圖源：美國航空航天局 /威爾金森微波各向異性探測器科學團隊
大爆炸宇宙論是有史以來最成功的科學理論之一。該理論詳細描述了今天的宇宙是如何在數十億年的宇宙歷史中形成的。它告訴我們，宇宙從一個熱的、稠密的、均勻的、快速膨脹的狀態開始，然后隨著擴張和冷卻，宇宙經歷了一系列非常特殊的階段:
第一個穩定的原子核形成；
第一個中性原子形成；
物質在重力作用下坍縮形成恒星；
第一批星團聚合在一起形成了星系和大尺度結構；
恒星燃料燃盡而死亡，并釋放重元素；
這些重元素形成了新的恒星和巖質行星，最終形成了生命。
然而該理論并沒有告訴我們宇宙在未來將如何演化。大爆炸宇宙論給出了幾種可能，但沒有額外信息以得出最終的答案。
圖解：減速宇宙（左邊）在最短的時間內達到目前的大小。宇宙最終可能會收縮并坍縮成“大坍縮”或無限膨脹。滑行宇宙（中間）比減速宇宙古老，因為它需要更多的時間來達到現在的大小，并且永遠膨脹。加速宇宙（右邊）更古老。事實上，由于推離星系的排斥力，膨脹的速度會增加。
圖源: 美國航空航天局和歐洲航天局
宇宙的膨脹是兩種對立的力的作用結果：一個力是使宇宙中的一切以不可思議的速度相互遠離的最初膨脹速度，另一個力是趨于將萬物聚集在一起的萬有引力。弄清楚哪個力是贏家的關鍵是——宇宙是再次坍縮，是永遠膨脹，是在前述兩者之間的界限上，還是其他什么結果——是測量現在的膨脹率是多少，以及在很長一段時間內膨脹率是如何變化的。
圖源：美國航空航天局 /威爾金森微波各向異性探測器科學團隊
我們可以這樣做的原因是不同類型的能量在宇宙中有著不同的進化。例如，物質的總能量是恒定的，但是能量密度隨著宇宙體積增大而減小，所以物質密度隨著宇宙大小的立方反比而減小。另一方面，輻射除了隨體積減小外，其波長也會拉長，這意味著輻射密度會隨宇宙大小的四次方反比而減小。其他類型的能量——宇宙弦、域壁或暗能量——也根據它們自己獨有的方程式進化。所以如果你能搞清宇宙在過去的每一個節點是如何膨脹的，它的速率是多少以及是如何變化的，你就能確切地算出宇宙是由什么組成的，它的命運會是什么。
宇宙微波背景輻射中波動的最佳地圖
圖源：歐洲航天局和普朗克探測器
所以關鍵是要測量膨脹率。我們有很多不同的方法。一種是測量宇宙微波背景輻射(CMB)的波動:大爆炸留下的余暉。不同大小尺度上的熱點和冷點分布模式使得我們能夠重建宇宙的大量信息，比如宇宙是由什么組成的以及膨脹率是多少。
(象征性的)宇宙距離階梯
圖源：美國航空航天局/加州理工學院
另一種方法是使用不同類型的恒星、星系或超新星來構建一個宇宙“距離階梯”。觀測附近天體的屬性并測量它與地球的距離，然后通過測量目標天體的固有屬性來確定更遠的距離。這通常依賴于“標準蠟燭”或“標準尺子”的概念，就像你可以通過測量60瓦燈泡的亮度來知道它離你有多遠。
圖解：從地面太空望遠鏡到哈勃空間望遠鏡和未來的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡，描繪了探測早期宇宙的演化過程。
圖源：美國航空航天局
但問題是，如果用兩種不同的方法測量膨脹率——一種是通過宇宙微波背景輻射的波動，另一種是通過建立宇宙距離階梯——會得到兩種不同的結果。
圖解：可以看到普朗克和哈勃測量的膨脹率明顯不同。
圖源：詹姆斯·布拉茨/國家無線電天文臺
根據宇宙微波背景輻射，如今宇宙的膨脹率(哈勃膨脹率)是67±1 千米/秒/百萬秒差距，而根據另一種方法(距離階梯法)得出的膨脹率是74±2 千米/秒/百萬秒差距。這可能看起來沒什么大不了的，就像你對自己說的那樣，“也許它介于這兩個值之間: 差不多70看起來。”但現在這些不確定性是如此之小，以至于兩個可能的測量值之間沒有重疊。相反，只剩下兩種可能:
第一種可能是使用的兩種方法中有一個有著根本的缺陷:也許宇宙微波背景輻射的假設和推論是不正確的，或者也許我們無法校準距離階梯上的更小的距離，使我們偏離了真正的值。
不過更令人興奮的是，也許這兩種測量都是正確的，它們測量的是不同的東西，這意味著宇宙的某些主要組成部分，比如暗物質或暗能量，正在隨著時間的推移而改變。
圖源：美國國家航空航天局，維基共享用戶老陳修改，E.西格爾進一步修改
然而最重要的是，后來的測量結果顯示宇宙的膨脹速率比我們根據早期測量結果所預期的要快8%。物理學中將有什么有趣的事情發生嗎?是不是有一個額外的中微子在逗我們?或者暗能量與我們所想的不同，這是否意味著大撕裂，即宇宙在未來數十億年撕裂自己是可能的呢?
“大撕裂”場景
圖源：杰里米·泰福德/范德堡大學
現在，唯一的解決辦法是收集更多更有用的信息，因為答案本身就寫在宇宙的歷史中。如果我們想知道確切答案，就要靠我們自己去探索，看看它到底告訴了我們什么！
參考資料
1.維基百科全書
2.天文學名詞
3. forbes-沒眉毛的寇拾叁-Ethan Siegel
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