宇宙常数的测算错了吗？

一开始，整个太空都像钟声一样响起。

这是大爆炸的直接后果，宇宙充满了炽热的等离子体——一种由粒子和辐射组成的高能离子。尽管等离子体非常光滑，但并不是完全光滑。加州大学戴维斯分校(University of California, Davis)的宇宙学家Lloyd Knox说，有轻微的密度和压力梯度推动着物质四处移动，“当物质被推动时，这些就是声波。”

这种响声无处不在，如此强烈，以至于138亿年后我们仍然能感觉到。它是在宇宙微波背景辐射中直接探测到的，宇宙微波背景辐射是大爆炸逐渐消退的火球留下的余辉，并且通过与研究太阳结构相同的基本物理原理对它进行了仔细分析。事实上，原始混响被很好地测量和建模，以至于它被用来推断宇宙膨胀的精确速度，这个数字被称为哈勃常数。反过来，这个常数是我们现代理解宇宙大小、年龄和结构的基石。

但这种表面上的胜利最近却使诺克斯和他的同事陷入了争议和困惑。如果宇宙学家关于宇宙的主流理论是正确的，那么现代所有计算哈勃常数的方法都应该给出相同的答案。从古代声波中推断出的值应该与对遥远恒星和星系的光的独立研究得出的值完全吻合。实际上，一系列研究表明，这两种方法产生了令人烦恼的分歧——研究人员越努力地研究这个问题，冲突似乎就越明确。

一种可能是有人做错了。然而，随着证据的积累，诺克斯开始接受另一种可能性:错误不在于他的同事，而在于宇宙本身。如果是这样，弄清楚为什么太空没有像他们预期的那样响，可能会让宇宙学家发现以前未知的物理学，可能会揭示现实的一个全新方面。诺克斯和他的合著者在《天体物理学杂志》上的一项新研究中探索了这种诱人的可能性。“在过去的两年里，”他说，“我已经从思考‘他们一定做错了什么’转变为思考‘哇，也许他们什么都没做错。“也许这就是我一直在等待的线索!”

在他们的论文中，诺克斯和他的同事把注意力集中在声音视界上，这是宇宙学家研究早期宇宙的一个模糊但至关重要的方面。大爆炸之后，由光和物质混合产生的声波在充满等离子体的高温宇宙中自由传播。大约38万年后，物质冷却到足以形成原子，与光分离并抑制声波。突然，铃声停止了，在逃逸的光中留下了最后的、凝固的波的图案，这就是我们今天在宇宙微波背景中看到的。

声视界决定了最终波的大小。“当等离子体消失时，声音干扰会传播多远?”这个距离就是声视界，”诺克斯说。

正如你可以凭直觉从钟的鸣响方式判断钟的品质(一个小的玻璃钟和一个大的黄铜钟的声音完全不同)，研究人员可以从微波背景中记录的声音推断出宇宙的精确性质。这就是为什么他们可以自信地宣布宇宙由4.8%的普通物质，26%的看不见的被称为暗物质的物质和69%的暗能量组成，暗能量是一种神秘的反引力，可以将真空拉开。对于我们的故事来说，更重要的是，这也是他们可以高精度地推导出宇宙膨胀率的一种方式。

2015年，由剑桥大学George Efstathiou领导的一个团队对欧洲航天局普朗克航天器的微波测量数据进行了分析，揭示了宇宙的重要统计数据。他们的结果表明，宇宙正以每秒67.8公里/百万秒差距(“百万秒差距”是距离单位，相当于326万光年)的速度膨胀。宇宙学家通常会把这个问题放在最后，简单地说哈勃常数在67到68之间。

与此同时，一些相互竞争的天文学家团体一直在用一种截然不同的方式研究宇宙的膨胀，他们寻找距离已知的变星或超新星爆炸，然后直接测量它们远离我们的速度。这种“距离阶梯”方法比听起来更棘手。计算数百万光年的距离是一项微妙而耗时的任务，有可能出现多种系统误差。如果一颗恒星的位置搞错了，整个计算就会出错。

“每次你提高精度，你都必须在系统方面达到一个新的水平。这就是让我夜不能寐的原因，”芝加哥大学的温迪·弗里德曼(Wendy Freedman)说，她在哈勃常数问题上研究了30多年。通过对不确定性的不断研究和对变星的最新观测，她的研究小组得出了这个常数的高精度答案:73.2——这就是争议所在。她说:“这两个数字在10%以内达成一致，这是一个惊人的进步。”但粗略的协议已经不够了。“误差条肯定不会重叠，也没有什么明显的因素可能导致差异。”为了找出任何不明显的问题，她正在开发一种以红巨星为参考点的新型距离测量方法。与此同时，她正在进行一项双盲实验，以重新分析所有现有数据的偏见和错误。

