宇宙膨脹的速度有兩個(gè)？

諸葛林

想象一下，宇航員乘坐宇宙飛船飛往月球。此時(shí)，速度表顯示飛船的速度為74千米/秒。但是，地面指揮中心里的科學(xué)家，通過用精密儀器探測(cè)到的距離除以飛船抵達(dá)月球的時(shí)間，得出的飛船速度為67.4千米/秒。

速度表和地面儀器都沒問題，那么，飛船的飛行速度為什么會(huì)有兩個(gè)？測(cè)量宇宙膨脹速度的天文學(xué)家遇到的就是類似的問題，他們測(cè)得的宇宙膨脹速度有兩個(gè)。

兩個(gè)大圣？

宇宙膨脹的速度被稱為哈勃常數(shù)。天文學(xué)家測(cè)得的第一個(gè)哈勃常數(shù)為74km/s/Mpc【意思就是說(shuō)，如果某個(gè)天體位于1百萬(wàn)秒差距（Mpc）的距離，它離開我們的速度就達(dá)到74km/s（千米/秒），如果距離遠(yuǎn)一倍，速度也會(huì)加倍，從而得知我們的宇宙在膨脹】。

超新星是恒星演化末期產(chǎn)生劇烈爆炸的一種星體，而天文學(xué)家如今已經(jīng)測(cè)得大多數(shù)超新星的亮度。利用“標(biāo)準(zhǔn)燭光”法，天文學(xué)家就可以測(cè)得超新星到地球的距離。這種測(cè)量方法基于這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)：我們所觀察到的蠟燭的亮度，與我們跟蠟燭的距離相關(guān)。超新星就相當(dāng)于蠟燭，離我們?cè)竭h(yuǎn)，它就越暗。

由于已知宇宙會(huì)膨脹，那么恒星與恒星之間會(huì)相互遠(yuǎn)離，接下來(lái)，天文學(xué)家需要再測(cè)量出超新星遠(yuǎn)離地球的速度。當(dāng)一顆超新星遠(yuǎn)離地球時(shí)，光的波長(zhǎng)就會(huì)變長(zhǎng)（光的速度依然不變），向紅光轉(zhuǎn)移，而這種現(xiàn)象被稱為紅移。通過測(cè)量紅移，天文學(xué)家再計(jì)算出超新星的遠(yuǎn)離速度，之后再除以超新星到地球的距離，就得出哈勃常數(shù)。

利用多個(gè)超新星，或者其他星體計(jì)算得出的哈勃常數(shù)也就在74km/s/Mpc上下浮動(dòng)。但是，天文學(xué)家利用高度精確的普朗克太空望遠(yuǎn)鏡，通過測(cè)量宇宙的背景輻射，得出的哈勃常數(shù)卻是67.4km/s/Mpc。

宇宙背景輻射是指宇宙大爆炸38萬(wàn)年后所遺留下來(lái)的輻射。在宇宙大爆炸伊始，那時(shí)的宇宙是由物質(zhì)和輻射組成的“大鍋燉”。大爆炸之后，宇宙不斷地膨脹、冷卻，當(dāng)時(shí)間過了38萬(wàn)年，宇宙不再冷卻，反而保持一定的溫度，而輻射的痕跡仿佛被“冷凍”在了那個(gè)時(shí)候，遺留到了今天。

兩種測(cè)量宇宙膨脹速度方法的圖解

然而，現(xiàn)在的宇宙背景輻射與過去的背景輻射影像并不重合，現(xiàn)在的宇宙背景輻射圖像更廣。天文學(xué)家不僅據(jù)此終于確認(rèn)了宇宙正在膨脹，而且還可以通過將現(xiàn)今宇宙背景輻射擴(kuò)大的規(guī)模除以時(shí)間，再經(jīng)過其他計(jì)算，精確地計(jì)算出宇宙膨脹的速度。

天文學(xué)家認(rèn)真審視了得出這兩種結(jié)果的過程。他們發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)宇宙膨脹速度，從計(jì)算和觀測(cè)過程上來(lái)看，都是正確的。但是，真正的“大圣”只有一個(gè)。那么哪個(gè)速度才是正確的？

又是暗物質(zhì)

天文學(xué)家推測(cè)由于暗物質(zhì)的存在，這才導(dǎo)致了不同的測(cè)量方法，得出了不同的結(jié)果。如果把暗物質(zhì)的影響考慮在內(nèi)，那么哈勃常數(shù)就會(huì)小一些;如果把暗物質(zhì)剔除在外，那么得出的哈勃常數(shù)就會(huì)大一些。

為了方便理解，我們可以把暗物質(zhì)比作日常生活中的公路路況。如果路上堵車越來(lái)越嚴(yán)重（對(duì)應(yīng)著暗物質(zhì)越來(lái)越多），那么我們的速度就會(huì)慢得多，到學(xué)校或工作單位所需的時(shí)間就越長(zhǎng);如果我們可以穿透其他車輛（暗物質(zhì)就是被假設(shè)成可以被電磁波直接穿過），直達(dá)目的地，那么我們的車速肯定就會(huì)快一些。

