哈勃张力：宇宙学处于危机中吗？

我们知道这个宇宙正在扩张，但科学家在速率上不一致。这是一个合法的问题。

HARD SCIENCE — NOVEMBER 2, 2022

Don Lincoln

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关键要点

天体物理学家已经知道关于宇宙的膨胀约100年了。

然而，科学家们关于膨胀的速率不一致，一个被称为“哈勃张力”的问题。

这个问题源自用来测量哈勃常数的两种方法之间的一个不一致。

这个宇宙正在扩张。这是一个既成的事实和一个科学家们已经知道几乎一个世纪的。它最早由俄罗斯物理学家亚历山大·弗里德曼在1922年提出，1927年又由比利时天文学家乔治·莱梅特尔独立提出。1929年由美国天文学家埃德温·哈勃首次发表了肯定观测的证据。

虽然宇宙的扩张几乎在科学界中普遍的被接受，但在估计宇宙正在扩张的速率上两个非常精确的估计彼此不一致。这被称为“哈勃张力”，这可能是宇宙学家在他们的宇宙的创造和演变理论中已经忽略了一些东西的第一个重要暗示。虽然对这个不一致的解释可能被归因到一个或两个估计的错误，但最近的测量暗示这种差异是真的，留下科学家们来采取一个艰难观察这整个情况。

宇宙扩张：一个橡皮筋类比

宇宙的扩张率能是一个令人困惑的也许被类比最佳引入的概念。假设你有一个两个单位长的中间有一个标记的橡皮筋，你把橡皮筋的一端系到一个不可移动的钩并拿起另一端来确保它是直的。这样，你正在持的端是离钩两个单位远，而标记是一个单位远。

然后，想象你抓住松的一端并拉伸它以便长度加倍，花一秒钟的时间来做它。这个端现在离钩子四个单位远，而在中心的标记是两个单位远。这样，标记在一秒钟内移动了一个单位，而松散端在一秒钟内移动了两个单位。关键点是离钩更远的点比更靠近钩的点更快的移动。在宇宙学的语言中，在橡皮筋上的一个点的速度对距离钩的每单位距离是每秒一个单位。

宇宙的扩张是完全是相同的：在宇宙中更遥远的天体比更近的天体正在更快移动远离地球。在整数上，从地球移动离开的遥远星系对每个百万秒差距以一个每秒70公里的速率。（一个秒差距是一个天文距离的历史单位等于3.26光年。）

这样，一个以兆秒差距从地球移动离开的星系以一个70 km/s的速度，一个以两兆秒差距离开的星系以140 km/s的速度移动。这个速率被称为哈勃常数，其基本想法是非常既定的。

哈勃张力

然而，有几种方法来确定哈勃常数。第一种和最直接的方法是来测量到星系的距离并同时的测量它们的速度。然后你能确定星系的速度为一个距离的函数。当你这样做时，你发现哈勃常数有一个大约为每兆秒差距73 ± 1 km/s的值。不同的小组获得略有不同的值，但它们都相当一致的。哈勃常数的这个值被称为“晚时间”版本，因为它被从宇宙生命周期中相对的晚的时期确定。

有另一种通过检查宇宙开始后不久宇宙的条件来确定哈勃常数的方法。宇宙开始于138亿年前的一场叫大爆炸的宇宙灾难中。虽然这有点误导的，但人们能把大爆炸想象成一场广大的爆炸，其中包括了一个发光的火球和一个隆隆的声音。在非常早期的宇宙中，火球是不能穿透的，但当宇宙只是它当前年龄的0.003%时扩张冷却了宇宙足够冷以致光可以逃脱火球并跨宇宙旅行。

虽然宇宙在那个早期是发光热的，但在纪元上的空间的扩张已经冷却它，直到这个光是不再可见的。真的，那个从前可见的光现在是仅微波，这能被无线电天线拾起。这个大爆炸的原始耳语残骸被称为宇宙微波背景（CMB），1964年被首次探测到。

宇宙大爆炸的声波被锁进早期的火球中，造成宇宙微波背景中的微小变化。天文学家能非常精确的测量这些变化。用这些模式，他们能采取所有已知的因素来让任何相关到宇宙大爆炸和随后的宇宙的演化并预测我们今天的哈勃常数的一个值。这种方法临界的铰在宇宙微波背景中这些变化的测量以及各种的理论想法上。用这个“早期时间”信息，天体物理学家预测哈勃常数应该是约每兆秒差距67.5 ± 0.5 km/s。

就像他们说的一样有一个摩擦。早时间和晚时间的测量只是不一致，这特别的被指为哈勃张力。不一致往往在天文界产生兴奋，因为一个这种规模的差异可能意味着理论需要被重新思考。换句话说，在那里有更多的科学要来发现。

什么解释哈勃张力呢？

然而，在任何人过于兴奋之前，研究人员验证他们的结果是重要的。一个测量中的错误可以解释一切。最可能的错误是研究人员已经确定了哈勃常数的“晚时间”值可能已经错误的测量了到他们已经研究的星系的距离。然而，两项新的研究（one和 two）声称已经降低了“晚时间”测量的可能的不确定性到如此一个程度以至于许多研究人员正在开始思考我们的宇宙的诞生和进化的理解怎样被修改。

如此，它会是什么呢？早时间的测量预测现代日子的哈勃常数应该比现在测量的更小。如果严肃的对待，这意味着一些未知的物理现象在宇宙早期起给了宇宙一个“踢”，造成当前更快的测量。一种已经被提出的想法是在宇宙生命周期的前10%，一种形式的排斥的引力短暂的开启，在不知怎的“关闭”和消失之前给这个宇宙的扩张一个短暂的促动。

虽然这个猜想肯定是一个大胆的猜想，但它类似于一种我们在当前日子中看到的现象，其中一种叫“暗能量”的能量形式正在造成宇宙的膨胀加速起来。因为我们观察暗能量的强证据，暗示一个在宇宙历史的早期中类似的效应并不是没有理由的。

不管最终的解释是什么，哈勃张力正在形成起是一个精细的秘密。持续的努力继续试图改进哈勃常数的早时间和晚时间的时间估计，而在问题被解决之前这将是某些时间。

https://bigthink.com/hard-science/hubble-tension-cosmology-crisis/