现代宇宙学最大的悬案之一,哈勃常数,其背后是宇宙的终极命运

现代宇宙学最大的悬案之一,哈勃常数,其背后是宇宙的终极命运

宇宙的终极命运,是走向无尽的扩张,还是回归原点?这一切,似乎都可以归结为一个数字——哈勃常数(Hubble Constant)。这是现代天文学最重要的参数之一,它不仅揭示了宇宙的膨胀速度,更连接着过去、现在和未来。而现在,这个数字又一次把科学界逼到了墙角:哈勃常数不同测量方法的“紧张关系”(Hubble tension)正在撼动我们的宇宙学基础,或许,关于宇宙的终极认知,还远未到盖棺定论的时候。

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哈勃常数,简单来说,就是宇宙膨胀的速度——单位距离上的星系,每秒远离我们的速率。这个数值最早由哈勃在1929年提出,他的观测结果表明,星系正在彼此(加速)远离,宇宙并非静止,而是在不断扩张。这一发现,彻底颠覆了人类对宇宙的认知,让“静态宇宙”成为历史,也间接促成了大爆炸理论的兴起。

但这个数字究竟是多少?从最初的500,到后来的50,再到现在的67和73,这个数值一直在变,似乎从未有过一个终极答案。哈勃自己并未真正深入思考这个数值的宇宙学意义,但他的继任者们却没有回避这个问题。从爱因斯坦、勒梅特,到彭齐亚斯、威尔逊,再到今天的里斯(Adam Riess)、施密特(Brian Schmidt),科学家们一直在试图将哈勃常数精确化,希望用它来回答一个终极问题:宇宙究竟是如何开始,又将如何结束?

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哈勃的观测数据来源于一种特殊的恒星——造父变星(Cepheid variable)。这些恒星的亮度与脉动周期成正比,科学家可以通过测量它们的亮度变化,推算出它们的真实距离。而哈勃的“致命误差”就在于,他误判了造父变星的种类,低估了宇宙的尺度。直到1952年,天文学家巴德(Walter Baade)才发现,造父变星实际上有两种类型,而哈勃所测量的实际上是较亮的一类。这意味着宇宙的距离被低估了,哈勃常数的数值也必须修正——宇宙比哈勃最初计算的至少要大一倍,年龄也远比之前估计的要长。

这一发现,推动了宇宙学的进一步发展。然而,即便纠正了哈勃的错误,科学界仍无法达成共识。1958年,哈勃的学生桑迪奇(Allan Sandage)提出,宇宙可能有130亿年的历史,但其他科学家却给出了截然不同的结论,认为宇宙的年龄仅有100亿年左右。长达几十年的争论,直到哈勃空间望远镜🔭(Hubble Space Telescope)的出现,才终于有了初步的定论。

哈勃望远镜🔭的数据表明,宇宙的膨胀速率大约为每秒67-73公里每百万秒差距(km/s/Mpc),这意味着宇宙的年龄大约为138亿年。这一数据在1990年代被广泛接受,然而,1998年的一个惊天发现,彻底改变了一切。

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1998年,天文学家施密特和里斯分别领导的两个独立研究团队,试图测量宇宙膨胀的减速程度。他们的初衷很简单:宇宙中的物质具有引力,按理来说,这种引力会减缓宇宙的膨胀速度。然而,他们的研究结果却完全相反——宇宙并没有减速,而是在加速膨胀!

这一发现,直接引出了一个匪夷所思的概念——暗能量(Dark Energy)。科学家推测,宇宙中存在一种神秘的能量,它的本质类似于爱因斯坦在1917年提出的宇宙常数(Λ),可以对抗引力,使宇宙加速膨胀。暗能量的存在,使得宇宙的终极命运再度变得扑朔迷离。如果暗能量持续增长,那么宇宙的膨胀将永不停息,最终的结局可能是“热寂”(Heat Death)——宇宙将变得极端寒冷,所有的恒星熄灭,所有的原子分解,最终迎来真正的“空无”。

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