科学家发现宇宙正在膨胀已有近100年了。在随后的几十年里，测量的准确性以及这一发现的解释和含义引起了激烈的争论。我们现在知道，宇宙是在被称为大爆炸的事件中从高度压缩的状态急剧产生的。

天文学家无法就宇宙膨胀速度达成一致

当今膨胀率的测量方法，即哈勃常数或H₀(读作H-naught)，自那时以来已有了显著的改进。然而，天文学界现在又出现了一场新的争论：两次独立的H₀测量结果本应一致，但却得出了不同的结果。这种情况被称为“H₀张力”或哈勃张力。

很多会议、评论文章和期刊论文都致力于讨论这个问题。有些人称之为“宇宙学的危机”，要求我们对宇宙的理解发生范式转变。宇宙的膨胀是自大爆炸以来宇宙历史的一个关键方面，因此它支撑着我们理解的许多其他要素。

其他人则认为H₀紧张局势只是测量团队没有充分理解其数据的一个迹象，有了更好的数据，“危机”就会得到解决。但其解决方案仍然难以捉摸。

这场争论的焦点是两种测量方法，即“距离阶梯”和“宇宙微波背景”。距离阶梯是两种方法中历史最悠久的一种，自从最早探测到宇宙膨胀以来，它就以各种形式被使用。

第一个证据来自对暗淡云状物体的开创性测量，我们现在知道这些物体是银河系外的星系。美国天文学家VMSlipher测量了这些物体发出的光中的化学特征。他利用光谱技术将这些特征与已知分子的特征进行匹配，发现它们的波长与标准实验室结果相比有所延长。

这种来自其他星系的光波长的拉伸被称为“红移”，是由多普勒效应引起的。这种现象也是导致警报声的音调在紧急车辆接近时增加，而在车辆驶过时降低的原因。在1917年的一篇开创性文章中，斯莱弗宣布，他观察到的几乎所有星系都在远离银河系。

斯莱弗的数据后来被埃德温·哈勃在其著名的1929年研究中使用，该研究表明星系越远，其退行速度越快，因此其红移越大。红移与距离之比就是哈勃常数。

宇宙膨胀早已被理论家们预测到。20世纪20年代初，亚历山大·弗里德曼(AlexanderFriedmann)和乔治·勒梅特(GeorgesLemaître)各自意识到，阿尔伯特·爱因斯坦(AlbertEinstein)刚刚发表的广义相对论可以预测宇宙膨胀，而这会导致星系红移随距离增加而增大。

距离阶梯

由于宇宙膨胀，遥远的星系正被拖离我们。哈勃常数的测量依赖于确定这些物体的距离和它们后退速度之间的联系。

因此，H₀的单位通常为“公里/秒/百万秒差距”，指的是距离一百万秒差距(天文学家使用的距离单位，相当于约300万光年)的物体的速度。

天文学家使用三个基本步骤来计算宇宙膨胀的速度，这个值称为哈勃常数。这涉及构建宇宙“距离阶梯”。NASA/EsaSA/A.Feild(STScI)

正如斯莱弗一个世纪前所做的那样，退行速度可以通过光谱法轻松测量。然而，精确测量星系的距离非常困难，因此距离阶梯就派上用场了。

梯子的最底“级”代表天空中距离我们足够近的物体，我们可以使用直接方法来测量距离，例如视差法，地球绕太阳的运动会导致物体的角度位置周期性地发生变化。随后的级代表对距离逐渐增大的物体集的测量。

这些物体被选择为易于测量相对距离的物体，但就像没有数字的尺子一样，它们的绝对距离必须校准。此功能由最低级的物体提供。

造父变星(明亮且质量巨大的脉动恒星)由于其脉动周期与亮度之间存在紧密相关性，因此特别适合用作横档，这是海瑞塔·斯旺·勒维特于1908年发现的。最遥远的横档通常由1a型超新星(某些恒星到达生命终点时发生的爆炸)形成，这些超新星也为宇宙膨胀速度正在增加提供了确凿证据。

