自从宇宙存在以来，空间就一直在膨胀。 它在大约 138 亿年前突然出现，从那以后一直在膨胀，就像一个巨大的宇宙气球。
当前的扩张速度称为，或H0，它是宇宙的基本测量之一。
如果你知道哈勃常数，你就可以计算出宇宙的年龄。 您可以计算宇宙的大小。 您可以更准确地计算神秘的影响力推动宇宙的膨胀。 而且，有趣的是，H0是计算星系间距离所需的值之一。
然而，有一个很大的问题。 我们有几种高精度的方法来确定哈勃常数……并且这些方法不断返回不同的结果，原因未知。
这可能是我们测量技术的校准问题——我们用来测量宇宙距离的标准蜡烛和标准尺（稍后会详细介绍）。 它可能是暗能量的某种未知属性。
或者也许我们对基础物理学的理解并不完整。 要解决这个问题很可能需要获得诺贝尔奖的突破。
那么，我们从哪里开始呢？
基础
哈勃常数通常用看似不寻常的距离和时间单位组合来表示 - 公里每秒每百万秒差距，或（公里/秒）/Mpc； 百万秒差距约为 330 万光年。
这种结合是必要的，因为宇宙的膨胀正在加速，因此离我们越远的东西似乎消退得越快。 假设，如果我们发现距离 1 兆秒差距的星系以 10 公里/秒的速度后退，而距离 10 兆秒差距的星系似乎以 100 公里/秒的速度后退，我们可以将这种关系描述为 10 公里/秒每兆秒差距。
换句话说，确定比例关系星系远离我们的速度 (km/s) 和它们的距离 (Mpc) 之间的关系为我们提供了 H 值0。
如果有一种简单的方法来衡量这一切就好了。
宇宙学家设计了多种方法来计算哈勃常数，但主要有两种方法。 它们要么涉及标准尺子，要么涉及标准蜡烛。
标准标尺及其信号
标准统治者是基于早期宇宙某个时期的信号重组纪元。 之后，宇宙是如此炎热和致密，原子无法形成。 相反，只存在炽热、不透明的等离子雾。 经过大约 38 万年的冷却和膨胀，等离子体终于开始重新组合成原子。
我们依赖这一时期的两个信号。 第一个是(CMB) - 当物质重组时从等离子雾中逸出的光，空间变得透明。 这第一道光——尽管现在已经很微弱——仍然均匀地充满宇宙的各个方向。
宇宙微波背景温度的波动代表了早期宇宙的膨胀和收缩，将其纳入计算中，让我们推断宇宙的膨胀历史。
第二个信号称为重子声振荡，它是通过早期宇宙的等离子雾传播的球形声密度波的结果，在重组时期陷入停滞。
该声波在此时间范围内传播的距离约为 150 兆秒差距； 这在整个宇宙历史中的密度变化中是可以检测到的，从而提供了一个测量距离的“标尺”。
天空中的标准蜡烛
另一方面，标准蜡烛是基于本地宇宙中的物体的距离测量。 这些不能只是任何古老的恒星或星系——它们必须是已知固有亮度的物体，例如 Ia 型超新星，造父变星，或星星红巨星分支的尖端。
“当你看着天空中的星星时，你可以非常精确地测量它们左右的位置，你可以非常精确地指向它们，但你无法知道它们有多远，”天体物理学家塔玛拉·戴维斯来自澳大利亚昆士兰大学的博士告诉 ScienceAlert。
“很难区分真正明亮且遥远的东西，还是微弱而近距离的东西。因此，人们测量它的方式是找到某种在某种程度上标准的东西。标准蜡烛是已知亮度的东西。 ”
标准尺子和标准蜡烛都非常精确，也就是说，非常精确。 当用于计算哈勃常数时，它们都会返回不同的结果。
根据标准统治者，即早期宇宙，H0约为每秒 67 公里每兆秒差距。 对于标准烛光——本地宇宙——来说，它的速度约为每秒每兆秒差距 74 公里。
这两个结果的误差幅度都不足以缩小它们之间的差距。
差距的历史
天文学家亚历山大·弗里德曼 (Alexander Friedmann) 和乔治·勒梅特 (Georges Lemaître) 在 20 世纪 20 年代首次注意到宇宙一直在膨胀。 到 1929 年，埃德温·哈勃 (Edwin Hubble) 根据标准蜡烛计算了膨胀率，称为造父变星，亮度周期性变化； 由于这种变化的时间与这些恒星的固有亮度有关，因此它们是一种出色的距离测量工具。