双方的宇宙学家也在寻求外部团体的指导。到目前为止，这些裁判只是加深了谜团。加州大学洛杉矶分校(University of California, Los Angeles)的一项研究观察了光线如何被遥远的星系弯曲，得出的哈勃常数为72.5，接近距离阶梯的结果。与此同时，一项同样令人信服的关于原始声波如何影响现代宇宙中星系分布的研究给出了一个常数——你猜对了——67。基于声视界的哈勃常数的计算结果总是比基于恒星和星系的观测得出的结果要低——没有人知道为什么。

只有一种情况下，所有的测量结果都是正确的，那就是科学家对这些测量结果的解释出了问题。诺克斯指出，我们所知道的关于声视界起源的一切都依赖于一个理论模型，该模型描述了宇宙在它看不见的最初38万年里的行为。如果模型是错误的，声音视界的大小与他们预测的不同，这种调整将改变由此得出的所有数字，包括哈勃常数。诺克斯说:“如果有一个宇宙学的解决方案，它必须是一个导致更小的声音视界的解决方案。”只要把它缩小7%，所有的研究结果就皆大欢喜了。问题是，根本不清楚是什么原因导致了这种萎缩。在几乎所有其他方面，模型和观测结果都非常吻合。

“真的很难想出一个能完美解释一切的答案。它必须是复杂的东西，因为我们已经尝试了所有简单的东西，”马里乌斯·米勒说，他是伯克利宇宙物理中心的研究员，也是诺克斯的合作者之一。他指出，要勾出那些行不通的东西要容易得多:未被发现的中微子?不。光子之间的新型相互作用?嗯。它们都与数据相冲突。

在诺克斯看来，最有说服力的解释是，非常早期的宇宙膨胀速度比预期的要快一些。如果是这样的话，它会更快地冷却，并更快地将声音视界冻结在适当的位置。那么声音视界就会比理论学家在他们的模型中插入的声音视界要小，问题就解决了!或者更确切地说，这个问题又被推迟了，因为现在你需要一些解释，来解释是什么让早期的宇宙起飞得更快。

诺克斯有他的怀疑。他说:“这可能会给我们带来‘暗区’的新成分。”暗区是宇宙学家对宇宙中不以任何方式与辐射相互作用的不可见成分的统称。研究人员已经用暗物质来解释星系运动，用暗能量来解释宇宙的加速膨胀。诺克斯认为，哈勃常数的不同测量结果可能是第三种黑暗成分存在的第一个迹象——也许是一个“黑暗涡轮”，它增加了早期宇宙的能量，加速了宇宙的膨胀，改变了宇宙声音的音调。一种相关的可能性是暗能量有不止一种形式，或者以复杂的方式随时间变化。最近，美国宇航局的钱德拉X射线天文台对1598个遥远的类星体进行了研究，为后一种解释提供了有趣的初步证据。

用一些新的和看不见的东西来解释一个令人困惑的结果似乎是欺骗，但诺克斯从相反的角度看待这个情况:哈勃不断的冲突可能会让人们看到宇宙的一个方面，这个方面直到现在还完全没有被探测到。而且他也没有发现有什么奇怪的关于有多种黑暗元素的存在。他指出，宇宙的可见部分包含许多不同类型的粒子和力，并问道:宇宙的黑暗面难道不会同样复杂吗?

无论如何，这不是一个哲学辩论，而是一个具体的科学问题。南极南极望远镜和智利阿塔卡马宇宙学望远镜对早期宇宙的新观测将进一步探索声视界。诺克斯也是下一代地面项目CMB-S4的一部分，该项目旨在以高灵敏度绘制微波天空的偏振图。此外，弗里德曼的全面数据再分析工作即将完成。对引力波的研究也将提供一种完全独立的方法来评估真正的哈勃值。

很快，数据就会证明，科学家到底是在追逐错误，还是在探索宇宙中尚未被发现的领域。弗里德曼说:“如果它被证明是基本的新物理学，那就更有趣了——但这并不是我们想要它以某种方式出现的。”“宇宙才不管我们怎么想!”