編譯 瞿立建

宇宙注定走向滅亡還是保持永恒？取決于哈勃常數(shù)的數(shù)值。

是什么決定了我們的命運？對于希臘斯多葛學派哲學家來說，人的命天注定。對于像亨利·梭羅（Henry David Thoreau）這樣的先驗論者來說，我命由我不由天。對現(xiàn)代宇宙學家來說，命運完全是另外一回事：一個攸關萬物、與人無關的物理過程，可以歸結為一個重要數(shù)字——“哈勃常數(shù)”。

哈勃常數(shù)可以簡單地定義為宇宙膨脹的速度，即星系互相遠離的速度。用科學術語來說，哈勃常數(shù)的單位是千米/（ 秒·百萬秒差距），但宇宙學家很少以這種拗口的方式談論它，他們通常略去單位，把它當作一個純粹的數(shù)字來討論。

根據(jù)宇宙現(xiàn)在的膨脹速度向過去推算，所有星系都有一個共同的起點——大爆炸，因此宇宙的年齡是有限的。向未來推算，宇宙會呈現(xiàn)出兩種截然相反的結局，要么一直擴張下去，將能量都耗散掉，要么收縮回來，將一切秩序抹掉，再重新開始擴張。

埃德溫?哈勃1889年11月20日—1953年9月28日美國著名的天文學家，星系天文學之父，發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹的第一個有力證據(jù)

哈勃常數(shù)這個小小的數(shù)字寄托著人類關于宇宙命運的情感思緒和智力探索。哈勃常數(shù)以美國天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Powell Hubble）的名字命名。哈勃在1929年發(fā)表了第一個關于宇宙膨脹的有力證據(jù)。自那以來的90年里，對哈勃常數(shù)的回顧和展望一直引發(fā)著爭議。

20世紀30年代，宇宙學家計算出哈勃常數(shù)為500，并對其意義進行了激烈的爭論。

最近，對哈勃常數(shù)的爭議又呈現(xiàn)出新面貌。隨著對宇宙膨脹速度的精密測量技術越來越高級，不同的技術卻得到不同的測量結果，67或73。這讓宇宙學家懷疑，從大爆炸到今天的宇宙演化過程的模型中是否遺漏了某些重要因素。

人們希望，對這個數(shù)字有足夠精確的定量分析，以回答有關人類在宇宙秩序中地位的問題。我們是一個慢慢消逝的現(xiàn)實的一部分，還是正處在永恒中的一個瞬間？哈勃常數(shù)可以告訴我們答案。

現(xiàn)在，讓我們走近這個有魔力的意義重大的數(shù)字。

令哈勃常數(shù)等于0

科學家們開始對哈勃常數(shù)著迷的時候，這個數(shù)字還沒有得到任何測量——甚至還沒有明確的證據(jù)表明它是真實存在的。

最早的空間擴張跡象根本不是來自于觀測，而是來自于理論，即愛因斯坦1915年完成的廣義相對論，該理論描述了引力的本質及其對空間和時間的影響。兩年后，愛因斯坦發(fā)表了一篇大膽的論文，用他的新理論描述整個宇宙，從而走到了自己學術生涯的巔峰。

根據(jù)當時流行的天文學知識，愛因斯坦認為宇宙是靜止的、永恒的，這種觀念可以追溯到亞里士多德。亞里士多德認為宇宙是由嵌套的完美的水晶球構成的。

然而，相對論描寫出一個靜止的宇宙是不容易的。引力會使空間收縮，要避免這種狀況，有兩個選擇，或宇宙作為一個整體在膨脹，或存在某種抵抗引力的排斥力。

愛因斯坦為得到一個靜止的宇宙，給他的方程加上了一個宇宙學常數(shù)Λ。方程的左邊描述時空的幾何，方程的右邊是宇宙里的物質

愛因斯坦選擇了第二個解決方案，在他的方程里額外添加了一項，用希臘字母Λ表示。本質上，Λ是假設出的一種力，它能精確地抵消引力，使宇宙保持平衡。即愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了一種將哈勃常數(shù)設定為零的方法，至少他是這么想的。

