宇宙最大的矛盾是否暗示着“新物理”的出现？

假如你是来自另一个宇宙的科学家，你以某种我们未知的方法（可能通过黑洞或虫洞）来到这个宇宙中一颗叫“地球”的蓝色星球上。你的目的很简单，就是调查这个宇宙的膨胀速度究竟有多快。因为你所在的宇宙由于引力的作用，正面临着坍缩所带来的终结。因此你必须找到一个可以长时间稳定存在的宇宙进行移民。为了尽快的找出答案，你选择参加2018年1月9日在美国天文学会举办的会议。但显然，你并没有在会议中得到一个明确的答案，而是目睹了一场因不同测量结果而引起的争议。

实际上，这场争议始于1929年，当时美国天文学家哈勃（Edward Hubble）第一次发现了宇宙并非静态，而是在不断地膨胀。这意味着宇宙的过去有一个开端。不仅如此，20年前天文学家还发现了宇宙的膨胀正在加速！导致宇宙加速膨胀的幕后推手被称为“暗能量”，但没有人知道它是什么。了解宇宙膨胀得多快非常重要，因为它能帮助我们更好地理解宇宙如何运作、宇宙的最终命运、以及宇宙的构成。

○ 测量哈勃常数的三种方式：微波背景辐射、双中子星合并、宇宙距离阶梯。双中子星合并所测量的值恰好在其它两种方法之间，但由于这只是一次性事件，因此误差远大于另外两种。| 图片来源：DOI:10.1038/nature24471

在一个膨胀的宇宙中，天体距离我们越遥远，代表它们的退行速度就越快。想要知道退行速度有多快，就需要测量所谓的哈勃常数。哈勃自己估算的值为500km/s/Mpc，这代表着距离我们326万光年远的天体，退行速度每秒会增加500公里。当然，他远远高估了这个值，否则他的结果就意味着宇宙比地球还年轻！之后，天文学家利用不同的方法将这个值确定在50或100km/s/Mpc之间，考虑到误差，哈勃常数很可能处于中间值。测量哈勃常数的方法有几种，下面我简单的介绍其中的两种。

宇宙距离阶梯：

想要测量哈勃常数，就必须更精确地测量天体的距离，而这是非常困难的一项工作。为了估算天体的距离，天文学家建立了“宇宙距离阶梯”，用已有的级来校准更远的。这是测量哈勃常数最标准（也最古老）的一个方法。

○ 2011年8月，研究人员在星系M101中发现了一个被称为SN 2011fe的Ia型超新星。该图显示了超新星爆发之前（左）和之后（右）的对比。可以充当标准烛光的Ia型超新星位于右图的圆圈中。| 图片来源：NASA, SWIFT, PETER BROWN, UNIV. OF UTAH

首先，天文学家需要通过视差法直接测量出银河系中的恒星（一种长周期的造父变星）的距离。从这一信息可以推断出造父变星的亮度，由于它们具有固有亮度，因此该亮度可以被当做“标准烛光”。接着，我们需要测量邻近星系中拥有同类型的造父变星的其它性质，从而得出这些星系的距离。最后，通过造父变星来校准比标准烛光更明亮、在更遥远的星系之中也能被观测到的Ia型超新星。通过这三个步骤，由诺贝尔得主Adam Riess领导的天文小组在1月3日发表了他们的最新测量结果：哈勃常数= 73.45 ± 1.66 km/s/Mpc。

微波背景辐射：

另一个方法则需要回到宇宙大爆炸后的38万年，那时还没有恒星和星系的出现，我们所要探索的是来自古老宇宙的微光，即微波背景辐射（CMB）。CMB描绘了一幅简单、几近光滑、且充满等离子体的早期宇宙的图景。所有不同波长的压力波在等离子体中波动，并对其产生挤压和拉伸，导致在不同长度尺度上发生了微妙的密度变化。在由CMB记录下来的那一刻，特定波长的压力波恰好波动到了幅度为零的平衡位置，短暂地消失了，在它们对应的尺度上制造出了平滑的等离子体密度分布。与此同时，其他波长的压力波在这一关键时刻恰好达到峰值，在最大程度上拉伸和挤压等离子体，在它们对应的特征尺度上制造出最大的密度起伏。

