Is our model of the universe wrong?
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宇宙学领域正在发生危机。你总是知道自己的年龄，知道自己的生日，但我们不知道宇宙的生日是什么时候。而这一切都取决于宇宙今天膨胀的速度。这种当前的膨胀速度用哈勃常数来表示。

苏格兰皇家天文学家凯瑟琳·海曼斯指出，哈勃常数是理解宇宙年龄的关键。

问题是，宇宙学家们无法就这个数字的实际值达成一致。首先，我们通过观察晚期宇宙得到一个值。那就是恒星、星系和超新星。它们给出的数值约为每百万秒差距72公里/秒。

我已经把它翻译成人类可以理解的术语了。因此，如果你在宇宙中取两点，它们之间的距离与我们和仙女座星系之间的距离相同，即250万光年，那么它们彼此远离的速度为每小时12.5万英里。

但随后我们通过观察遥远的早期宇宙，即宇宙微波背景辐射，得到了一个值。

这告诉我们哈勃常数不是72，而是大约67。作为一名天文学家，我没有参与宇宙微波背景辐射的测量项目，但我感到欣喜若狂。它们绝对是美丽的、原始的测量结果，非常精确。直接测量也是如此。

因此，两个精确、美丽的测量结果给出了哈勃常数的不同答案。这种差异留下了一个令人痛苦的问题。是测量出了问题？还是我们的整个宇宙模型出了问题？我们有这两个暗成分，暗物质和暗能量，我们不知道它们是什么。所以对我来说，两个就已经太多了。这就是为什么我们处于这种危机模式的原因。

科学家们可能曾希望来自詹姆斯·韦伯太空望远镜的令人难以置信的图像能够帮助解决所谓的哈勃张力问题，但结果却使情况更加复杂。就在上周，JWST的结果证实，我们的晚期宇宙观测似乎并没有任何问题。那么，问题是否在于我们对宇宙的基本理解？

我们喜欢一场美好的危机，因为它意味着我们有一些东西可以去发现。这是我们可以探究和探索的东西，并希望更多地了解宇宙的黑暗面，这是科学中一个主要的未知领域。所以今天，宇宙学危机。为什么我们找不到哈勃问题的答案？来自卫报，我是玛德琳·芬利，这是科学周刊。

埃德温·哈勃在威尔逊山天文台，他在1929年发表了一篇非常有影响力的论文，表明我们宇宙中的星系，无论你朝哪个方向看，都在远离我们，而且它们离得越远，移动速度就越快。

凯瑟琳·海曼斯是爱丁堡大学的观测宇宙学教授。她是苏格兰皇家天文学家，也是德国波鸿鲁尔大学德国宇宙透镜中心主任。正如她解释的那样，哈勃关于星系正在远离我们的观测导致了一个非常深刻的结论，一个似乎难以想象的结论。

今天完全是实事求是。这意味着我们的宇宙正在膨胀，这……

非常有影响力，因为如果你倒转时间，如果你让时钟倒转并逆转这种膨胀，这意味着在过去，宇宙非常小、非常热、非常密集，这为宇宙诞生于大爆炸提供了证据。哈勃是如何发现物体正在远离我们，而且它们离得越远，后退速度越快的呢？

为此，你需要了解两件事，距离和速度。让我们从速度开始。我相信你一定在高街边上看到过警车经过你身边。当警车向你驶来时，警笛的音调会升高。当它远离你时，警笛的音调会降低。这被称为多普勒效应。

这就是声音的工作方式，我们很熟悉。但它也适用于光。因此，如果星系正在远离我们，那么星系的光就会变红。

而且它移动得越快，光就越红。因此，这被称为红移，这就是我们在宇宙中测量速度的方式。物体远离我们的速度越快，光的波长就越拉长，看起来就越红。那么距离呢？这相当困难，因为我们没有巨大的尺子来测量距离。我们

