哈勃常數(shù)，看似平常，實(shí)則危機(jī)四伏

自2014年起，哈勃常數(shù)的測(cè)量值——現(xiàn)在宇宙膨脹的速率，出現(xiàn)了爭(zhēng)議。遠(yuǎn)處星體所得的測(cè)量數(shù)據(jù)比近處星體測(cè)量數(shù)據(jù)小約10%。雖然它們聽起來相差不大（事實(shí)上并不是這樣，巨大的科學(xué)成就總是需要最精準(zhǔn)的測(cè)量值），但它們的不確定性應(yīng)該只有2%。 從統(tǒng)計(jì)學(xué)上講，在2%的不確定性中，10%的誤差需要引起重視，并進(jìn)行調(diào)查。從2014年起，人們提出了300多種解決這個(gè)“宇宙學(xué)危機(jī)”的方案。但沒有一種方案得到了宇宙學(xué)家的普遍贊同，而且隨著科學(xué)家們繼續(xù)進(jìn)行著測(cè)量，危機(jī)還在加大。

LCDM模型

我們對(duì)宇宙學(xué)的現(xiàn)代理解正在瀕臨險(xiǎn)境。我們把它概括為 λ-CDM模型，縮寫為L(zhǎng)CDM模型。像其他科學(xué)模型一樣，這個(gè)模型做了幾個(gè)基本假設(shè)。它假設(shè)了廣義相對(duì)論在宇宙學(xué)尺寸下適用，且宇宙具有各向同性，宇宙是平坦的，其中有一些地方是空的，被稱作暗物質(zhì)，不對(duì)普通物質(zhì)有任何反應(yīng)（CDM就是指冰冷的暗物質(zhì)）。還有一些其他物質(zhì)稱作暗能量（即λ），在宇宙膨脹中維持著宇宙密度。

一旦這些假設(shè)被確立了（在大量觀測(cè)事實(shí)上，它們的確被確立了）， LCDM就只有六個(gè)自由參數(shù)。你需要做各種宇宙測(cè)量，去得到這些數(shù)據(jù)。而你一旦得到了這些參數(shù)，就可以預(yù)測(cè)所有關(guān)于宇宙的事，包括且不僅限于現(xiàn)在的宇宙膨脹速率。

固定這些參數(shù)的最好方法是宇宙微波背景輻射（CMB）,它是宇宙誕生38萬(wàn)年時(shí)留下來的光。CMB用處很多，它很宏大，容易測(cè)量，容易理解。

當(dāng)你擁有了CMB測(cè)量值之后，就可以像歐洲航天局的普朗克衛(wèi)星任務(wù)一樣，填補(bǔ)LCDM的未知部分，掌握住宇宙的整個(gè)歷史。

通往星星的天梯

這就帶來了緊張氣氛。早期宇宙測(cè)量帶給我們大量LCDM參數(shù)的信息，這些信息不僅來自CMB,還來自重子聲學(xué)振蕩——早期宇宙中的巨大聲波在宇宙中游蕩留下的星系的微小位移，以及大量光的元素。

不管你怎樣結(jié)合早期宇宙測(cè)量數(shù)據(jù)去完成LCDM模型，你最終都會(huì)得到哈勃常數(shù)大約為68km/s/Mpc。

那么，問題解決了。是嗎？不，沒有那么快。

你還可以直接測(cè)量哈勃常數(shù)。你需要測(cè)量大量物體的距離和速度，可以選擇Ia型超新星，星系性質(zhì)，米拉變星和一些類型的紅巨星。

除了紅巨星，其他方法測(cè)得的哈勃常數(shù)為一個(gè)較高的數(shù)字——超過74km/s/Mpc。

有趣卻有些沮喪的是，紅巨星測(cè)得的結(jié)果恰在這兩個(gè)極端數(shù)字之間——因此，我們迎來了危機(jī)。

無解決之路

我們已經(jīng)有兩種截然不同的方法來測(cè)量哈勃常數(shù)，每一種都經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，研究理解。LCDM模型在預(yù)測(cè)很多宇宙觀測(cè)上取得了巨大成功，沒有人愿意拋棄這個(gè)模型。CMB的測(cè)量值是精確的——幾乎是目前天文學(xué)歷史上最精準(zhǔn)的測(cè)量。

從另一方面來說，超新星的測(cè)量也是合理的。一些其他的探測(cè)器給出了類似的哈勃常數(shù)值。早期宇宙與后期宇宙，整體測(cè)量與當(dāng)?shù)販y(cè)量，大尺度與小尺度，都形成了對(duì)比——不管你怎樣區(qū)分它們，我們始終有兩種應(yīng)當(dāng)吻合的看法出現(xiàn)了分歧。我們本該有一個(gè)普遍的，一致的測(cè)量結(jié)果，但我們沒有。

宇宙學(xué)家對(duì)這個(gè)“危機(jī)”很感興趣，因?yàn)樽?0多年前，我們發(fā)現(xiàn)暗能量之后，再?zèng)]有出現(xiàn)如此有趣之事。當(dāng)測(cè)量結(jié)果發(fā)生分歧，這是自然界在悄悄告訴我們，這里有一個(gè)新的空間，一個(gè)新的機(jī)會(huì)讓我們揭開宇宙更多的真相。

迄今為止，已有300多種宇宙危機(jī)的解決方案。有人呼吁在CMB上進(jìn)行更多的物理研究，有人認(rèn)為暗能量近年研究中在作怪，有人從更基礎(chǔ)的方面改變了物理理論，使觀測(cè)結(jié)果變得更復(fù)雜。

但是，沒有一個(gè)方案能解釋大量宇宙學(xué)事實(shí)，我們距達(dá)成一致還有很長(zhǎng)的路。

我個(gè)人相信“一件趣事，很可能是一件錯(cuò)事?！边@次危機(jī)最無聊的解釋是：在我們局部尺度測(cè)量哈勃常數(shù)的過程中，出現(xiàn)了差錯(cuò)。

但只有時(shí)間會(huì)告訴我們真相。

BY: Paul M. Sutter

FY: 靜貍

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