根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，由于物質(zhì)能彎曲空間，因此宇宙也可以是彎曲的。

只是，關(guān)于暗物質(zhì)的存在，目前依然沒有更好的證據(jù)。于是，天文學(xué)家也在極力尋找暗物質(zhì)粒子。中微子是暗物質(zhì)的候選粒子之一，于1956年7月20日被正式發(fā)現(xiàn)。中微子呈電中性，不參與任何電磁作用和強(qiáng)相互作用，不參與引力作用和弱相互作用，除此之外，科學(xué)家依然對(duì)它知之甚少。為了加深對(duì)中微子的了解，日本將建設(shè)超級(jí)中微子探測(cè)器。這臺(tái)探測(cè)器包括了一個(gè)裝滿著2.6億升超純水的水箱，以及4萬(wàn)個(gè)極其靈敏的光探測(cè)器，這些探測(cè)器可以捕捉中微子與水分子發(fā)生碰撞的跡象。

除了繼續(xù)尋找暗物質(zhì)存在的證據(jù)，秉著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，天文學(xué)家依舊有理由認(rèn)為，利用超新星得出的哈勃常數(shù)之所以較大，原因還可能是觀測(cè)超新星所用的望遠(yuǎn)鏡不夠精確。所以，一臺(tái)更大、更精確的望遠(yuǎn)鏡——魯賓望遠(yuǎn)鏡將于2023年，在智利落成，它可以探測(cè)更多、更遠(yuǎn)的超新星。

另外，歐洲歐幾里得太空望遠(yuǎn)鏡將于2022年發(fā)射。屆時(shí)，它將為天文學(xué)家提供更為準(zhǔn)確的紅移和引力透鏡的探測(cè)，從而驗(yàn)證各自的理論。或許到了那時(shí)，天文學(xué)家才能確定宇宙真正的膨脹速度。

宇宙是平的，還是圓的，又或者是彎曲的？

天文學(xué)家為什么要如此費(fèi)力地弄清宇宙的膨脹速度？

如果宇宙膨脹速度是74km/s/Mpc，根據(jù)俄國(guó)數(shù)學(xué)家亞歷山大·弗里德曼在1922年發(fā)現(xiàn)的弗里德曼方程（現(xiàn)代宇宙學(xué)就是基于弗里德曼方程發(fā)展而來(lái)），宇宙中物質(zhì)和能量的平均密度等于臨界密度，那么就說(shuō)明宇宙是平坦的。宇宙依然是三維的，在這種情況下，如果我們向宇宙中發(fā)射兩條平行光束，那么這兩條光束將永遠(yuǎn)地保持平行。在平坦的宇宙中，蟲洞就不太可能存在，同一物理規(guī)律也將在宇宙各處適用。

如果宇宙膨脹速度是67.4km/s/Mpc，宇宙中物質(zhì)和能量的平均密度就高于臨界密度，而這樣的宇宙則是一個(gè)封閉的球形。在這個(gè)宇宙中，如果我們朝太空發(fā)射兩條平行光束，那么這兩條光束最終會(huì)相交在一起。在這個(gè)封閉的宇宙，蟲洞就有存在的可能。在這個(gè)宇宙的某些地方，物理規(guī)律會(huì)跟地球上的不一樣。

上述第二個(gè)宇宙膨脹速度還導(dǎo)致了一個(gè)意外的問題。天文學(xué)家反過來(lái)，先假設(shè)宇宙是封閉的球形，然后再求得哈勃常數(shù)。最終得出，哈勃常數(shù)理應(yīng)比67.4km/s/Mpc還要小！這又是另外一個(gè)謎團(tuán)了。

弗里德曼方程還預(yù)測(cè)了第三種宇宙形狀，那就是宇宙是開放、彎曲的，類似于一張拱起來(lái)的紙張。當(dāng)宇宙物質(zhì)和能量的平均密度小于臨界密度的時(shí)候，宇宙就是彎曲的。如果我們朝太空發(fā)射兩條平行光束，那么這兩條光束會(huì)越來(lái)越彼此遠(yuǎn)離。在這種宇宙中，蟲洞也更有存在的可能性，而且在這個(gè)宇宙的某些地方，物理規(guī)律也會(huì)跟地球上的不一樣。

盡管天文學(xué)家目前只觀測(cè)到了兩種宇宙形狀相關(guān)的哈勃常數(shù)，但不代表第三種宇宙形狀相關(guān)的哈勃常數(shù)不存在。天文學(xué)家還需要繼續(xù)努力，弄清真實(shí)的哈勃常數(shù)是哪個(gè)，因?yàn)椋煌墓?shù)決定了我們宇宙的不同命運(yùn)。