宇宙最大的矛盾是否暗示著「新物理」的出現？
假如你是來自另一個宇宙的科學家，你以某種我們未知的方法（可能通過黑洞或蟲洞）來到這個宇宙中一顆叫「地球」的藍色星球上。你的目的很簡單，就是調查這個宇宙的膨脹速度究竟有多快。因為你所在的宇宙由於引力的作用，正面臨著坍縮所帶來的終結。因此你必須找到一個可以長時間穩定存在的宇宙進行移民。為了儘快的找出答案，你選擇參加2018年1月9日在美國天文學會舉辦的會議。但顯然，你並沒有在會議中得到一個明確的答案，而是目睹了一場因不同測量結果而引起的爭議。
實際上，這場爭議始於1929年，當時美國天文學家哈勃（Edward Hubble）第一次發現了宇宙並非靜態，而是在不斷地膨脹。這意味著宇宙的過去有一個開端。不僅如此，20年前天文學家還發現了宇宙的膨脹正在加速！導致宇宙加速膨脹的幕後推手被稱為「暗能量」，但沒有人知道它是什麼。了解宇宙膨脹得多快非常重要，因為它能幫助我們更好地理解宇宙如何運作、宇宙的最終命運、以及宇宙的構成。
測量哈勃常數的三種方式：微波背景輻射、雙中子星合併、宇宙距離階梯。雙中子星合併所測量的值恰好在其它兩種方法之間，但由於這只是一次性事件，因此誤差遠大於另外兩種。| 圖片來源：DOI:10.1038/nature24471
在一個膨脹的宇宙中，天體距離我們越遙遠，代表它們的退行速度就越快。想要知道退行速度有多快，就需要測量所謂的哈勃常數。哈勃自己估算的值為500km/s/Mpc，這代表著一個天體距離我們每增加326萬光年，其退行速度每秒會增加500公里。當然，他遠遠高估了這個值，否則他的結果就意味著宇宙比地球還年輕！之後，天文學家利用不同的方法將這個值確定在50或100km/s/Mpc之間，考慮到誤差，哈勃常數很可能處於中間值。測量哈勃常數的方法有幾種，下面我簡單的介紹其中的兩種。
宇宙距離階梯：
想要測量哈勃常數，就必須更精確地測量天體的距離，而這是非常困難的一項工作。為了估算天體的距離，天文學家建立了「宇宙距離階梯」，用已有的級來校準更遠的。這是測量哈勃常數最標準（也最古老）的一個方法。
2011年8月，研究人員在星系M101中發現了一個被稱為SN 2011fe的Ia型超新星。該圖顯示了超新星爆發之前（左）和之後（右）的對比。可以充當標準燭光的Ia型超新星位於右圖的圓圈中。| 圖片來源：NASA, SWIFT, PETER BROWN, UNIV. OF UTAH
首先，天文學家需要通過視差法直接測量出銀河系中的恆星（一種長周期的造父變星）的距離。從這一信息可以推斷出造父變星的亮度，由於它們具有固有亮度，因此該亮度可以被當做「標準燭光」。接著，我們需要測量鄰近星系中擁有同類型的造父變星的其它性質，從而得出這些星系的距離。最後，通過造父變星來校準比標準燭光更明亮、在更遙遠的星系之中也能被觀測到的Ia型超新星。通過這三個步驟，由諾貝爾得主Adam Riess領導的天文小組在1月3日發表了他們的最新測量結果：哈勃常數=73.45 ± 1.66 km/s/Mpc。
微波背景輻射：
另一個方法則需要回到宇宙大爆炸後的38萬年，那時還沒有恆星和星系的出現，我們所要探索的是來自古老宇宙的微光，即微波背景輻射（CMB）。CMB描繪了一幅簡單、幾近光滑、且充滿等離子體的早期宇宙的圖景。所有不同波長的壓力波在等離子體中波動，並對其產生擠壓和拉伸，導致在不同長度尺度上發生了微妙的密度變化。在由CMB記錄下來的那一刻，特定波長的壓力波恰好波動到了幅度為零的平衡位置，短暫地消失了，在它們對應的尺度上製造出了平滑的等離子體密度分布。與此同時，其他波長的壓力波在這一關鍵時刻恰好達到峰值，在最大程度上拉伸和擠壓等離子體，在它們對應的特徵尺度上製造出最大的密度起伏。
宇宙微波背景輻射的功率譜。| 圖片來源：ESA/Planck
天文學家利用普朗克衛星觀測了這些在不同的尺度上產生密度變化的峰值，並繪製了「CMB功率譜」。這張功率譜上編碼了關於早期宇宙的幾乎全部的信息。尤其是哈勃常數，它可通過峰值之間的距離進行重建。普朗克團隊最終得到的結果為66.9 ± 0.6 km/s/Mpc。