○ 宇宙微波背景辐射的功率谱。| 图片来源：ESA/Planck

天文学家利用普朗克卫星观测了这些在不同的尺度上产生密度变化的峰值，并绘制了“CMB功率谱”。这张功率谱上编码了关于早期宇宙的几乎全部的信息。尤其是哈勃常数，它可通过峰值之间的距离进行重建。普朗克团队最终得到的结果为66.9 ± 0.6 km/s/Mpc。

两种方法的得到的结果并不一致！这是宇宙学中目前所面临的最大矛盾。Adam Riess在1月9日的会议上表示：“我认为这是非常令人意外，但又相当有趣。” 

之所以意外是因为天体物理学家和宇宙学家认为他们已经对宇宙有足够的了解：它是由68.3%的暗能量、26.8%的暗物质和仅仅为4.9%的“普通”物质（包括恒星、星系、气体、尘埃、等离子体、黑洞等等）所构成。今天我们依然不清楚除了普通物质外，剩下的95%究竟是什么。科学家提出了许多相关的理论来解释宇宙为何在加速膨胀，比如有些人认为爱因斯坦的广义相对论在更大的尺度下并不适用，因此他的引力理论需要得到修正。但是，有越来越多的证据都指向了另一种可能性：驱动宇宙膨胀的幕后推手或许是代表了“宇宙学常数”（之所以是常数是因为空间中的任何部分应该都拥有了等量的真空能量）的希腊字母Λ。

○ 宇宙中包含的物质和能量：现在（左）和早期宇宙（右）。| 图片来源：NASA

这幅宇宙图景告诉我们，无论用什么方法测量，都应该得到相同的膨胀率。至少，如果暗能量真的是宇宙学常数，以及如果遍布宇宙的无碰撞的冷暗物质只通过引力相互作用，那情况肯定就是这样的。如果所有人都得到了一致的膨胀率，那就没有人能够撼动被称为ΛCDM的宇宙学标准模型。

这个结果上的差异在几年前被发现时，许多人认为这可能存在着某些未被发现的误差，或者随着测量越来越精确时它就会消失。但显然，这种情况并没有发生。Riess在会议上说：“持续的差异也开始使情况变得棘手，因为两种测量方法都已经相当成熟了。”

有许多“新物理”试图解释这一现象。或许驱动宇宙加速膨胀的真空能量并不是宇宙学常数，而是其它强度会随着时间而改变的场充满了空间。但正如Riess所指出的，越来越多有利的证据都偏向于真空能量就是宇宙学常数。这令人困惑。

另一种更吸引理论学家的解释是，存在着一种新的粒子，也许是一种全新的中微子或其它相对论性（高速运动）粒子畅游在早期的宇宙中，这会改变我们在CMB中所看到的密度和温度的起伏模式。

也有些人认为，现有的宇宙学标准模型中所基于的一些假设也需要得到修正。例如，暗物质被认为与其它形式的物质和能量形如陌生人。但如果它在宇宙早期也与辐射相互作用，它就可以产生类似于相对论性粒子的效应。

哈勃最初对哈勃常数的高估是因为那时对宇宙还缺乏了解，当时不同恒星（老的和年轻的）之间有着在先前不为人知的区别。这导致了哈勃对一些用来估算膨胀率的恒星的距离有着错误的判断。同样的，在1990年代之前，科学家也无法对膨胀率有精确的估算是因为当时并没有将暗能量的效应考虑进去。

因此，如今得到的结果差异或许是某种未知的新物理即将出现的征兆，无论那是一种新粒子、还是物质和辐射间的新作用、或是更令人意外的某些现象，都定会令刚到访这个宇宙的你感到无比震撼。

参考资料：

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/

本文经授权转载自《原理》微信公众号

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