宇宙自大爆炸以来一直在膨胀，但膨胀的速度有多快？这个答案可能揭示出，我们一直认为的关于物理的所有理解，其实都是错误的。

北京时间3月30日，我们都知道宇宙无边无际。但是我们往任何方向看，宇宙中最远的可见区域都在460亿光年左右。但其实这只是我们最好的估计，因为没有人确切知道宇宙到底有多大。

我们能看到的最远距离是光自BIGBANG(或者更准确地说，是BIGBANG射出的微波辐射)以来传播的距离。大约138亿年前，宇宙在一次大爆炸中诞生，此后，宇宙一直在膨胀。但是因为我们不知道宇宙的真实年龄，我们很难确定宇宙在我们看不见的范围之外扩展了多远。

天文学家曾试图用哈勃常数来确定宇宙的膨胀程度。这是对宇宙当前膨胀率的一种度量。哈勃常数可以决定宇宙的大小，包括它的大小和年龄。

我们不妨把宇宙比作一个膨胀的气球。随着恒星和星系(像气球表面的斑点)越来越快地相互远离，它们之间的距离变得越来越大。从我们的眼睛来看，一个星系离我们越远，它消失得越快。

随着宇宙的膨胀，我们的星系正在迅速远离其他星系。

不幸的是，天文学家测量哈勃常数越多，我们基于对宇宙的理解所做的预测就越站不住脚。一种测量方法直接给我们一个确定的值，而另一种测量方法(取决于我们对宇宙其他参数的理解)给出的结果是不同的。要么这两种测量方法是错误的，要么我们对宇宙的认识是有缺陷的。

但是现在，科学家认为他们离答案不远了。当然，这一切都离不开旨在理解哈勃常数本质的新实验和观测结果。

作为一个宇宙学家，这个挑战其实是一个工程上的挑战：如何尽可能精确、准确地测量这个常数？为了解决这一挑战，不仅需要获得测量数据，还需要以尽可能多的方式交叉检查测量方法。从科学家的角度来看，这更像是拼图，而不是解开谜团。

天文学家埃德温哈勃于1929年首次测量了哈勃常数，该常数以埃德温哈勃命名。哈勃常数在第一次测量时被确定为500公里/秒/Mpc或310英里/秒/Mpc。Mpc表示百万秒秒，宇宙距离尺度，相当于326万光年左右。500km/s/Mpc意味着距离地球每增加百万秒，远离我们的星系速度每秒增加500公里。

在哈勃第一次估算宇宙膨胀速率后的一个多世纪里，这个值被一次又一次地向下修正。目前哈勃常数的值在67km/s/Mpc到74km/s/Mpc之间。部分原因是哈勃常数会随着测量方法的不同而不同。

大多数关于哈勃常数差异的解释认为，测量哈勃常数的值有两种方法。第一种方法是观察银河系附近的星系远离我们的速度，而另一种方法选择使用宇宙微波背景(即BIGBANG之后留下的第一束光)。

我们仍然可以观察宇宙微波背景。然而，随着宇宙遥远的区域离我们越来越远，这种光被拉伸成无线电波。20世纪60年代，天文学家首次偶然发现了这些无线电信号。这些无线电信号也给了我们一个了解宇宙最早出现的机会。

——这两股互相排斥的力量，重力向内的拉力和辐射向外的推力，在宇宙之初上演了一场宇宙拔河比赛，由此产生的扰动依然以微小温差的形式存在于宇宙微波背景中。

研究人员可以利用这些扰动来测量BIGBANG后不久宇宙的膨胀速度，然后将其应用到宇宙学的标准模型中来推断当前的膨胀速度。这个标准模型是对宇宙的起源和组成以及我们今天所看到的一切的最好解释。

在最古老的光——和微波背景——的波动中可以观察到早期宇宙的微小扰动。

但是这里有个问题。当天文学家试图使用第一种方法——来观察远离我们的银河系附近的星系的速度并测量哈勃常数时，他们得到了不同的值。

如果标准模型是正确的，那么你会认为两种方法得到的结果——应该与早期观测得到的结果一致。然而事实并非如此。

2014年，欧洲航天局的普朗克卫星首次测量了宇宙微波背景的差异；2018年，再次测量。根据普朗克卫星测量，哈勃常数为67.4千米/秒/Mpc。然而，这个值比像弗里德曼这样的天文学家通过观察附近星系测量的值低9%左右。

2020年，阿塔卡马宇宙望远镜对宇宙微波背景的进一步测量与普朗克卫星数据有关。这从两个方面帮助科学家排除了普朗克卫星出现系统性问题的可能性。那么，如果宇宙微波背景的测量是正确的，剩下的可能只能是以下两种情况之一：1)测量附近星系发出的光，这种方法是错误的；2)宇宙学标准模型需要修改。

