宇宙膨脹的速度有兩個？

諸葛林

想象一下，宇航員乘坐宇宙飛船飛往月球。此時，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家，通過用精密儀器探測到的距離除以飛船抵達月球的時間，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有兩個？測量宇宙膨脹速度的天文學家遇到的就是類似的問題，他們測得的宇宙膨脹速度有兩個。

兩個大圣？

宇宙膨脹的速度被稱為哈勃常數。天文學家測得的第一個哈勃常數為74km/s/Mpc【意思就是說，如果某個天體位于1百萬秒差距（Mpc）的距離，它離開我們的速度就達到74km/s（千米/秒），如果距離遠一倍，速度也會加倍，從而得知我們的宇宙在膨脹】。

超新星是恒星演化末期產生劇烈爆炸的一種星體，而天文學家如今已經測得大多數超新星的亮度。利用“標準燭光”法，天文學家就可以測得超新星到地球的距離。這種測量方法基于這樣一個簡單的事實：我們所觀察到的蠟燭的亮度，與我們跟蠟燭的距離相關。超新星就相當于蠟燭，離我們越遠，它就越暗。

由于已知宇宙會膨脹，那么恒星與恒星之間會相互遠離，接下來，天文學家需要再測量出超新星遠離地球的速度。當一顆超新星遠離地球時，光的波長就會變長（光的速度依然不變），向紅光轉移，而這種現象被稱為紅移。通過測量紅移，天文學家再計算出超新星的遠離速度，之后再除以超新星到地球的距離，就得出哈勃常數。

利用多個超新星，或者其他星體計算得出的哈勃常數也就在74km/s/Mpc上下浮動。但是，天文學家利用高度精確的普朗克太空望遠鏡，通過測量宇宙的背景輻射，得出的哈勃常數卻是67.4km/s/Mpc。

宇宙背景輻射是指宇宙大爆炸38萬年后所遺留下來的輻射。在宇宙大爆炸伊始，那時的宇宙是由物質和輻射組成的“大鍋燉”。大爆炸之后，宇宙不斷地膨脹、冷卻，當時間過了38萬年，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”在了那個時候，遺留到了今天。

兩種測量宇宙膨脹速度方法的圖解

然而，現在的宇宙背景輻射與過去的背景輻射影像并不重合，現在的宇宙背景輻射圖像更廣。天文學家不僅據此終于確認了宇宙正在膨脹，而且還可以通過將現今宇宙背景輻射擴大的規(guī)模除以時間，再經過其他計算，精確地計算出宇宙膨脹的速度。

天文學家認真審視了得出這兩種結果的過程。他們發(fā)現這兩個宇宙膨脹速度，從計算和觀測過程上來看，都是正確的。但是，真正的“大圣”只有一個。那么哪個速度才是正確的？

又是暗物質

天文學家推測由于暗物質的存在，這才導致了不同的測量方法，得出了不同的結果。如果把暗物質的影響考慮在內，那么哈勃常數就會小一些;如果把暗物質剔除在外，那么得出的哈勃常數就會大一些。

為了方便理解，我們可以把暗物質比作日常生活中的公路路況。如果路上堵車越來越嚴重（對應著暗物質越來越多），那么我們的速度就會慢得多，到學校或工作單位所需的時間就越長;如果我們可以穿透其他車輛（暗物質就是被假設成可以被電磁波直接穿過），直達目的地，那么我們的車速肯定就會快一些。

根據愛因斯坦的廣義相對論，由于物質能彎曲空間，因此宇宙也可以是彎曲的。

只是，關于暗物質的存在，目前依然沒有更好的證據。于是，天文學家也在極力尋找暗物質粒子。中微子是暗物質的候選粒子之一，于1956年7月20日被正式發(fā)現。中微子呈電中性，不參與任何電磁作用和強相互作用，不參與引力作用和弱相互作用，除此之外，科學家依然對它知之甚少。為了加深對中微子的了解，日本將建設超級中微子探測器。這臺探測器包括了一個裝滿著2.6億升超純水的水箱，以及4萬個極其靈敏的光探測器，這些探測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)尋找暗物質存在的證據，秉著嚴謹的科學態(tài)度，天文學家依舊有理由認為，利用超新星得出的哈勃常數之所以較大，原因還可能是觀測超新星所用的望遠鏡不夠精確。所以，一臺更大、更精確的望遠鏡——魯賓望遠鏡將于2023年，在智利落成，它可以探測更多、更遠的超新星。

另外，歐洲歐幾里得太空望遠鏡將于2022年發(fā)射。屆時，它將為天文學家提供更為準確的紅移和引力透鏡的探測，從而驗證各自的理論?；蛟S到了那時，天文學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？

天文學家為什么要如此費力地弄清宇宙的膨脹速度？

如果宇宙膨脹速度是74km/s/Mpc，根據俄國數學家亞歷山大·弗里德曼在1922年發(fā)現的弗里德曼方程（現代宇宙學就是基于弗里德曼方程發(fā)展而來），宇宙中物質和能量的平均密度等于臨界密度，那么就說明宇宙是平坦的。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封閉的球形。在這個宇宙中，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相交在一起。在這個封閉的宇宙，蟲洞就有存在的可能。在這個宇宙的某些地方，物理規(guī)律會跟地球上的不一樣。

上述第二個宇宙膨脹速度還導致了一個意外的問題。天文學家反過來，先假設宇宙是封閉的球形，然后再求得哈勃常數。最終得出，哈勃常數理應比67.4km/s/Mpc還要?。∵@又是另外一個謎團了。

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

盡管天文學家目前只觀測到了兩種宇宙形狀相關的哈勃常數，但不代表第三種宇宙形狀相關的哈勃常數不存在。天文學家還需要繼續(xù)努力，弄清真實的哈勃常數是哪個，因為，不同的哈勃常數決定了我們宇宙的不同命運。