但距离校准不太正确，这也影响到了宇宙距离测量。 因此，早期的计算返回了 H0每百万秒差距每秒约 500 公里。
戴维斯说：“我们立即发现了一个问题，因为研究地球的地质学家知道地球大约有 40 亿年的历史。”
“如果你将膨胀速度计算为 500 公里/秒，你就可以计算出需要多长时间才能达到目前宇宙的大小，大约需要 20 亿年。这意味着地球比地球还要古老。宇宙——这是不可能的——所以人们觉得‘宇宙的膨胀’完全是一场闹剧。”
这就是哈勃常数一直保留到 20 世纪 50 年代左右，当时德国天文学家沃尔特·巴德 (Walter Baade) 发现造父变星有两种类型，从而可以对哈勃常数进行精确计算。 它已降至 100 (km/s)/Mpc 左右。
从那里，您就知道事情是如何进行的 - 您可以在上图中看到进展情况。 随着我们的技术、技巧和理解变得越来越完善，哈勃常数计算以及我们对它们的信心也越来越完善。
“我们过去的误差线为正负 50，”戴维斯说。 “现在我们的误差线为正负 1 或 2。由于测量结果变得非常好，这些技术现在已经完全不同，很难用测量误差来解释。”
有什么大不了的？
今天，这两个值之间的差异（称为哈勃张力）可能看起来并不是一个很大的数字 - 只是9.4%。
但宇宙学家尚未弄清楚造成这种差异的原因在哪里。 最明显的问题是校准问题，但其根源仍然难以捉摸。
例如，几个不同的团队已经计算了 H0根据普朗克空间天文台获得的测量结果，从 CMB 获得。 问题可能在于我们对数据的解释； 但是一个2019年CMB调查由另一台仪器阿塔卡马宇宙学望远镜得出的结果与普朗克数据一致。
此外，H0根据由完全不同的仪器斯隆数字巡天测量的重子声振荡进行的计算，返回相同的结果。
也许我们的标准蜡烛也让我们误入歧途。 这些物体被分为几个阶段，形成“宇宙距离阶梯”。 第一，- 附近的恒星似乎如何相对于更远的恒星改变位置 - 用于验证到两种类型变星的距离。
（设计及更多）
变星的下一步是河外星系Ia型超新星。 这就像爬上一架梯子，在宇宙中越走越远，“即使其中一个步骤中的微小错误也可能会在以后传播成更大的错误，”戴维斯指出。
解决这个问题的其他尝试包括以不同的方式思考我们周围的空间。
这哈勃气泡假说例如，它基于这样的想法：银河系位于宇宙中密度相对较低的“气泡”中，周围环绕着密度较高的物质。 这种较高密度材料的引力效应会拉动气泡内部的空间，使得局部空间的膨胀速度似乎比早期宇宙更快。
然而，即使上述所有因素确实导致了该问题，但这也很难达到 9.4% 的差异。
“人们非常有创意地想出了这些方法可能出错的可能方式。到目前为止，没有人能够令人信服地论证任何一个特定的错误可以解释我们所看到的差异，”宇宙学家马修·科莱斯来自澳大利亚国立大学的专家告诉 ScienceAlert。
“有可能一大堆不同的小错误都以相同的方式排列起来；但这些错误来源彼此之间并不相关。如果碰巧我们发现每一种不同类型的错误，那将是非常令人惊讶和极其不幸的。制造出来的，全部朝一个方向堆积，带我们走一条路。”
也许罪魁祸首在于物理学？
在几乎所有其他方面，我们的宇宙学模型都运行得非常好。 因此，如果你试图改变哈勃常数的基本组成部分之一，其他东西往往会被破坏。
“你可以改变标准尺，”科勒斯说，“但是你会打破一些其他的观察结果——宇宙中物质的数量，- 诸如此类的事情，可以通过当前模型很好地测量和解释，但会被“修复”标准尺所需的更改所破坏。”
这导致了——我们到底错过了什么？ 这是……基础物理学的问题吗？
“我非常确信这可能是一个错误，”戴维斯指出。 “但确实很难解释当前测量结果中的误差从何而来。所以我的结果几乎是 50-50。这是一个有趣的差异。尝试找出原因真的很有趣。”
如果我们的选择是“人类塞满了东西”和“实际上，物理学是错误的”，那么责任通常会落在前者身上。