愛因斯坦的論文發(fā)表不久，愛因斯坦的朋友、荷蘭物理學家和天文學家威廉·德西特（Willem de Sitter）求解了一下愛因斯坦方程。德西特求解的是一種特殊情形，一個空的宇宙，即沒有物質，只有正的宇宙常數(shù)，也就是說，令圖中方程的右邊等于零。直覺上，沒有物質的宇宙，時空不會有彎曲。令他驚訝的是，空宇宙的時空是彎曲的。向空宇宙中放一點點物質，比如幾個原子，物質會飛散開去，也就是說，他得到一個膨脹的宇宙。但是，德西特認為自己得到的結果是假象，畢竟空宇宙根本不存在。

蘇聯(lián)物理學家和氣象學家亞歷山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）更進一步，讓靜止的宇宙變成運動不休的宇宙。他對德西特的解做了更清晰的闡釋，表明從愛因斯坦的方程中可解出好多種宇宙：膨脹的宇宙，收縮的宇宙，甚至振蕩的宇宙。天文學家都清楚，恒星和行星會隨著時間演化。弗里德曼的研究暗示，宇宙作為一個整體也是可以演化的。

愛因斯坦一開始不認可弗里德曼的結果，說他算錯了，但第二年他不好意思地承認是自己算錯了。愛因斯坦在論文中寫道:“弗里德曼先生的結果是正確的，并對宇宙進行了全新的闡述?！睈垡蛩固乖瓌t上接受了宇宙膨脹的概念。

歷史上第一次，弗里德曼為宇宙的年齡設定了一個時間標尺，提出了宇宙可能有一個可測量的起點。

威廉?德西特1872年5月6日—1934年11月20日荷蘭物理學家和天文學家，他求解愛因斯坦的方程，得到一個膨脹的宇宙

亞歷山大?弗里德曼1888年6月16日—1925年9月16日蘇聯(lián)數(shù)學家、氣象學家、宇宙學家。1922年求解愛因斯坦方程，提出宇宙運動不休的觀點

維斯托?斯里弗1875年11月11日—1969年11月8日美國天文學家，觀測到宇宙膨脹的第一人

喬治?勒梅特1894年7月17日—1966年6月20日比利時宇宙學家、牧師。用宇宙膨脹解釋星系退行現(xiàn)象的第一人

弗里德曼在1924年的一篇論文中有一個段落鮮有人注意，他提出一種周期性膨脹和收縮的振蕩宇宙，膨脹階段持續(xù)100億年左右，這一數(shù)值與當前對宇宙年齡的估算——138億年——非常接近。

我們無法知道弗里德曼能將他的理論見解推進多遠。他于1925年英年早逝，享年僅37歲，死因可能是在一次高空氣球實驗中感染而惡化的肺炎。

那時，天文學家們已經(jīng)開始發(fā)現(xiàn)一些模糊的跡象，表明星系似乎正在向各個方向遠離我們，這暗示著哈勃常數(shù)在起作用。

哈勃常數(shù)為500？

在美國亞利桑那州的洛厄爾天文臺，天文學家維斯托·斯里弗（Vesto Melvin Slipher）自1909年以來一直在仔細觀察他所稱的“螺旋星云”（現(xiàn)在叫作螺旋星系）。他發(fā)現(xiàn)它們正在以驚人的速度運動，且?guī)缀醵荚谶h離我們。更令人驚訝的是，顏色較暗的恒星通常比顏色較亮的恒星運動得更快。

這種模式是宇宙膨脹的一個跡象：如果空間各處等速膨脹，越遠的天體遠離觀察者的速度就越高。

到1914年，斯里弗已經(jīng)仔細觀測了15個螺旋天體，其中有11個正在迅速遠離地球。當年8月，他在美國天文學會的一次會議上宣講自己的研究結果，全場起立為他鼓掌。但是，洛厄爾天文臺的24英寸（約0.6米）折射望遠鏡的觀察能力太有限了，他無法繼續(xù)推進這項研究。斯里弗的宇宙學研究結束了，他的名字也逐漸湮沒無聞。

