宇宙膨脹率的誕生

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20世紀20年代，著名的天文學家埃德溫·哈勃發現了一件在科學歷史上絕對具有開創性的事情，這在人類歷史上是前所未有的。他發現我們的宇宙不是靜止的，它是活的，它是動態的，它在變化，而且它隨著時間在進化，最後他得出了一個驚人的結論：整個宇宙一直在不斷膨脹的變化中。

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換句話說，我們的宇宙每一秒都在變化，它在過去是不同的，將來也將是不同的。這種差異是由於擴張造成的。隨著時間的推移，星系離我們越來越遠，彼此也越來越遠。我們生活在一個膨脹的宇宙中，從宇宙大爆炸開始，整個宇宙在不斷膨脹，星系彼此之間的分離運動也是膨脹的一部份，而不是由於任何斥力的作用。但是它的擴張到底有多快呢?天文學家們正在努力尋找這個答案，但是不同的技術或者思路得出了不同的結果，而解決這個問題的方法可能會以全新的物理形式出現。但一個事實就是“宇宙膨脹率”這道世紀難題始終困擾著現在的科學家！即便計算無數次，到現在仍然卻束手無策！

從廣義相對論中理解宇宙膨脹率

為什麼宇宙膨脹率會這麼難確定呢？首先我們通過愛因斯坦的廣義相對論來理解宇宙的膨脹。這也是我們理解上述宇宙中所有引力相互作用的方式。愛因斯坦的廣義相對論理論在天體物理學中有著非常重要的應用，它是一種描寫物質間引力相互作用的理論，廣義相對論適用於包括非慣性系在內的一切參考系，它的時空背景是彎曲的黎曼時空。廣義相對論把你在空間中擁有的東西的數量和種類與那個空間的變形聯繫起來，隨後它產生了彎曲、摺疊空間的表象。然後這些時空幾何結構的變化告訴了我們所有的東西都在運動。

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由於宇宙是由物質構成的，因此它受到廣義相對論的約束。同理，在大尺度上的物質數量和種類可以反映出時空如何在同樣的大尺度上彎曲，而時空的彎曲告訴所有物質如何移動。所以宇宙的成分會影響膨脹率。實際上在宇宙歷史的不同時期有著不同的組成部分，宇宙是由很多東西組成的，比如普通物質、輻射、暗物質和暗能量。在過去的138億年裡，其中一些成分佔據了主導地位，科學家猜測它們是影響那個特定時期膨脹率的關鍵因素。

廣義相對論的表達式：R_uv-1/2×R×g_uv=κ×T_uv。有興趣的朋友可以去網上查閱更詳細的資料加以理解。

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而廣義相對論的方程給了我們一種線索讓我們從宇宙時間的某一時刻的成分探索到到當時的膨脹率，反之亦然，讓我們從當時的膨脹率探索到宇宙成分。這就是這個方程的神奇之處:它們在等號的兩個方向上互相運動。這意味著宇宙學家可以直接測量膨脹率，或者直接測量成分並計算膨脹率。

宇宙成分的測量：宇宙微波背景

那麼問題又來了：宇宙成分要怎麼測量呢？科學家曾表示測量宇宙成分最好的工具之一是宇宙微波背景。這是宇宙38萬年前的殘留輻射。這是一幅真實的宇宙“嬰兒”畫像。那束光很久以前就開始了漫長的旅程了，它一直在太空中航行，直到它被我們的探測器所觀測到，比如歐洲的普朗克衛星，幾年前它非常精確地測量了宇宙微波背景。

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從這幅圖中，我們可以精確地測量宇宙的成分。多少正常物質，多少暗物質，多少中微子，多少輻射等等。有了這些成分在手，我們就可以把它們代入廣義相對論，告訴我們宇宙的一些動作和行為。然後我們可以把時間往前撥，從宇宙微波背景輻射的發射，穿越138億年的歷史，直到今天，並預測現在的膨脹率。

宇宙微波背景的好處是它是一個非常乾淨的數據集，並且有豐富的觀測數據，這是一個非常有價值的線索。雖然它給了我們一個非常精確的宇宙早期時期的圖像，但我們必須使用模型來與預測和理解宇宙長大是什麼樣子的。這種方法被大多數的科學家所接受，所以它給出的今天膨脹率的數字理論上應該是非常準確的。但遺憾的是它也與其他測量不一致，這是一個令科學家頭疼的問題。

通過1A型超新星測量膨脹率

科學家還有一種方法可以直接測量膨脹率，那就是通過1A型超新星來測量，這是一種宇宙中災難性的爆炸。首先，1A型超新星非常明亮，我們可以在數十億光年之外就可以觀測它們。其次，它們並不罕見，所以我們可以看到它們很頻繁地出現。第三，我們有辦法估算它們的真實亮度，我們可以把它與我們在天空中看到的亮度進行比較，然後用它來計算距離。最後，通過觀察超新星所在星系的紅移，我們可以建立距離和遠離我們的速度之間的關係。這就是膨脹率，也就是哈勃常數。

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超新星測量的優點是跳過了廣義相對論的所有繁瑣的過程，直接測量我們所需要的的東西，簡單理解為：超新星測量是直接拿尺子測量物體的長度，而廣義相對論是通過大量的計算得出它的長度，所以超新星測量比較簡單粗暴。雖然1A型超新星可以比較直接地提供測量數據，但它們並不完美。它們並不像我們希望的那樣標準和可靠，這意味著我們仍然需要大量的觀測才能準確計算出它們的距離。

到現在為止，科學家用盡了一切方法測量，但是他們得到的數字始終比宇宙微波背景輻射預測的數字要高。雖然差距不大，僅僅只有幾個百分點，但是科學是嚴謹地，更何況是在一個超級龐大的宇宙尺度上研究，因此把這些誤差放大來看仍然大得驚人。

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早前年間宇宙學家以前就遇到過這種棘手的問題，在80年代和90年代，一些天文學家預測哈勃的膨脹是其他預測的兩倍。隨著我們對宇宙的瞭解越來越多，這些離譜的的數字開始下降，而一些預測過低地的數字開始上升，最後它們逐漸靠近，但是仍然不是精確值。而且科學家不得不承認將來會有更多的數據產生，但是誰也不知道什麼時候才能得到最終的一個值，也許是明天，也許是永遠。

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到如今，廣義相對論本身是相當完美的，特別是最近由一顆中子星合併的基洛諾娃(kilonova)所提供的數據，幾乎粉碎了一切想要推翻或者愛因斯坦的理論。這意味著我們必須研究宇宙中的成分，而不是配方本身，來找出罪魁禍首，這裡的一個關鍵未知因素就是暗能量的本質。

暗能量

當宇宙微波背景輻射產生的時候，暗能量可能就已經存在，但是科學家猜測當時它並沒有足夠的存在來影響宇宙的發展，直到今天它已經成為了宇宙的中堅力量，統治著我們的宇宙並加速我們的擴張。如果我們假設暗能量一直都是一樣恆定不變的，那麼我們就得到了我們所觀察到的差異原因。如果暗能量的性質隨時間變化，那麼我們就可以解釋測量的不同。但是一旦我們這樣做，預測模型變得更加不確定，當然我們也沒有足夠的證據來證明暗能量。

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確實，這是一件有點可笑的事情，但是這是事實。那就是我們根本不知道暗能量是什麼，更遑論我們會知道它是否真的隨著時間而改變。在這種情況下，我們能做的只有或者必須超越我們目前對基礎物理的理解。我們不得不再繼續摸索幾十年甚至上班，可能才會觸及到它的門檻！無論如何，時間會告訴我們答案！

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