宇宙學最大的難題!是爭論抑或是線索?

如果你想知道宇宙中某些東西的運作，你所有需要做的就是明白一些可測量的質量會給你必須的信息，然後把你引向結論。當然，在這裡會有偏見和錯誤和其他的一些混雜的因素，然後它們可能會在你不小心時將你引入歧途。那麼如何解決這個問題？那就是儘可能多的做你自己的獨立測算，使用儘可能不同的技術，來決定這些源於自然的數據財富儘量可靠。

如果你做對了一切，你的每一個方法都會帶給你相同的解答，那麼這個解答就不存在模稜兩可。如果一種測量手段或技術不起作用，其它的會將你指向正確的方向。但當我們嘗試在不斷膨脹的宇宙中運用這些技術，就出現了一件令人困惑的事：我們得到了一到兩個解答，而他們互不匹配。這是宇宙學中最大的悖論，而且它可能正是那條揭開有關我們存在的最大謎團的那條線索。

附近星系的距離—紅移圖。因為本動速度的小小的不匹配，這個點不完全處於線上，這使所有被觀察的膨脹僅僅出現了小小的一點偏差。第一個用來揭曉宇宙膨脹的、來自哈勃望遠鏡的原始數據全部符合在左下方的小紅盒子（羅伯特·克什納）

從1920年時我們就已經知道了宇宙在以被稱作哈勃常數的速率膨脹。從此以後，一代代人有了一個共同的追求，即確定「速率是多少？」

早期，只有一類技術：宇宙距離階梯。該技術非常簡單，只需四個步驟：

選擇一系列本質屬性已知的物體，當你測量它們某些可觀察的部分（如它一段時期的亮度波動），你會知道它們某些固有的東西（像是它發光的本質）

測量可觀測到的數量，然後確定它本質的光亮是什麼。

然後測量明顯的光亮，且使用在一個不斷膨脹的宇宙中你所知的宇宙的距離來確定它到底有多遠。

最後，測量探尋的物體的紅移

一個星系離我們越遠，距離我們而言它膨脹得越遠，它的光芒在紅移圖上顯示的越多。一個隨著不斷膨脹的宇宙移動的星系，離我們會有再好幾倍光年遠，甚於今天光從它到我們這裡所需要的年份（因光速的原因而翻倍）。但宇宙膨脹得多快是使用不同科技的天文學家所無法達成一致的。（觀點來自RASC卡爾加裡中心的拉裡·麥克尼什）

紅移圖把所有連在一起。既然宇宙正在膨脹，任何通過宇宙的光也會被拉長。記住，光是一種波，有其特殊的波長。它的波長決定了它的能量，而宇宙中的所有的原子和粒子都有一套特殊的發出和吸收線，它們只在特殊的波長下出現。如果你可以測量這些出現在附近星系的這些光譜線的波長，你可以確定宇宙從這些光離開那個物體到你眼中時，宇宙膨脹了多長時間

結合光譜線和整個宇宙各種物體的距離，哪怕膨脹率隨著時間如何變化，你都可以明白宇宙在不同方向上膨脹得多快。

宇宙膨脹的歷史，包括了它目前的規模在內。只有通過測量光在通過膨脹的宇宙時如何紅移才能像現在這樣理解它，這需要一系列大型的獨立測量。（歐空局ESA和普朗克協會（主協會）E·西格爾進行修正；NASA/維基百科日常用戶老陳提供插圖）

在整個20世紀，科學家們用這個技術來嘗試和儘可能確定我們宇宙的歷史。宇宙學——這門研究宇宙是什麼，從哪裡來，如何演變到如今，未來會是如何的學科——主要時源於對兩個參數的追求：目前宇宙的膨脹率和膨脹率隨時間發生的變化。直到上世紀90年代，科學家甚至仍然不能確定第一個參數。

科學家們使用同樣的技術，卻得出不同的假設。有些團隊使用和其他團隊不同類型的天體進行測算，有些團隊使用不同儀器時犯下了不同的測量錯誤。有一系列對象被證明比我們想像中更為複雜。但很多問題尚在發生。

標準燭光法和標準尺子法是過去天文學家用來測量不同時間/距離的空間膨脹的兩種不同的方法。基於光度或角度大小等物理量隨距離的變化，我們可以推斷出宇宙膨脹的歷史。如果宇宙膨脹·得太快，就不會有足夠的時間來形成地球。如果我們能在自己的星系中找到最古老的恆星，我們就知道宇宙至少和這顆恆星一樣古老。如果膨脹率隨時間不斷進化，因為一些重要的東西或是輻射的原因——或是與我們確定的數量不同的物質——這會導致膨脹率隨時間不斷變化