又過了10年，斯里弗開辟的道路才有了后來人——比利時牧師、天文學家喬治·勒梅特（Georges Lemaitre）。

受德西特工作的啟發(fā)，勒梅特在理論上提出，宇宙開始于一次大爆炸。他很快就意識到這個想法有實證支持。

1927年，他對斯里弗的測量數(shù)據(jù)進行了新的分析，并將其與最新的研究結果結合起來，得出了哈勃常數(shù)的第一個測量結果：575。

勒梅特將他的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在一份不知名的比利時期刊上，當時沒有受到什么關注。直到最近，科學史家才開始認識到勒梅特的貢獻有多大，并提出宇宙膨脹論忽略他的名字是不對的。

2018年，國際天文聯(lián)合會投票決定將哈勃定律（內容為星系的退行速度與它們和地球的距離成正比，比例系數(shù)即為哈勃常數(shù)）更名為哈勃-勒梅特定律。

埃德溫·哈勃以前所未有的觀測結果在宇宙學中占有一席之地，現(xiàn)代所有關于宇宙起源和命運的討論中都會提及他的名字。他取得這樣的成就，部分歸功于哈勃自己，部分歸功于哈勃的設備。

哈勃是一位雄心勃勃、工作勤奮的天文觀測學家，一生致力于探索他所謂的“星云王國”。哈勃在第一次世界大戰(zhàn)中被征召入伍，退伍后，他在加利福尼亞州帕薩迪納市的威爾遜山天文臺工作，那里有一種非同尋常的新儀器——胡克望遠鏡。

胡克望遠鏡是商人約翰·胡克（John Hooker）和實業(yè)家兼慈善家安德魯·卡內基（Andrew Carnegie）資助建設的，是當時世界上最大的望遠鏡，口徑100英寸（2.5 米）。它是美國迅速增長的財富和科學聲望的象征，使歐洲的大天文臺黯然失色。

哈勃和胡克望遠鏡是完美拍檔，合力將大自然的哲學奧秘轉化為冷靜硬核的數(shù)字。哈勃通過望遠鏡對準遙遠的星系，觀察到一種獨特的閃爍的恒星，稱為造父變星。通過造父變星亮度變化的周期和亮度，可以算出它距離我們有多遠。

哈勃在胡克望遠鏡的加持下，大大超越了斯里弗和勒梅特，成為宇宙制圖師。

1929年，哈勃發(fā)表了觀測結果。他對46個不同的星系進行了觀測，不僅證實了距離我們越遠的星系遠離的速度比離我們越近的星系快，而且他還證明了星系退行的速度與它們到地球的距離成正比。這呼應了斯里弗的測量結果，暗示著宇宙在膨脹。

這篇論文的最大亮點是一幅用不可磨滅的數(shù)據(jù)點描繪出哈勃定律（現(xiàn)在稱為哈勃-勒梅特爾定律）的圖。通過這些點繪制的線顯示出天體距離和速度之間的線性關系。從圖中很容易看出哈勃常數(shù)的值：500。

宇宙動起來了，科學、哲學和神學也隨之而動。

哈勃沒有討論沿著他的圖往回追溯意味著什么，回到過去，所有的星系一定相距更近；展望未來，一切星系都將更加遠離。哈勃只想做一個客觀的觀察者，他謹慎地提到了“表觀速度”，并回避對其更深層次含義的推斷。

哈勃在論文最后部分的討論中只是粗略地提到了最近的宇宙學模型，指出他觀測的結果可能與德西特預言的效應一致。

與哈勃的謹慎不同，理論家們激進得多，大部分理論家拋棄了愛因斯坦的靜態(tài)宇宙，但用什么取而代之，誰也沒有方案。

1931年2月4日，愛因斯坦訪問威爾遜山天文臺，對哈勃的觀測心服口服。參觀之后，在擠滿記者的新聞發(fā)布會上，愛因斯坦正式宣布放棄靜態(tài)宇宙論，支持宇宙膨脹論。然后他瞥了一眼手表（他像往常一樣要遲到了），露出他標志性夢幻般的微笑，沖出房間，把記者們的連珠提問拋諸腦后。

