豐富的標(biāo)準(zhǔn)燭光數(shù)據(jù)。