解決這些早期的爭論是製造哈勃太空望遠鏡的原初科學動力。它的核心項目就是做出這項測量，而它取得了巨大的成功。它得出的膨脹率是72km/秒/mpc,且只有百分之十的不確定因素。這個結果在2001年發布，解決了一個如哈勃定律本身一樣有長時間爭議的問題。在發現暗物質和能量的發現之中，它似乎給了我們一個完全準確和持續的宇宙圖片。

建設宇宙距離階梯包括從我們的太陽繫到其他恆星到附近的星繫到遠距離的星系。隨著每一「步」的邁出都帶來它自己的不確定性因素，特別是造父變星和超新星的變化階段；如果我們住在一個密度更低或過高的星系區域，它同時也會造成過高或過低的價值估計。有足夠多的獨立方法可以用於建造起宇宙距離階梯，我們不再有理由因我們用不同的方法造成結果不匹配，來責怪梯子上的一個「踏板」（NASA，歐空局，A.FEILD(STSCL),和A.RIESS(STSCL/JHU)

在時間間隔裡，距離階梯組變得越來越複雜。目前這裡有不可思議的大量的獨立方法來測量宇宙膨脹的歷史。

利用遙遠的引力透鏡

使用超新星數據

利用遙遠星系的旋轉和色散特性

或者使用表面螺旋的表面亮度波動

結果都是一樣的，不管你使用造父變星，RR天王星還是即將發生氦聚變的紅巨星來校準，你都將得到相同的值：73km/s/mps，不確定度只有2-3%

變星的RS Puppis ，它的光反射穿過星際雲，變星有很多種，其中之一是造父變星，它既可以在我們星系中測量，也可以在5000萬在6000萬光年遠的星系中測量。這使我們能夠推斷出從我們自己的星繫到宇宙中更遠的星系的距離。其他種類的單個恆星，如AGB的尖端的恆星，如AGB的尖端的恆星或RR Lyrae變量，可以用來替代造父變星。

這會是宇宙學的巨大的順利，除了一個問題。現在是2019，而現在有第二種方法來測量宇宙的膨脹率。我們可以使用大爆炸早期的遺蹟，而不是觀察遙遠的物體來測量他們的光是如何演化的。當我們這樣做時，我們會得到約67km/s/mpc的值，它聲稱的不確定程度只有1-2%，這些數字相差百分之九，且它們的不確定性不會重疊。

現代使用早期來自CMB和BAO的信號數據，測量來自距離階梯（紅色）張力的方法出現了矛盾。很有可能早期的信號錯誤是正確的而距離階梯出現了根本的問題；有可能小範圍的錯誤使早期的信號方式出現了偏差，而距離階梯是正確的；還有可能兩者都是對的而有些物理學的新形式（展示在文章開頭）是罪魁禍首。但目前來說，我們還不能確定。（ADAM RIESS）(私人通訊)

不管怎樣，這一次，事情不同了。我們不能再期待一組是對的一組是錯的。我們也不能再期待結論會是兩者之間，而兩組都在他們的假設中製造了某種錯誤。我們不能依靠這些的原因是有太多獨立的證據了。如果我們嘗試解釋一個帶著一個錯誤的量度，它會與其他已經得出的量度產生矛盾的。

宇宙中物質的總量是宇宙如何隨時間膨脹的決定因素。愛因斯坦的廣義相對論把宇宙間的內能和整體的曲率連接在一起。如果宇宙膨脹得太快，這暗示著宇宙中有著更少的物質和更多的暗物質，這會與觀察所得產生矛盾

在普朗克之前，最佳的一個數據顯示一個哈勃參數大約71km/s/mpc，但現在一個大等於69的值對於我們通過其他方式和標量光譜指數（y軸右軸）觀測到的暗物質密度來說太大了，我們需要通過宇宙的大尺度結構來找到意義。（P.A.R.ADE和AL.以及普朗克研究所）（2015）

舉例來說，從宇宙的大尺度結構、星系的密集程度和其他很多種來源來看，我們知道宇宙物質的總量應該是臨界密度的百分之三十。我們同樣看到標量譜指數——一個告訴我們重力如何在小尺度和大尺度上形成束縛結構——會略微小於1.