1931年9月29日，英國召開了一場關于“宇宙演化”的會議，會議圍繞“哈勃常數(shù)”進行了白熱化的爭論。就在幾年前，這個話題還會被斥為胡思亂想、胡言亂語。

這場熱鬧的會議吸引了來自相對論和天文學交叉領域的著名人士，包括愛丁頓（Eddington）、德西特和勒梅特。參加會議的人太多了，會議組織者不得不增開了一個會議廳，用一組擴音器對主會場學術報告進行音頻直播。

會議的首要任務是：掌握哈勃常數(shù)的字面意義。

來自加州理工學院的物理學家弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）扮演了牛虻的角色，他拒絕接受哈勃常數(shù)。他認為哈勃的觀測結果所揭示的不是宇宙膨脹，而是一個先前未知的物理過程將遠處的天體的光拉伸了。

牛津大學的愛德華·埃米爾恩（Edward A. Milne）提出另一種保守觀點：一個星系群中，各星系以不同的速度在運動，很自然，遠處的星系運動得快，近處的星系運動得慢，這就能解釋哈勃所觀測到的現(xiàn)象。

如果茲威基和埃米爾恩是正確的，那么個別恒星和星系的演化可能與宇宙的年齡和演化無關，那么，宇宙永恒依然可期。

在會場上，茲威基和埃米爾恩是絕對的少數(shù)派，大多數(shù)與會者已經(jīng)接受了宇宙膨脹論。對這一群科學家來說，真正的問題是，宇宙膨脹對我們的起源和命運意味著什么。

勒梅特給出了最具戲劇性的解釋，他提出宇宙開始于一次爆炸，宇宙是從一個原初原子爆炸出的煙花。宇宙有一個清晰、具體的開端，這個開端距今有多久？按哈勃常數(shù)為500來推算，宇宙大約開始于20億年前。宇宙比地球年齡還要年輕！對這個結論，理論學家們覺得有點尷尬。

1931年2月4日，愛因斯坦訪問威爾遜山天文臺。愛因斯坦（左）在哈勃（中）的陪同下使用胡克望遠鏡，訪問之后，愛因斯坦放棄靜態(tài)宇宙論，支持宇宙膨脹論

愛因斯坦和德西特更傾向振蕩宇宙論，即宇宙周期性地膨脹和收縮。德西特認為，宇宙在膨脹之后會無限收縮，宇宙依然是永恒的，并能不斷重生。

即便承認振蕩宇宙論，當前擴張階段已經(jīng)持續(xù)了多長時間仍然是個需要思考和回答的問題。加州理工學院的物理學家理查德·托爾曼（Richard Tolman）分析了“振蕩宇宙”模型，并計算出當前的膨脹階段已經(jīng)持續(xù)了12.4億年。一個明顯不靠譜的數(shù)字。

理論學家激烈爭議宇宙年齡的時候，觀測天文學家卻對這個問題興趣不大，認為這不過是形而上學的推測。宇宙學家全面接受哈勃常數(shù)攸關宇宙創(chuàng)世的時刻這一觀點，還要再等三十年的時間，等待兩項重大突破的沖擊。

哈勃論文中的數(shù)據(jù)圖，顯示出天體距離和速度之間的線性關系

沃爾特?巴德1893年3月24日—1960年6月25日德國天文學家，在美國度過了大部分科研生涯

哈勃常數(shù)為67還是73？

第一個突破發(fā)生在1952年，是由哈勃在威爾遜山天文臺的同事沃爾特·巴德（Wilhelm Heinrich Walter Baade）取得的。

第二次世界大戰(zhàn)期間，為了阻止日本偷襲美國西海岸，加利福尼亞州實行燈火管制，這對生活很不便，但對天文觀測真是神助攻。漆黑的加利福尼亞天空使巴德得以對仙女座星系的恒星進行精確觀測。他發(fā)現(xiàn)哈勃的觀測結果有一個錯誤，這個錯誤導致對宇宙時間尺度的所有估計都是錯的。

