宇宙膨胀率吵炸锅！或掀翻物理学，是危机吗？

在圣巴巴拉一处离海岸仅几步之遥的会议室里，一众天文学家与物理学家正坐立难安。窗外阳光和煦、海风轻拂，可他们却闭门不出，只为探讨物理学界的一大难题：宇宙的膨胀速度究竟是多少。

依托超新星（恒星爆炸）观测测算出的结果显示，如今宇宙的膨胀速度，比依据138亿年前宇宙大爆炸初期光线推算出的数值快约10%。而一项基于类星体（高亮度天体）观测得出的全新测量数据，将二者的偏差推过了统计学上的“五倍标准差”临界值，这意味着这一矛盾绝非偶然，必须得到严肃对待。

2019年7月15日，会场前排，两位诺贝尔物理学奖得主就此展开辩论，探讨事态的严重程度。来自巴尔的摩空间望远镜科学研究所的宇宙学家亚当・里斯向理论粒子物理学家戴维・格罗斯发问：粒子物理领域会如何定义如此巨大的数值偏差？

“如果我们观测到类似的现象…… 我们不会称其为数据矛盾或研究难题，而是直接定义为一场危机。” 加州大学圣巴巴拉分校卡夫利理论物理研究所的格罗斯答道。

参会学者随即纷纷用“危机”一词形容两组膨胀速率测算值的分歧，但并非所有人都认同这一判断。

就在当天晚间，一篇研究论文在线发布，直接推翻了“宇宙危机”的论调，堪称物理学家圈内掷地有声的反转。这套改良后的超新星测算方法得出的哈勃常数（用于量化宇宙膨胀速率的核心参数），与宇宙早期观测数据的推演结果完全吻合。

那么，这场宇宙学危机，究竟是否真实存在？ 这件事关乎重大，直接动摇人类对宇宙物质构成、宇宙演化规律的基础认知。迄今为止，标准宇宙学模型能够完美解释绝大多数宇宙观测现象，可宇宙膨胀速率的测量偏差，或许意味着这套核心理论需要大刀阔斧地修改。

法国国家科学研究中心、蒙彼利埃宇宙与粒子实验室的理论物理学家薇薇安・普兰表示，如果这种数值鸿沟无法用实验误差解释，“那就说明，在宇宙诞生之初，存在某种我们完全未能理解的关键物理机制。” 倘若宇宙幼年阶段出现过未知物理现象——比如特殊形态的暗能量，或是全新的亚原子粒子——就有可能改写人类对宇宙演化的认知，甚至让两组相互冲突的观测数据达成统一。

愈演愈烈的宇宙速率难题

测算宇宙当下膨胀速度，有一套方法是拍摄宇宙早期阶段，再推演至当下。这张宇宙初生影像就是宇宙微波背景辐射，源自大爆炸后仅38万年释放的原始光线。科学家依托标准宇宙学模型，将这份远古光信号换算为现代宇宙的膨胀速率。

采用这套方案，普朗克卫星实验团队测算得出：宇宙膨胀速率为每百万秒差距67.4千米/秒（百万秒差距约合300万光年），该结果误差极小，仅±0.5 km/s/Mpc，几乎没有浮动空间。

但超新星观测给出的膨胀速率为74.0 km/s/Mpc，误差±1.4 km/s/Mpc，两组数据之间形成一道难以解释的鸿沟。

杜克大学宇宙学家丹尼尔・斯科尼克参与里斯主导的SH0ES超新星项目，他表示：“如今整个学界都开始极度重视这个问题。” 本次会议上，加州大学戴维斯分校宇宙学家劳埃德・诺克斯提出，普朗克卫星的测量误差基本不可能造成如此巨大的偏差，“这条路无法解决当下的危机”。除此之外，另一套基于宇宙早期信号的观测手段——重子声学振荡（原始声波痕迹），结合其他观测数据后，得出的结果同样与普朗克卫星数值一致。

于是学界的疑虑集中到另一种可能性：超新星观测存在未被发现的系统性误差，这类固有偏差人为拉高了SH0ES项目测算出的膨胀速率。芝加哥大学宇宙学家温迪・弗里德曼坦言：“我夜夜辗转难眠，只担心我们只用单一观测手段时，还有哪些未知的系统偏差没有被发现。” 弗里德曼决定亲自验证这套结论。

测距困境

想要测出宇宙当下的膨胀速度，科学家需要两类核心数据：遥远天体远离我们的退行速度，以及天体与地球的真实距离。前者相对容易获取：科学家观测天体光线的红移，也就是光波被拉伸的现象，即可判断退行快慢。

测量天体距离则要棘手得多。天文学家使用“标准烛光”——一类亮度恒定、可量化的天体，Ⅰa型超新星爆炸便是典型代表。就像现实中的蜡烛，只要知晓其固有亮度，就能根据光线衰减程度推算距离。

搭建距离标尺需要一套“距离阶梯”：以近地亮度稳定天体为参照，作为桥梁推算遥远超新星的距离。SH0ES团队选用造父变星作为阶梯中的一环，这类恒星亮度会周期性变化，科学家可据此算出其绝对亮度。