宇宙微波

争论焦点的另一种测量方法是宇宙微波背景(CMB)。这是宇宙诞生仅几十万年时发出的光，远在恒星或行星形成之前。相反，整个空间充满了热等离子体，除了被认为起源于大爆炸的声波外，几乎完全均匀。

此时宇宙的物理原理非常简单，因此我们可以对这些波的性质做出可靠的预测。结合精确的测量，我们的数学模型可以告诉我们宇宙在早期的膨胀率。有了后续膨胀历史的模型，我们可以对H₀做出极其精确的预测。

现在，让我们看看每种方法对H₀的测量结果。最精确的距离阶梯测量来自诺贝尔奖获得者AdamRiess领导的SH0ES科学团队。他们最新的测量结果是H₀=73.2公里/秒/百万秒差距。最精确的CMB测量结果来自欧洲航天局的普朗克卫星团队，为H₀=67.4公里/秒/百万秒差距。

尽管这两次测量结果的误差在10%以内，但与每次测量的百分比级精度相比，差异还是很大的。它还高于“5西格玛”统计阈值，科学家通常认为该事件并非纯粹由随机机会引起。

那么，是什么原因导致两次测量结果出现如此大的差异呢?原因之一可能是用于预测CMBH₀的模型是错误的。也许宇宙的另一种模型能够使CMB预测与距离阶梯测量相一致。过去几年，理论家们在这方面展开了激烈的活动。

主要障碍是宇宙的演化受到数十年来积累的一系列可靠测量结果的强烈制约。此外，CMB对H₀的测量结果得到了使用星系调查进行的具有相当精度的独立测量的证实。暗能量光谱仪(Desi)合作的最新此类测量结果显示H₀=68.5公里/秒/百万秒差距，精度约为1%——与CMB值一致。

发挥创造力

因此，理论家们必须发挥创造力。一种观点认为，在CMB发射之前，极早期宇宙经历了一个突然增强的膨胀阶段。这使得第一批原子的形成时间比标准预期要早。另一种观点认为，H₀的“标准”CMB测量忽略了这一影响，并推断哈勃常数比实际要小。

这类解决方案的挑战在于，它们还必须预测宇宙微波背景中看到的其他详细模式，这些模式已经通过普朗克卫星和其他望远镜进行了精确的测量。

其他提出的解决方案包括磁场影响第一批原子的形成，甚至地球位于宇宙中一个异常膨胀的区域。令人失望的是，这些解决方案都不是令人信服的，也无法与所有可用数据相匹配。

另一种更为平淡的推理是，我们对宇宙的物理描述是正确的，但其中一个或多个测量忽略了一些观察效应。这引发了天文学界和团队对SH0ES和普朗克测量的强烈质疑。到目前为止，两项分析都没有发现任何错误。

未来之路

那么，前进的道路是什么?最近出现了一些非常有前景的技术，它们使用距离阶梯中的替代梯级，可以与SH0ES测量相媲美。

由现代H₀研究的美国先驱WendyFreedman领导的团队使用属于“红巨星分支尖端”(TRGB)类别的特定恒星对超新星距离进行了新的校准。这种方法可以避免使用造父变星固有的不确定性。有趣的是，它给出了H₀=69.8—一个介于普朗克和SH0ES之间的常数，尽管不确定性较大。

此外，弗里德曼的团队最近利用詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)发现，TRGB恒星和造父变星所暗示的星系距离存在差异。如果未来的分析证实了这一差异，那么距离阶梯法将面临更加不确定的基础。

随着詹姆斯·韦伯太空望远镜的新数据、超新星的新样本以及利用黑洞合并产生的引力波等创新技术的出现，H₀测量的质量必将得到改善。但这些努力是否会解决哈勃紧张局面，还是会加剧这一局面，仍有待观察。

目前，我们对宇宙的理解仍然受到膨胀率测量不一致的困扰。哈勃常数诞生一百年后，它仍然让我们困惑不已。