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宇宙有多大？宇宙是怎么誕生的
（神秘的地球uux.cn報道）據(jù)新浪科技（勻琳）：我們都知道，宇宙浩瀚無窮。大宇但我們朝任何一個方向望去時，宙誕宇宙最遙遠(yuǎn)的宇宙有多可見區(qū)域大約在460億光年之外。但這實際上，大宇還只是宙誕我們的一個最佳估計，因為沒有人確切知道，宇宙有多宇宙到底有多大。大宇
自大爆炸以來，宙誕宇宙一直在膨脹，宇宙有多但膨脹的大宇速度有多快？這個答案或許揭示，我們一直以來，宙誕自認(rèn)為對物理學(xué)的宇宙有多一切理解，其實是大宇錯的。
我們能看到的宙誕最遙遠(yuǎn)距離，是自宇宙大爆炸之后光傳播的距離（或者更準(zhǔn)確地來說，是從宇宙大爆炸中拋射出來的微波輻射）。大約138億年前，宇宙在一場大爆炸中誕生，自此之后，宇宙一直在膨脹。但是由于我們并不知道宇宙的真正年齡，我們也就很難確定在我們看不見的范圍之外，宇宙到底膨脹到了什么程度。
天文學(xué)家曾嘗試使用“哈勃常數(shù)”來確定宇宙的膨脹程度。這是當(dāng)前宇宙膨脹速度的一個度量，哈勃常數(shù)可以確定宇宙的規(guī)模，包括宇宙的大小和年齡。
我們不妨把宇宙類比稱一個正在膨脹的氣球。當(dāng)恒星和星系（好比氣球表面的斑點）越來越快地遠(yuǎn)離彼此時，它們之間的距離也越來越大。從我們眼中看去，就是某個星系離我們越是遙遠(yuǎn)，它黯淡下去的速度也就越快。
不巧的是，天文學(xué)家測量哈勃常數(shù)的次數(shù)越多，我們基于對宇宙的理解所建立的預(yù)測便越站不住腳。一種測量方法直接給了我們一個確定的值，而另一種測量方法（取決于我們對宇宙其他參數(shù)的理解）則給出了不同的結(jié)果。要么這兩種測量方法都是錯的，要么就是我們對宇宙的理解存在缺陷。
但是現(xiàn)在，科學(xué)家們相信，他們離答案不遠(yuǎn)了。當(dāng)然，這一切，離不開旨在了解哈勃常數(shù)之本質(zhì)的新實驗和觀察結(jié)果。
作為宇宙學(xué)家面臨的挑戰(zhàn)其實是一個工程挑戰(zhàn)：我們?nèi)绾尾拍鼙M可能精確、準(zhǔn)確地測量這個常數(shù)？要解決這個挑戰(zhàn)，不僅需要獲得測量的數(shù)據(jù)，還是以盡可能多的方式交叉檢驗測量方法。從一個科學(xué)家的角度來看，這更像是將拼圖完整地拼湊起來，而非破解謎團。
天文學(xué)家埃德溫·哈勃在1929年對哈勃常數(shù)進行了首次測量，這個常數(shù)也正是以埃德溫·哈勃的名字命名。首次測量將哈勃常數(shù)定為500km/s/Mpc，或者310miles/s/Mpc。Mpc表示百萬秒差距，一個宇宙距離尺度，大約相當(dāng)于326萬光年的距離。500km/s/Mpc，即意味著，距離地球的距離每增加一個百萬秒差距，星系遠(yuǎn)離我們的速度便加快500千米每秒。
在哈勃首次估測宇宙膨脹率后的一個多世紀(jì)中，這個數(shù)值曾一次又一次地被向下修正。如今哈勃常數(shù)的值在67km/s/Mpc到74Km/s/Mpc之間。一部分原因在于，測量的方式不同，哈勃常數(shù)也會有所不同。
關(guān)于哈勃常數(shù)差異的大多數(shù)解釋認(rèn)為，測量哈勃常數(shù)值的方法有兩種。第一種方法是觀察銀河系附近星系遠(yuǎn)離我們的速度，而另一種方法則選擇使用宇宙微波背景（即宇宙大爆炸之后留下的第一束光）。
我們至今仍可以觀測到宇宙微波背景。但是，由于宇宙的遙遠(yuǎn)區(qū)域正離我們越來越遠(yuǎn)，這種光被拉伸成無線電波。上世紀(jì)六十年代，因一次偶然的機會，天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)這些無線電信號。這些無線電信號也讓我們有機會了解宇宙最早期的樣子。