我们使用一种叫做标准烛光的东西。所以我想让你想象一下，你和你的朋友晚上出去，你们中一个人拿着手电筒。当他们站在你附近时，你知道手电筒有多亮。但是当他们背对着你，把手电筒照向你时，你会看到他们的手电筒似乎变暗了。

但你知道手电筒实际上有多亮。因此，你可以通过你看到的手电筒的亮度来计算出他们离你有多远。这与我们在宇宙中使用的技巧完全相同。如果我们知道某物有多亮，那么我们可以通过观察我们看到它的亮度来测量到它的距离。在我们宇宙中有一些东西具有标准亮度。有一种叫做造父变星的东西，是由天文学家亨丽埃塔·勒维特在1912年发现的。

这是一种脉动星，它以标准亮度脉动。我们还可以使用某种类型的超新星。这些恒星在死亡时会爆炸。一种特殊的超新星在爆炸时总是以相同的亮度发光。

因此，存在被称为标准烛光的宇宙标尺。我们可以通过测量我们感知到的亮度来计算出它们的距离。我们可以通过观察光到达我们时有多红来计算出它们的移动速度。有了这两个数字，我们就可以计算出哈勃常数的值。

当哈勃第一次计算出最终以他名字命名的常数时，他将膨胀速度定为每百万秒差距约500公里/秒。多年来，随着天文学家改进他们的观测，这个值下降了。但随后，哈勃太空望远镜在1990年出现，以获得一个确定的数字。

哈勃太空望远镜的主要科学目标之一是最终解决这个问题。我们的宇宙膨胀速度有多快？他们对附近星系中的许多造父变星进行了非常详细的测量。他们使用了更远星系中爆炸的超新星。它完全成功了。或者至少我们当时这么认为。

但在2013年，欧洲航天局的普朗克卫星的数据打断了宇宙学家对哈勃常数的平静。

它一直在绘制宇宙微波背景辐射图，这是大爆炸遗留下来的残余物。如果你环顾整个天空，无论你朝哪个方向看，你都会看到这种非常微弱的微波波长发射。所以它告诉你宇宙在大爆炸之后的样子

大爆炸。宇宙学家利用普朗克卫星的数据，结合当前的宇宙理论模型，该模型由物质（也就是我们、恒星和星系）、暗物质（我们测量的但无法直接看到的奥秘引力）和

和暗能量（导致宇宙膨胀加速的无形力量）组成。模型和数据一起被用来预测宇宙今天膨胀的速度。这被称为膨胀率的间接测量，我们可以将其与使用标准烛光对膨胀率进行的直接测量进行比较。不幸的是，它们彼此不一致。

哈勃拍摄了晚期宇宙的令人难以置信的图像。普朗克收集了我们早期宇宙的精美数据集。两者都非常精确。

但它们产生的结果甚至没有接近。现在，72和67之间的差异听起来很小，但对宇宙学家来说，它具有非常大的意义。因此，宇宙的年龄，如果你将宇宙微波背景数据作为我们对宇宙的最佳理解，加上这个包含暗物质和暗能量的理论模型，那么宇宙的年龄为138亿年。

但是，如果你采用我们今天使用直接测量方法测量的哈勃膨胀率，那么我们的宇宙只有126亿岁。所以大约年轻了10亿年。♪

到底发生了什么？这种张力背后是什么？是测量出了问题？还是这种差异在于我们对宇宙的理论理解？我们在天文界有一个笑话，说我们社区里有一些可爱的退休教授，他们总是在我们的演讲中睡着。你可以做一个关于任何事情的天文学演讲，他们毫无疑问都会打瞌睡。

但他们总会在演讲结束时问，但是灰尘呢？或者，但是磁场呢？这些问题你可以问任何天文主题，因为灰尘和磁场总是让我们绊倒。事实证明，这是两个可能在这里发生的事情的答案。好的。那么灰尘呢？灰尘的问题。好的。

你的房子里有灰尘。宇宙中也有灰尘，这使得我们很难看到。当你看向宇宙更深处时，这些标准烛光真的是标准的吗？它们的光芒是否相同，或者它们是否被一层使我们难以看到它们的灰尘所笼罩？因此，我们误解了我们的观察结果。而且