兩種方法的得到的結果並不一致！這是宇宙學中目前所面臨的最大矛盾。Adam Riess在1月9日的會議上表示：「我認為這是非常令人意外，但又相當有趣。」
之所以意外是因為天體物理學家和宇宙學家認為他們已經對宇宙有足夠的了解：它是由68.3%的暗能量、26.8%的暗物質和僅僅為4.9%的「普通」物質（包括恆星、星系、氣體、塵埃、等離子體、黑洞等等）所構成。今天我們依然不清楚除了普通物質外，剩下的95%究竟是什麼。科學家提出了許多相關的理論來解釋宇宙為何在加速膨脹，比如有些人認為愛因斯坦的廣義相對論在更大的尺度下並不適用，因此他的引力理論需要得到修正。但是，有越來越多的證據都指向了另一種可能性：驅動宇宙膨脹的幕後推手或許是代表了「宇宙學常數」（之所以是常數是因為空間中的任何部分應該都擁有了等量的真空能量）的希臘字母Λ。
宇宙中包含的物質和能量：現在（左）和早期宇宙（右）。| 圖片來源：NASA
這幅宇宙圖景告訴我們，無論用什麼方法測量，都應該得到相同的膨脹率。至少，如果暗能量真的是宇宙學常數，以及如果遍布宇宙的無碰撞的冷暗物質只通過引力相互作用，那情況肯定就是這樣的。如果所有人都得到了一致的膨脹率，那就沒有人能夠撼動被稱為ΛCDM的宇宙學標準模型。
這個結果上的差異在幾年前被發現時，許多人認為這可能存在著某些未被發現的誤差，或者隨著測量越來越精確時它就會消失。但顯然，這種情況並沒有發生。Riess在會議上說：「持續的差異也開始使情況變得棘手，因為兩種測量方法都已經相當成熟了。」
有許多「新物理」試圖解釋這一現象。或許驅動宇宙加速膨脹的真空能量並不是宇宙學常數，而是其它強度會隨著時間而改變的場充滿了空間。但正如Riess所指出的，越來越多有利的證據都偏向於真空能量就是宇宙學常數。這令人困惑。
另一種更吸引理論學家的解釋是，存在著一種新的粒子，也許是一種全新的中微子或其它相對論性（高速運動）粒子暢遊在早期的宇宙中，這會改變我們在CMB中所看到的密度和溫度的起伏模式。
也有些人認為，現有的宇宙學標準模型中所基於的一些假設也需要得到修正。例如，暗物質被認為與其它形式的物質和能量形如陌生人。但如果它在宇宙早期也與輻射相互作用，它就可以產生類似於相對論性粒子的效應。
哈勃最初對哈勃常數的高估是因為那時對宇宙還缺乏了解，當時不同恆星（老的和年輕的）之間有著在先前不為人知的區別。這導致了哈勃對一些用來估算膨脹率的恆星的距離有著錯誤的判斷。同樣的，在1990年代之前，科學家也無法對膨脹率有精確的估算是因為當時並沒有將暗能量的效應考慮進去。
因此，如今得到的結果差異或許是某種未知的新物理即將出現的徵兆，無論那是一種新粒子、還是物質和輻射間的新作用、或是更令人意外的某些現象，都定會令剛到訪這個宇宙的你感到無比震撼。
參考資料：
https://arxiv.org/pdf/1801.01120.pdf
https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/01/10/new-dark-matter-physics-could-solve-the-expanding-universe-controversy/#2f6e4dfd7a8c
https://www.sciencenews.org/blog/context/speed-universe-expansion-remains-elusive?tgt=nr
https://www.quantamagazine.org/colliding-neutron-stars-could-settle-cosmologys-biggest-controversy-20171025/
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