兩種互斥力——引力的內(nèi)向拉力和輻射的外向推力，在宇宙誕生之初，上演了一場宇宙拔河比賽，所產(chǎn)生的擾動，至今仍以微小的溫度差異的形式，存在于宇宙微波背景中。
研究人員可以通過這些擾動，測量出宇宙大爆炸后不久，宇宙膨脹的速度，然后將其應(yīng)用于宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型來推斷目前的膨脹速度。這個標(biāo)準(zhǔn)模型，是目前對宇宙起源、宇宙組成以及我們今天所看到一切的最好解釋。
但是這里存在一個問題。當(dāng)天文學(xué)家嘗試用第一種方法——觀察銀河系附近星系遠(yuǎn)離我們的速度，來測量哈勃常數(shù)時，他們得到了一個不同的數(shù)值。
如果標(biāo)準(zhǔn)模型是正確的，那么你會認(rèn)為兩種方法得出的結(jié)果——當(dāng)前的測量結(jié)果和從早期觀測中推導(dǎo)出的結(jié)果，應(yīng)該是一致的。然而，事實并非如此。
2014年，歐洲航天局的普朗克衛(wèi)星首次測量了宇宙微波背景中的差異；2018年，又測量了一次。根據(jù)普朗克衛(wèi)星的測量，哈勃常數(shù)的值為67.4km/s/Mpc。但是，這個數(shù)值，比弗里德曼等天文學(xué)家通過觀察附近星系得出的測量值，低了9%左右。
2020年，阿塔卡瑪宇宙學(xué)望遠(yuǎn)鏡對宇宙微波背景的進一步測量，與普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)具有相關(guān)性。這幫助科學(xué)家從兩個方面排除了普朗克衛(wèi)星存在系統(tǒng)性問題的可能。那么，如果宇宙微波背景的測量是正確的，剩下的可能性只能是以下兩個中的一個：1）測量附近星系發(fā)出的光，這種方法不對；2）宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型需要修改。
天文學(xué)家使用的測量方法采用了一種特殊類型的恒星：造父變星。大約100年前，天文學(xué)家亨麗愛塔·勒維特發(fā)現(xiàn)了這種亮度會變化的恒星，變化的周期為幾天或幾周。勒維特發(fā)現(xiàn)，越明亮的恒星，變亮、變暗然后再變亮所需的時間越長。現(xiàn)在，天文學(xué)家可以通過研究這類恒星的亮度脈沖，來準(zhǔn)確地判斷恒星的真正亮度。通過測量我們在地球上觀察到的亮度，再加上光線雖距離增加而變暗，我們可以精確地測量我們與恒星的距離。
弗里德曼和她的團隊是率先使用鄰近星系中的造父變星來測量哈勃常數(shù)的人。他們使用的數(shù)據(jù)來自哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。2001年，他們測量到的哈勃常數(shù)值為72km/s/Mpc。
從那之后，通過研究附近星系得出的哈勃常數(shù)值一直在72km/s/Mpc上下浮動。另一個也使用造父變星測量哈勃常數(shù)的團隊，在2019年使用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，得出的結(jié)果為74km/s/Mpc。幾個月之后，另一組天體物理學(xué)家以另一種不同的測量技術(shù)（涉及類星體發(fā)出的光）得出的哈勃常數(shù)值為73km/s/Mpc。
如果這些測量是正確的，這說明宇宙膨脹的速度可能高于宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型下的理論所允許的膨脹速度。也就是說，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模型——以及我們基于該模型描述的宇宙本質(zhì)，都需要更新。目前，答案尚不確定。但如果真的是這樣，這將給我們了解的一切帶來深遠(yuǎn)的影響。