如果膨脹率太高，你不僅僅會得到一個相比我們的宇宙而言，物質很少而臨界密度很高的宇宙，你還會得到一個過於年輕的宇宙：它只經歷過125億年而不是138億年的歲月。既然我們住在一個星系，那裡擁有著被識別大於130億年的恆星，這會製造出一個巨大的難題：這些問題無法協調一致。

位於4140光年外的銀河暈中，SDSS J102915+172927是一顆僅有太陽1/20000th的重元素的古老恆星，它應超過130億歲：是宇宙中最老的恆星之一，甚至早於銀河系之前誕生。像這樣的存在的恆星提醒我們，宇宙不可能比這樣的恆星年輕（ESO，數據化太空搜索2）

但是也許沒有人是錯的。也許早期的文物指向有關宇宙的一組真實事實：

它有138億歲，

它大概相較於普通物質來說有70%/25%/5%/的暗能量/暗物質/普通物質，

它的確看起來與在較少一端的67km/s/mpc的膨脹率是一致的。

而且也許距離階梯同樣指出了有關宇宙的一系列真相。

即使這聽起來很奇怪，兩組人都可能是正確的。妥協的原因來自大部分人目前不會願意考慮的第三個原因。除了距離階梯組錯了或早期遺蹟組錯了，也許我們有關物理和宇宙自然法則的假設是錯的。換句話說，我們也許不是正在解決這一矛盾，也許我們所見的是一條有關新物理的線索。

一個雙透鏡的類星體，如圖所示，是由引力透鏡引起的。如果多幅延時圖像能被理解，就有可能在我們討論的類星體的基礎上重建宇宙的膨脹率。目前最早的結果展示了整個四稜類星體系統，有可能我們測量宇宙膨脹率的方式，實際上展現了宇宙本質中某些全新的東西。（NASA哈勃太空望遠鏡，TOMMASO TREU/UCLA 和BIRRER ET AL）

有可能我們測量宇宙膨脹率的方式，實際上展現了宇宙本質中某些全新的東西。某些宇宙會隨時間改變的東西，這會成為另一個這兩種不同階層的技術，可以屈服於不同的宇宙膨脹的歷史結論的解釋。這裡包括了某些選擇：

我們宇宙的局部區域相較於平均而言，有著一些不平常的東西（目前已經不被贊成）

暗能量正在隨著時間做出難以預料的改變，

重力的表現與我們在宇宙學角度上做出的預測不一樣

或者現在有一種全新的領域或力瀰漫在宇宙中

有關不斷進化的暗能量這一種可能，特別有趣也特別重要，因這是NASA未來在天文物理學上的旗艦任務WFIRST，它被明確地設計用來度量。

哈勃望遠鏡的觀察區域（左上）與WFIRST在相同深度、相同時間內能夠觀察到的區域相比。WFIRAT的廣域視野將使我們能夠捕捉到比以前更多的遙遠的超新星圖像，並使我們能夠在以前從未探測過的宇宙尺度上對星系進行深入廣泛的調查。不管它發現什麼，它將帶來一場科學革命。（NASA/GODDARD/WFIRST）

目前，我們聲稱暗能量和宇宙常數是一致的。這意味著，在宇宙膨脹的同時，暗能量的密度保持一致，而不是密度變得更低（像物質一樣）暗能量也可以同時隨著時間流逝而增強，或者它會改變自己的行為：在不同程度上把空間向內或向外推。

今天，在沒有WFIRST的世界中，為表明對暗能量與宇宙常數保持一致，我們對此的最佳限制大概是10%的水平。有了WFIRST，我們將能測量任何偏差到1%的水平：這足以檢驗不斷進化的暗能量是否能解決宇宙膨脹問題的爭議。在我們找到答案之前，所有我們能做的就是繼續完善我們的最佳測量方法，並從一整套證據中找到解決問題的線索。

當物質（包括普通物質和暗物質）的輻射密度因宇宙由於體積增大而下降時，暗物質是空間固有的一種能量形式。當新的空間在膨脹的宇宙中誕生，暗物質的密度保持不變。如果暗能量隨時間改變，我們不僅會發現有關宇宙膨脹的難題的可能的解釋，還有有關存在本質的革命性的新觀點。（E.SIEGEL/星系之外）

這並不是一些邊緣的想法，有一些逆流而上的科學家正在過分強調數據的微小差異。如果這兩種觀點都是正確的，而且無人能發現其中任何一個的缺陷，這可能是我們在理解宇宙方面的下一大步的第一個線索。諾貝爾獎獲得者亞當·裡斯，可能是目前研究宇洲際階梯的最著名的人物。他很好心地和我錄製了一期播客，討論這一些想法對宇宙的未來意味著什麼。

作者: Ethan Siegel

FY: 櫛海

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