天文学家使用一种特殊类型的恒星：造父变星。大约100年前，天文学家亨利埃塔莱维特发现

了这种亮度会变化的恒星，变化的周期为几天或几周。勒维特发现，越明亮的恒星，变亮、变暗然后再变亮所需的时间越长。现在，天文学家可以通过研究这类恒星的亮度脉冲，来准确地判断恒星的真正亮度。通过测量我们在地球上观察到的亮度，再加上光线虽距离增加而变暗，我们可以精确地测量我们与恒星的距离。

弗里德曼和她的团队是率先使用邻近星系中的造父变星来测量哈勃常数的人。他们使用的数据来自哈勃空间望远镜。2001年，他们测量到的哈勃常数值为72km/s/Mpc。

从那之后，通过研究附近星系得出的哈勃常数值一直在72km/s/Mpc上下浮动。另一个也使用造父变星测量哈勃常数的团队，在2019年使用哈勃空间望远镜的数据，得出的结果为74km/s/Mpc。几个月之后，另一组天体物理学家以另一种不同的测量技术（涉及类星体发出的光）得出的哈勃常数值为73km/s/Mpc。

如果这些测量是正确的，这说明宇宙膨胀的速度可能高于宇宙学标准模型下的理论所允许的膨胀速度。也就是说，现有的标准模型——以及我们基于该模型描述的宇宙本质，都需要更新。目前，答案尚不确定。但如果真的是这样，这将给我们了解的一切带来深远的影响。

弗里德曼说：“这或许可以告诉我们，我们所认为的标准模型缺失了某些东西。我们现在还不知道为什么会这样，但这是发现原因的一个机会。”

如果标准模型是错的，那么这可能意味着我们的一些模型——关于宇宙组成的模型，重子（或正常）物质、暗物质、暗能量与辐射的相对量的模型等等，并不十分正确。另外，如果宇宙膨胀的速度确实比我们想象的更快，那么宇宙的年龄可能也比目前公认的138亿年更年轻。

类似造父变星这样的脉动恒星可以用来测量宇宙中的距离，并解释宇宙膨胀的速度。

关于哈勃常数值差异的另一种解释是，我们所在的宇宙部分与其他部分相比，存在不同或特殊之处，正是这种区别扭曲了测量结果。也许不是一个完美的比喻，但是你可以这么想，在上坡或下坡的时候，哪怕你用同样的力度踩油门，汽车的速度或加速度变化是不一样的。这不太可能是我们测量到的哈勃常数值差异的一个最终原因，重要的是我们不能忽视已经为得到这些结果所做的工作。

但是天文学家认为，他们已经越来越接近确定哈勃常数值，以及哪一种测量方法是正确的。

弗里德曼说：“令人兴奋的是，我认为，我们真的能够在相当短的时间里解决这个问题，不管是一年还是两三年。有很多即将出现的新技术，可以提高我们测量的准确性。最终，问题可以得到解答。”

其中一个新技术在是欧洲航天局的盖亚空间望远镜。盖亚空间望远镜于2013年发射升空，一直在以高精确度测量约十亿颗恒星的位置。科学家正在使用一种被称为“视差”的技术，基于这些数据计算恒星之间的距离。当盖亚绕太阳运动时，该望远镜在太空中的有利观测地点也会发生变化。就好比你遮住一只眼睛去看物体，然后再遮住另一只眼睛去看物体，物体的位置看上去会不同。所以，在轨道周期内，盖亚可以在一年中的不同时间观测天体，进而让科学家得以准确计算出恒星远离我们太阳系的速度。

另外一个可以回答哈珀常数值的设备是詹姆斯韦伯空间望远镜。这架望远镜将在2021年末发射升空。詹姆斯韦伯空间望远镜可以通过研究红外波长，进行更好的测量。这样的测量不会受到我们与恒星之间的尘埃的影响。

詹姆斯韦伯空间望远镜上的18面黄金镜片将捕获宇宙中最古老星系发出的红外光。

但是，如果这些新技术依旧发现哈勃常数值存在差异，那么我们确实需要引入新的物理学了。尽管人们也已经提出很多理论来解释这种差异，但都无法完全解释我们看到的一切。每个潜在理论都有缺点。例如，有人提出，早期宇宙中可能存在另一种辐射，但我们已经精确测量了宇宙微波背景，所以这个可能性几乎为零。另一种观点是，暗能量可能会随时间而变化。

这似乎是一个非常有前景的假设，但是目前，暗能量如何随时间变化可能也面临其他限制。暗能量似乎只能以一种不自然的方式随时间变化，看起来也希望渺茫。还有一个解释是，早期宇宙中存在暗能量，之后这些暗能量又消失了。但是，我们没有明显的理由，可以解释为什么暗能量起初存在而后又消失。

因此，科学家们不得不继续探索新的可能性，解释眼下发生的一切。虽然现在我们还不知道合理的解释是什么，但这并不意味着以后不会有合适的想法出现。（匀琳）