这就是詹姆斯·韦伯太空望远镜应该来解救我们的地方。哈勃太空望远镜主要在光学波段工作，但有了詹姆斯·韦伯太空望远镜，我们可以使用红外线，这使我们能够透过灰尘进行观察。因此，你可以回顾更久远的时间，它也具有更高的分辨率。因此，当你寻找那些标准烛光，造父变星时，它们非常小，但是

因此，能够用JWST更清晰地看到这一点，使我们能够进行更精确的测量。他们发现哈勃的测量结果没有问题。因此，关于灰尘以及无法足够清晰地看到的问题是毫无根据的。哈勃太空望远镜的原始结果仍然成立。

所以可能不是灰尘。那些睡着的退休教授提出的另一个问题是什么？磁场。理论家们快疯了。有一些推测性论文是关于我们宇宙中的一些原始磁场，它在大爆炸后的早期阶段改变了宇宙。这就是为什么我们误解了我们对宇宙微波背景辐射所做的数据。

不仅仅是原始磁场。大量的推测性理论试图确定哈勃常数，并一劳永逸地结束这场危机。许多宇宙学家认为，问题确实在于我们对宇宙的基本理解。我认为目前真正领先的理论模型是所谓的早期暗能量。这是……

我们观察到的暗能量正在导致宇宙的膨胀日益加快。这种早期暗能量模型在宇宙的早期有一个额外的组成部分，它在宇宙早期给了宇宙一脚，这可以解释为什么今天预测的膨胀率与你观察到的膨胀率之间存在这种差异。

而之所以这个模型领先，是因为它也有助于解决JWST提出的另一个问题。JWST的红外视觉使我们能够回溯到最早的恒星和星系的诞生。它所看到的东西完全令人难以置信，因为这些巨大的星系永远存在。

在我们宇宙的非常早期，我们的模型说它们不应该有足够的时间形成。它们太大了，不应该在宇宙的早期就存在。如果你有这个额外的组成部分，这个早期暗能量，那么它就会改变早期宇宙，允许这些巨大的星系像我们看到的那样形成。如果我让你下注，

在你认为最有可能的你最喜欢的理论上，你是否会押注一些钱？哦，现在你看，我在爱丁堡大学的官方头衔是观测宇宙学教授。这绝对是我的立场。我是一个观察者。

所以我不会下注。我只是看看宇宙向我展示了什么。我经常担心，当我退休时，我会回顾我所做的关于暗物质和暗能量的所有工作，并嘲笑我花了我的整个职业生涯来研究这些不存在的黑暗实体。我真的希望不会发生这种情况。但是

它们确实解释了我们宇宙中的许多事情。它们完美地解释了宇宙微波背景辐射。它们解释了星系的分布和星系的形成方式。但是我们获得的数据越多，我们的设备越好，这个模型中出现的裂缝就越多。因为我们不知道这些黑暗实体是什么，你就会开始担心。

但我认为我们现在真的需要一个突破来解决这个问题。我们需要在理解暗物质领域取得突破。好吧，试图解开一个谜团并寻找突破听起来像是一项非常令人兴奋的任务。所以，凯瑟琳，非常感谢你。哦，不客气。危机仍在继续。再次感谢凯瑟琳·海曼斯教授。今天，我想请求你们的帮助。

卫报和观察家报2024年慈善募捐活动与三个慈善机构合作：无国界医生组织、战地儿童和平行历史，

以支持居住在加沙、黎巴嫩、苏丹和乌克兰的平民，因为他们正在努力应对战争的毁灭性影响。并帮助学校教孩子们了解敏感和有争议的冲突。要立即捐款，请访问theguardian.com/charityappeal2024。谢谢。本集由我玛德琳·芬利制作。声音设计由托尼·奥努丘库完成。执行制片人是埃莉·布雷。

我们将在周四回来。到时候见。

这是卫报。

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