巴德確定了造父變星——哈勃用來確定離遙遠星系距離的那些閃爍的恒星——有兩種，一種比較亮，一種較暗淡。哈勃認為他觀測到的是暗淡的那種，而實際上，他觀測的是明亮的那種，所以，哈勃把星系之間的距離算小了。

1952年，在羅馬舉行的國際天文學聯(lián)合會會議上，巴德的報告令與會者無比震驚：哈勃把星系距離少算一半，即哈勃常數(shù)多算一半，宇宙的年齡應是先前估算的兩倍多。

宇宙年齡終于比地球年齡大了。

在接下來的幾年里，哈勃的學生艾倫·桑德奇（Allan Sandage）用加利福尼亞州帕洛瑪山上的200英寸（約5.08米）海爾望遠鏡觀測，不斷地向下修正哈勃常數(shù)的值，向上修正宇宙的年齡。他在1958年的觀測數(shù)據(jù)表明，宇宙很可能有130億年的歷史。宇宙的年齡遠遠超過地球的年齡，化解了理論宇宙學家的尷尬。

另一個突破來自新澤西州霍爾姆德爾貝爾實驗室的兩位年輕的天文學家。

1963年，阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）在修理一個喇叭狀的無線電波收集器時，遇到了一個奇怪的問題。他們的天線里有一種持續(xù)不斷的噪音，就好像接收到持續(xù)不斷的微波嘶嘶聲。不管他們怎么清潔它或把它指向哪里，噪音一直頑固存在。

這種奇怪的現(xiàn)象引起了普林斯頓大學物理學家羅伯特·迪克（Robert Dicke）的注意，他一直在哀嘆宇宙學“觀測基礎太少，以至于哲學思考即使不是主導作用，也仍然起著至關重要的作用”。現(xiàn)在他意識到，貝爾實驗室的研究人員的這個偶然發(fā)現(xiàn)可能會打破這種現(xiàn)狀。

勒梅特的煙花宇宙概念問世后的30年里，其他研究人員已經(jīng)把這個概念發(fā)展成了大爆炸理論，一個關于宇宙如何從一個炎熱、稠密的開端演變成我們今天看到的不斷變冷、膨脹的宇宙的細致理論。大爆炸理論把哈勃常數(shù)從一個描述現(xiàn)代宇宙的數(shù)字翻譯成了一個解釋宇宙起源的故事。大爆炸所缺少的是任何能把它完全拉出形而上學領域的有力的觀測支持。

彭齊亞斯和威爾遜接收到的無線電噪音，現(xiàn)在被稱為“宇宙微波背景”，提供了這種支持。

它與理論預測的大爆炸剩余能量在今天應該呈現(xiàn)出的樣子非常吻合。與大爆炸相競爭的振蕩宇宙模型——那時被稱為“穩(wěn)態(tài)”宇宙學——不能解釋微波背景。

許多其他的證據(jù)使科學界的觀點傾向于大爆炸，但彭齊亞斯和威爾遜完成了最后一擊。

穩(wěn)態(tài)宇宙論者越來越被視為守舊者，固守著過時的亞里士多德式的宇宙秩序。

哈勃常數(shù)、宇宙的年齡和宇宙的起源三者緊密交織在一起。

宇宙大爆炸理論取得勝利之后，關于哈勃常數(shù)的爭論并沒有消失，但是在接下來的30年里，它僅僅變成了一系列關于數(shù)據(jù)的爭論。

在20世紀70年代和80年代，艾倫·桑德奇和他的支持者信心十足地報告了一個比較小的哈勃常數(shù)——50，這表明宇宙有200億年的歷史。其他研究人員也同樣有把握地說哈勃常數(shù)是100，宇宙的年齡是100億年。最終，哈勃——不是天文學家哈勃，是哈勃太空望遠鏡——解決了爭端，它說以上全錯，哈勃常數(shù)在50～100之間。

