宇宙的黎明，第七章 哈勃常数危机——宇宙学的裂痕

北方的郎

专注模型与代码，公众号：AI方法与实践

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7.1 两个数字的战争

7.2 攀登宇宙的梯子

7.3 成长的预测与现实

7.4 五个西格玛的恐惧

7.5 是谁动了我们的宇宙？

如果说原初引力波是我们在寻找大爆炸的“回声”，那么哈勃常数（Hubble Constant,H0）就是宇宙的心率。它告诉我们宇宙膨胀得有多快，进而决定了宇宙的年龄和命运。

在过去的几十年里，天文学家们以为他们已经把这个数字搞定了。正如我们在第一部所讲，随着观测技术的进步，测量误差越来越小，一切似乎都在向一个精确的常数收敛。

但在2020年代，这种美好的幻觉破灭了。宇宙学界陷入了一场前所未有的“内战”。我们用两种最顶尖的方法测量宇宙的膨胀速度，结果却得到了两个截然不同、互不兼容的答案。这不仅仅是计算误差，这甚至被称为哈勃张力（Hubble Tension）——一个足以撕裂标准模型的裂痕。

7.1 两个数字的战争

这场战争的双方都拥有世界上最顶尖的设备和最聪明的头脑。

获得哈勃常数的方法，摘自维基百科

• 蓝队（早期宇宙派）：以普朗克卫星（Planck satellite）为代表。他们观测宇宙诞生后38万年的微波背景辐射（CMB），然后利用标准的ΛCDM模型，从过去向未来推演，计算出今天的膨胀速度。
• 红队（晚期宇宙派）：以诺贝尔奖得主亚当·里斯（Adam Riess）领导的团队为代表。他们利用哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）和现在的詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope, JWST），观测邻近的星系，直接测量现在的膨胀速度。

按理说，如果我们的物理学是对的，这两个数字应该是一样的。但结果令人震惊：

• 蓝队的结果：67.4±0.5 km/s/Mpc。
• 红队的结果：73.0±1.0 km/s/Mpc。

这就是危机所在。一边是67，一边是73。这看似差别不大，但在精密宇宙学中，这是一条无法逾越的鸿沟。见图7.1，这两个测量值的误差范围完全没有重叠，就像两个人虽然站在同一个房间里，却坚称房间的宽度相差了整整一米。

2021年左右测量H0的结果，其中粉色带是早期派的值域，青色是晚期派的值域 摘自维基百科

7.2 攀登宇宙的梯子

为了理解为什么“红队”如此确信宇宙膨胀得更快，我们需要了解他们是如何测量距离的。这涉及到一个经典的概念——宇宙距离阶梯（Cosmic Distance Ladder）。

测量宇宙就像测量一座高山，你无法一步登顶，必须搭建梯子，一阶一阶往上爬。

1. 第一阶（几何视差）：利用地球绕太阳公转的位置变化，直接用三角几何测量银河系内最近恒星的距离。
2. 第二阶（造父变星）：正如我们在第一章提到的，这种恒星是“标准烛光”。我们在近处的星系中找到它们，利用第一阶的数据校准它们，算出它们的距离。
3. 第三阶（Ia型超新星）：在更遥远的宇宙中，造父变星看不清了，我们改用更亮的爆炸恒星——Ia型超新星。利用第二阶的数据校准超新星。

亚当·里斯的团队（SH0ES项目）花费了十几年时间，把这把梯子打磨得无比精确。特别是到了2024年与2025年，JWST的加入排除了观测中可能存在的“拥挤效应”（即把多颗恒星的光误当成一颗），进一步确认了73这个数字是可靠的。整个历程如图7.2所示：

如图所示，这就好比我们在宇宙中铺设了一把长长的卷尺，一端在地球，另一端延伸到数亿光年之外。

7.3 成长的预测与现实

既然红队的测量没问题，那问题出在蓝队吗？

蓝队的方法完全不同。他们不测量现在的距离，而是测量宇宙还是个“婴儿”时（38万岁）的声音波纹（CMB）。然后，他们利用我们引以为傲的标准模型（ΛCDM）作为成长公式，计算这个婴儿长大后应该是什么样子。

这就像医生给一个新生儿做检查，根据他的基因和营养摄入公式，预测他20岁时身高应该是1.70米（对应膨胀速度67）。然而，当我们真的拿出尺子去量这个20岁的宇宙时，却发现他有1.85米（对应膨胀速度73）！

如图7.3所示，这种差异暗示着，要么是我们测错了，要么是那个“成长公式”——也就是我们的物理定律——出了问题。

7.4 五个西格玛的恐惧

在科学上，我们用“西格玛（σ）”来描述统计显著性。

• 3σ 意味着大约千分之三的可能性是巧合。
• 5σ 意味着大约三百五十万分之一的可能性是巧合。

在粒子物理学中，5σ是宣布发现新粒子的黄金标准（当年希格斯玻色子的发现就是如此）。而现在，哈勃张力的差异已经超过了5σ。这意味着，如果不想承认物理学错了，我们就得承认我们中了三百五十万分之一的“倒霉彩票”。

这已经不是可以用“仪器故障”或“人为失误”来解释的了。正如著名的宇宙学家大卫·格罗斯（David Gross）所言：“我们不是在寻找麻烦，是麻烦找上了我们。”

7.5 是谁动了我们的宇宙？

如果两边的测量都没有错，那么唯一的结论就是：我们对宇宙演化的理解漏掉了什么。

这就好比那个婴儿在成长的过程中，偷吃了一种我们不知道的“生长激素”。科学家们提出了各种疯狂的假设来解释这种差异：

1. 早期暗能量（Early Dark Energy）：也许在大爆炸后不久，存在一种短暂的暗能量形式，推了一把宇宙，然后消失了。
2. 修改引力理论：也许广义相对论在宇宙尺度上需要修正。
3. 暗物质的相互作用：也许暗物质并不像我们想的那么“冷”，它们之间有复杂的相互作用。

无论答案是什么，哈勃张力都预示着标准模型（ΛCDM）可能即将迎来一次重大的版本更新。

但这还不是最糟糕的。就在科学家们为哈勃常数争得面红耳赤时，2022年升空的詹姆斯·韦伯望远镜（JWST）又从深空传回了另一组令人不安的照片。如果说哈勃张力是关于宇宙现在的膨胀速度，那么JWST的新发现则直接动摇了星系形成的根基。