事实上，这是轻描淡写的说法。 “新物理学”是一个极其罕见的答案。 但哈勃张力是一个棘手的问题，宇宙学家想尽一切办法都无法找到解决方案。
这使得它成为一件令人难以置信的令人兴奋的事情。
这些斑点大部分都是星系。 （NASA、ESA、S. Beckwith (STScI) 和 HUDF 团队）
可能有什么东西没有占到。 这太疯狂了：爱因斯坦的理论经受住了考验宇宙测试。 但我们不能忽视这种可能性。
当然，还有其他的可能性，比如暗能量的巨大未知数。 我们不知道暗能量是什么，但它似乎是一种基本力量，负责对于负压这正在加速我们宇宙的膨胀。 或许。
“我们唯一模糊的想法是，它是爱因斯坦的宇宙学常数，即真空的能量，”科莱斯说。 “但我们真的不知道它是如何运作的，因为我们没有一个令人信服的方法来预测宇宙常数的值应该是多少。”
或者，这可能是我们对引力的理解中的一些漏洞，尽管“影响广义相对论这样基本理论的新物理学极其罕见，”科莱斯指出。
“如果有新的物理学，并且如果它需要对广义相对论进行修改，那肯定会是诺贝尔奖级别的突破性物理学。”
唯一的前进之路
无论是校准错误、我们目前对物理学的理解存在巨大错误，还是其他什么原因，如果我们要修复哈勃常数，只有一种方法可以解决——做更多的科学研究。
首先，宇宙学家可以利用我们现有的标准蜡烛和标准尺的数据，进一步完善它们并进一步减少误差线。 作为补充，我们还可以获得新的数据。
例如，Colless 正在澳大利亚开展一个项目，使用尖端技术大班仪器新安装在赛丁泉天文台。 该团队将调查当地宇宙中的数百万个星系，以测量尽可能靠近我们的重子声振荡，以解释距离产生的任何测量问题。
“我们将测量 200 万个非常接近的星系 - 覆盖整个南半球和北半球的一小部分 - 尽可能靠近，寻找重子声振荡信号，并以 1% 的比例测量该比例精度非常低红移”。
这与距离梯所覆盖的空间体积相同。 因此，如果 TAIPAN 结果相同，则返回 H0每秒每百万秒差距 67 公里，问题可能出在我们的标准蜡烛上。
另一方面，如果结果接近每兆秒差距 74 公里/秒，则表明标准蜡烛更坚固。
新兴研究领域也是一种选择； 不是标准蜡烛或标准尺子，而是标准警报器，基于天文学——时空中的涟漪是由物体之间的大规模碰撞传播的和中子星。
两颗中子星碰撞的动画。 （加州理工学院/YouTube）
戴维斯说：“它们与超新星相似，因为我们知道它们本质上有多亮。”
“基本上，它就像一根标准蜡烛。它有时被称为标准警报器，因为它的频率告诉你它有多亮。 因为我们从广义相对论知道频率和亮度之间的关系，所以我们不需要进行任何校准。 我们只有一个数字，这使得它比其他一些方法干净得多。”
用引力波测量哈勃常数仍然很困难。 但初步计算结果是有希望的。 2017年，碰撞使天文学家能够将范围缩小到大约70（公里/秒）/Mpc，两侧的误差条足够大以覆盖 67 和 74，然后是一些。
戴维斯说，但就一项观察而言，如此精确的测量是令人惊叹的。
“我们现在已经测量了数千颗超新星，”她说。 “我们测量了数百万个星系来测量重子声振荡，我们测量了整个天空来测量宇宙微波背景。
“而这个单一物体，即引力波的一次测量，得到的误差约为 10%，而其他探测器则花费了数十年的时间进行研究。”
引力波天文学仍处于起步阶段——我们检测到足够的中子星碰撞以充分完善这些结果只是时间问题。 运气好的话，这将有助于找出哈勃张力的原因。
不管怎样，它都将创造历史。 当然，新的物理学会令人惊奇——但距离阶梯的错误会动摇天文学。 这可能意味着我们对 Ia 型超新星或恒星如何演化存在一些不了解。
无论以哪种方式解决，解决哈勃张力都将产生波及整个天文学科学的影响。
“这就是为什么宇宙学家对此如此兴奋。因为宇宙学理论非常有效，所以当我们发现它无法预测的东西时，我们会非常兴奋。因为当事情破裂时，那就是你学习的时候，”科莱斯说。
“科学就是不断尝试和犯错——在错误中你可以学到新的东西。”