弗里德曼說：“這或許可以告訴我們，我們所認(rèn)為的標(biāo)準(zhǔn)模型缺失了某些東西。我們現(xiàn)在還不知道為什么會這樣，但這是發(fā)現(xiàn)原因的一個機會。”
如果標(biāo)準(zhǔn)模型是錯的，那么這可能意味著我們的一些模型——關(guān)于宇宙組成的模型，重子（或正常）物質(zhì)、暗物質(zhì)、暗能量與輻射的相對量的模型等等，并不十分正確。另外，如果宇宙膨脹的速度確實比我們想象的更快，那么宇宙的年齡可能也比目前公認(rèn)的138億年更年輕。
關(guān)于哈勃常數(shù)值差異的另一種解釋是，我們所在的宇宙部分與其他部分相比，存在不同或特殊之處，正是這種區(qū)別扭曲了測量結(jié)果。也許不是一個完美的比喻，但是你可以這么想，在上坡或下坡的時候，哪怕你用同樣的力度踩油門，汽車的速度或加速度變化是不一樣的。這不太可能是我們測量到的哈勃常數(shù)值差異的一個最終原因，重要的是我們不能忽視已經(jīng)為得到這些結(jié)果所做的工作。
但是天文學(xué)家認(rèn)為，他們已經(jīng)越來越接近確定哈勃常數(shù)值，以及哪一種測量方法是正確的。
弗里德曼說：“令人興奮的是，我認(rèn)為，我們真的能夠在相當(dāng)短的時間里解決這個問題，不管是一年還是兩三年。有很多即將出現(xiàn)的新技術(shù)，可以提高我們測量的準(zhǔn)確性。最終，問題可以得到解答。”
其中一個新技術(shù)在是歐洲航天局的蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡。蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡于2013年發(fā)射升空，一直在以高精確度測量約十億顆恒星的位置。科學(xué)家正在使用一種被稱為“視差”的技術(shù)，基于這些數(shù)據(jù)計算恒星之間的距離。當(dāng)蓋亞繞太陽運動時，該望遠(yuǎn)鏡在太空中的有利觀測地點也會發(fā)生變化。就好比你遮住一只眼睛去看物體，然后再遮住另一只眼睛去看物體，物體的位置看上去會不同。所以，在軌道周期內(nèi)，蓋亞可以在一年中的不同時間觀測天體，進而讓科學(xué)家得以準(zhǔn)確計算出恒星遠(yuǎn)離我們太陽系的速度。
另外一個可以回答哈珀常數(shù)值的設(shè)備是詹姆斯韋伯空間望遠(yuǎn)鏡。這架望遠(yuǎn)鏡將在2021年末發(fā)射升空。詹姆斯韋伯空間望遠(yuǎn)鏡可以通過研究紅外波長，進行更好的測量。這樣的測量不會受到我們與恒星之間的塵埃的影響。
但是，如果這些新技術(shù)依舊發(fā)現(xiàn)哈勃常數(shù)值存在差異，那么我們確實需要引入新的物理學(xué)了。盡管人們也已經(jīng)提出很多理論來解釋這種差異，但都無法完全解釋我們看到的一切。每個潛在理論都有缺點。例如，有人提出，早期宇宙中可能存在另一種輻射，但我們已經(jīng)精確測量了宇宙微波背景，所以這個可能性幾乎為零。另一種觀點是，暗能量可能會隨時間而變化。
這似乎是一個非常有前景的假設(shè)，但是目前，暗能量如何隨時間變化可能也面臨其他限制。暗能量似乎只能以一種不自然的方式隨時間變化，看起來也希望渺茫。還有一個解釋是，早期宇宙中存在暗能量，之后這些暗能量又消失了。但是，我們沒有明顯的理由，可以解釋為什么暗能量起初存在而后又消失。
因此，科學(xué)家們不得不繼續(xù)探索新的可能性，解釋眼下發(fā)生的一切。雖然現(xiàn)在我們還不知道合理的解釋是什么，但這并不意味著以后不會有合適的想法出現(xiàn)。