宇宙膨脹不僅可洞察宇宙的過去，更令人震驚的是，還可以預測宇宙的未來。

阿諾?彭齊亞斯和羅伯特?威爾遜獲得諾貝爾獎后，在幫助他們贏得諾貝爾獎的天線前合影

哈勃常數(shù)雖然叫常數(shù)，但實際上不是常數(shù)。星系相互之間的萬有引力會對抗空間的膨脹，會使空間膨脹慢下來，即哈勃常數(shù)會隨時間變小。20世紀90年代，天文學家開始測量這種減速，這將是一種給整個宇宙稱重的方法：宇宙膨脹加速度減小越快，說明宇宙中的物質就越多。

兩個大型研究團隊開發(fā)了新的觀測技術（其實是20世紀20年代埃德溫·哈勃采用方法的極端加強版），并于1998年公布了他們的結果。出乎所有人預料，宇宙的膨脹并沒有減慢，反而在加速，即哈勃常數(shù)在增大。

這好奇怪，唯一能想到的解釋是，宇宙中存在某種尚不為我們所知的能量，使物質之間有“萬有斥力”。宇宙學家把它稱為“暗能量”。

盡管沒有人確切知道暗能量是什么，但它為這兩個團隊的領導人贏得了2011年的諾貝爾獎：勞倫斯伯克利國家實驗室的索爾·珀爾馬特（Saul Perlmutter）、澳大利亞國立大學的布萊恩·施密特（Brian Schmidt）和約翰霍普金斯大學的亞當·里斯（Adam Riess）。

在那之前，宇宙似乎有兩種可能的未來，一是永遠擴張，越來越慢，但永不停止，走向永生；或者是最終停下來，逆轉方向，開始大收縮，將自己毀滅，走向死亡。

暗能量給宇宙一個不同的未來。如果宇宙加速不受控制地繼續(xù)下去，哈勃常數(shù)就會越來越大，空間也會越來越大。最終，它將使星系相距越來越遠，使恒星相距越來越遠，也許甚至會撕裂所有的原子。宇宙將永恒，但同時又是虛無。

然而，這很難說這就是我們宇宙命運的最后定論。宇宙學家相信更多的線索隱藏在哈勃常數(shù)中。例如，暗能量可能會隨著時間的推移而改變，在這種情況下，宇宙未來的進程可能會轉向一個非常不同的方向，甚至是一個創(chuàng)造和毀滅的循環(huán)。

就在過去的幾年里，哈勃常數(shù)再起爭議，暗示暗能量可能不止一種，對宇宙的演化不止產生一種影響。

按照埃德溫·哈勃的方法，里斯和他的同事們正在觀測鄰近星系中的恒星，以測量哈勃常數(shù)，他們雄心勃勃的目標是將這個數(shù)字的精度控制在1%以內。里斯的測量結果鎖定在73這個數(shù)上。哈勃常數(shù)還可以通過宇宙微波背景的精妙圖案測量。歐洲發(fā)射的普朗克太空望遠鏡利用這種方法給出的答案看起來同樣精確：67。這點差別，以歷史標準來看微不足道，但卻令宇宙學家不安，宇宙學家稱之為哈勃張力。

嚴格地說，雙方測量的不是同一件事。里斯觀測的是地球周圍的宇宙在相對現(xiàn)代時期的膨脹。普朗克望遠鏡測量的是大爆炸發(fā)生后不久宇宙的膨脹，然后再推算出哈勃常數(shù)的現(xiàn)代值。

調和兩者的一種方法是假設宇宙早期的膨脹速度比預期的略快。解決哈勃常數(shù)爭議，需要更精密的測量。

未完待續(xù)

美國上馬了一項名為暗能量光譜儀（DESI）的項目，于2019年10月22日完成了“第一束光”的觀測，將在接下來的五年間，對哈勃常數(shù)和暗能量進行全面全新測量。2022年，歐洲空間局（ESA）將發(fā)射歐幾里得太空望遠鏡，在太空“測量宇宙在過去100億年里的膨脹”。

沒有人知道這些項目會發(fā)現(xiàn)什么，但有兩點是肯定的：新的觀測結果為宇宙學家講述宇宙如何開始和如何終結的故事提供素材。不管宇宙學家的故事如何，他們都會設法給故事釘上一個數(shù)字。