为了核验过往超新星测算结果，弗里德曼团队彻底舍弃了这套方案。他们不再使用造父变星，转而采用红巨星：恒星演化到特定阶段会达到统一的亮度峰值。弗里德曼称，这套方案从底层逻辑上和以往完全割裂。

会议第二天，弗里德曼在报告中公布团队成果，相关论文也已被《天体物理学杂志》接收，这一重磅反转震撼了一众向来沉稳的科研人员。她测算出的哈勃常数为69.8 km/s/Mpc，恰好落在SH0ES高值与普朗克卫星低值中间。弗里德曼语气冷静而坚定，反驳“宇宙危机”的说法，认为该结果应当让学界暂缓下定论。

H0LiCOW项目：新证据支撑数值矛盾

尽管弗里德曼的成果削弱了“危机论”的说服力，但证明两组数据存在分歧的证据仍在不断增加。本次会议召开前数日，H0LiCOW合作团队发布了两篇论文，依托类星体引力透镜效应测算哈勃常数。类星体是星系中心超大质量黑洞驱动的高能亮源。

大质量天体如同透镜一般弯折光线。研究团队观测到被引力透镜拆分出多重影像的类星体，同一个天体在观测画面中会呈现两重甚至多重像，原理类似鱼缸角落的鱼会出现重影。

通过追踪多重类星体影像的明暗闪烁周期，团队算出哈勃常数为73.3 km/s/Mpc，进一步佐证宇宙膨胀速率存在矛盾。加州大学戴维斯分校宇宙学家陈志凡表示：“我们的结果一出，这种数值分歧看起来更加真实了。”

关键在于，该团队全程采用盲分析模式：数据分析完成前，研究者全程屏蔽最终数值，避免主观上刻意贴合过往已公布的哈勃常数。陈志凡称，即便采用盲分析规避主观偏差，得出的数值依旧和SH0ES项目高度接近。

与此同时，哈佛-史密松天体物理中心天文学家马克・里德公布了基于巨脉泽的测算结果：围绕黑洞旋转的气体云会释放特定波长的定向辐射，类似激光。该方案算出的哈勃常数同样偏高，约74 km/s/Mpc。

会议现场还公布了另外两组观测数据：依靠星系像素亮度起伏测算得出76.5 km/s/Mpc；改良版超新星方案改用米拉变星替代造父变星、红巨星，得出73.6 km/s/Mpc。

德国波鸿鲁尔大学的亨德里克・希尔德布兰特表示，另一项宇宙学谜题也逐渐获得学界关注：表征宇宙物质聚集程度的参数σ₈，不同观测手段得出的数值同样存在冲突。科学家通过全天巡天观测弱引力透镜（星系图像出现轻微同向扭曲），以此反推宇宙物质分布。

和哈勃常数的矛盾如出一辙，千度巡天项目测出的σ₈数值，与宇宙微波背景辐射推演结果无法匹配。

“σ₈数值矛盾是我们面临的第二个问题。” 希尔德布兰特说道。但他补充，这项偏差的显著性更低，相关研究也不够成熟、发表时间更短，“可这个分歧同样迟迟无法消除。”

部分学者开始思考，两处数值矛盾是否存在内在关联。如果人类对宇宙的两大基础测算都出现偏差，那就足以证明现有基础理论存在根本性缺陷。

宇宙在向人类传递信号？

倘若各类数值分歧无法归因于测量误差，人类就需要一套能兼容所有观测数据的全新理论，可科学家至今没能找到一套逻辑自洽的完整解释。几乎任何微调宇宙演化模型的方案（例如新增某种亚原子粒子），都会和其他观测结果冲突，彻底颠覆现有物理体系。

宾夕法尼亚大学的狄龙・布鲁特表示：“如今我们拥有海量观测手段探测宇宙，很难构建一套简洁优美的理论，既能通过全部观测检验，又不催生新的数据矛盾。”

其中一条可行思路，是给驱动宇宙加速膨胀的神秘暗能量补充新机制。普兰团队在会议及6月7日《物理评论快报》中提出“早期暗能量”假说：宇宙幼年阶段存在特殊暗能量，在宇宙微波背景辐射形成时期改变了膨胀速率。

得克萨斯农工大学的卢卡斯・马克里表示，哈勃常数数值分歧并非首次出现，该参数的测算历史上多次出现相互矛盾的结果。以往的案例中，“宇宙仿佛在提醒人类，我们的认知并不完整。” 例如早年曾观测到部分恒星年龄比宇宙本身更古老，而这一悖论最终随着暗能量的发现得以解决。

经过连日研讨，所有观测证据汇总完毕。会议组织者发起现场举手投票：哈勃常数的数值分歧，应当定义为“数据矛盾”、“研究难题”还是“宇宙危机”？现场宇宙学家们对推翻现有成熟宇宙理论仍持谨慎态度，仅有寥寥数人举手选择“危机”。多数人认为，无需重构基础物理理论，就有可能找到合理的解释。

但如果哈勃常数的谜题长期无法破解，或许意味着宇宙又一次在向人类抛出全新的待解之谜。

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