宇宙膨脹速度存在爭議？需要新物理學來解決？

下次你吃藍莓(或巧克力片)鬆餅的時候，考慮一下在麵糊里的藍莓是怎麼做的。藍莓一開始都被壓扁了，但隨著鬆餅的膨脹，它們開始互相遠離。如果你能坐在一顆藍莓上，你會看到其他所有的藍莓都在遠離你，但同樣的道理也適用於你選擇的任何藍莓，從這個意義上說，星系很像藍莓。自從大爆炸以來，宇宙一直在膨脹。奇怪的是宇宙沒有一個地方在膨脹，而是所有的星系(平均而言)都在遠離其他星系。

哈勃在2014年拍攝的宇宙彩色照片。圖片：NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI

從我們銀河系的角度來看，似乎大多數星系都在遠離我們——就好像我們是鬆餅一樣的宇宙中心。但是它看起來和其他星系完全一樣——所有的星系都在遠離其他星系。更讓人困惑的是，新觀測結果表明，宇宙膨脹速度可能會因你回望時間的遠近而不同，發表在《天體物理學》上的新數據表明，是時候修正我們對宇宙的理解了。

宇宙學家將宇宙的膨脹述為一個簡單的定律，即哈勃定律(以埃德溫·哈勃的名字命名)，儘管事實上很多人都對哈勃的發現有過先入之見。哈勃定律是觀測到更遙遠的星系正在以更快的速度移動。這意味著，相對而言，距離較近的星系移動速度相對較慢。星系速度和距離之間的關係是由「哈勃常數」決定，「哈勃常數」大約是每秒44英里(70公里)每百萬秒(天文學上的單位長度)。這意味著，一個星系每隔百萬光年，每小時就能獲得5萬英里的速度，它離我們很遠。在你讀本句話的時間裡，一個距離100萬光年的星系移動了大約100英里。

從即將離開的亞特蘭蒂斯號太空梭上看到的哈勃太空望遠鏡，當時正在執行STS-125任務。圖片：Wikipedia

宇宙的這種膨脹，伴隨著附近星系比遙遠的星系移動得更慢，這是人們對一個均勻膨脹的宇宙期望，這個宇宙有暗能量(一種導致宇宙膨脹加速的無形力量)和暗物質(一種未知的、無形的物質，比正常物質要常見五倍)。這是一個人在膨脹的鬆餅中也會觀察到的藍莓。測量哈勃常數的歷史充滿了困難和意想不到的啟示。1929年哈勃認為它的數值應該是每百萬光年34.2萬英里每小時——大約是我們現在測量的10倍。多年來對哈勃常數的精確測量實際上導致了不經意間發現暗能量。對這種占宇宙70%能量的神秘能量的探索，激發了以哈勃命名的世界上(目前)最好太空望遠鏡的發射。

現在看來，由於兩種高度精確的測量結果不一致，這種困難可能會繼續下去。正如宇宙測量變得如此精確，以至於預期哈勃常數值將被一勞永逸地知道一樣，人們發現事情並沒有意義。現在有了兩個引人注目的結果，而不是一個。一方面有新而非常精確的測量宇宙微波背景餘輝（從普朗克任務），測量了哈勃常數約為每小時46200英里(67.4 km / s / Mpc)。另一方面，對本超星系群中跳動的恆星進行了新測量，同樣非常精確，測量到哈勃常數為50400英里每百萬光年(73.4公里/秒/Mpc)，這些更接近我們的時間。

這兩種測量結果都視為是正確的，而且非常精確。測量的不確定度僅為每百萬光年300英里每小時，所以看起來在運動上確實有很大的不同。宇宙學家將這種分歧稱為兩種測量方法之間的「張力」——他們都在統計學上把結果往不同的方向拉，而且一定會有東西突然斷裂。

那麼會發生什麼？目前尚無定論，可能目前宇宙模型是錯誤的。所看到的是附近膨脹的速度比根據更遙遠的測量所預期的要快。宇宙微波背景測量不是直接測量局部膨脹，而是通過一個模型——宇宙模型來推斷。這在預測和描述宇宙中許多觀測數據方面非常成功。雖然這個模型可能是錯誤的，但是沒有人能提出一個簡單的令人信服的模型來解釋這個，同時，解釋觀測到的所有東西。例如可以嘗試用一種新的引力理論來解釋這個問題，但是其他的觀測結果並不適用。或者我們可以嘗試用一種新的暗物質或暗能量理論來解釋它，但隨後進一步的觀測並不適用——等等。所以如果張力是由新物理學引起的，那麼它一定是複雜和未知的。

一個不那麼令人興奮的解釋可能是，系統效應導致數據中存在「未知的未知」，更仔細的分析可能有一天會揭示一個被忽視的微妙效應。或者它可能只是統計上的僥倖，當收集更多的數據時，它就會消失。目前尚不清楚新物理、系統效應或新數據的結合將如何解決這種緊張關係，但必須有所作為。不斷膨脹的鬆餅圖可能不再適用了，宇宙學家們正在為贏得一場「偉大的宇宙烘焙大賽」來解釋這一結果而努力。如果需要新的物理學來解釋這些新的測量，那麼結果將是我們對宇宙圖景一種令人驚嘆的變化。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻 :《天體物理學》｜研究/來自：The Conversation

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