哈勃张力：宇宙学的5σ裂缝

2022年，Adam Riess 领导的 SH0ES 团队发表了迄今最精确的本地哈勃常数测量：$H_0 = 73.04 \pm 1.04$ km/s/Mpc。[shoes2022]

同年，Planck 卫星基于宇宙微波背景（CMB）辐射的测量给出的值是 $H_0 = 67.4 \pm 0.5$ km/s/Mpc。[planck2018]这两个数字之间的差距，折算成统计显著性，超过了 5σ。在粒子物理学中，5σ是宣布"发现"的门槛。在宇宙学中，这个差距正在撕裂我们对宇宙的整体认知。这不是一个可以用"测量误差"轻松打发的争议——它已经持续了十余年，随着测量精度不断提高，它非但没有消失，反而越来越清晰。宇宙学家将其称为"哈勃张力"（Hubble tension），而它的真正含义可能是：标准宇宙学模型（ΛCDM）存在某种根本性的缺陷，或者有我们尚不了解的新物理在发挥作用。

破除误解：这不是"还没测准"#

公众经常误以为哈勃张力只是精度问题——"仪器还不够好，再等等就会一致"。这个看法在五年前或许还可以接受，但在今天已经站不住脚。SH0ES 团队经过了三十年的积累，将测量精度从约10%压缩到了1.4%。Planck 的 CMB 测量同样是人类史上最精密的宇宙学观测之一，误差约0.7%。两条路径各自内部高度一致，相互之间却系统性地偏离约 8–9%。

更重要的是，本地测量的"距离阶梯"有多条独立的校验链：造父变星、红巨星尖端（TRGB）、水脉泽距离、引力透镜时延、引力波标准汽笛……它们给出的本地值虽然各有细微差异，但绝大多数都更靠近 73 而非 67。Planck 一侧则有 CMB、重子声学振荡（BAO）、弱引力透镜等独立测量交叉支持 67 附近的值。换言之，这是两个独立的、内部自洽的宇宙在互相对话，却对宇宙膨胀速率产生了系统性分歧。

现场：什么是哈勃常数，为什么两套方法会不同#

哈勃常数描述的是今天宇宙膨胀的速率：每增加一兆秒差距（Mpc，约326万光年）的距离，星系退行速度增加多少公里每秒。

本地测量（"晚期宇宙"路径）

SH0ES 的方法是多级"距离阶梯"：

1. 用视差法精确测量银河系附近造父变星的距离（第一级，几何校准）；
2. 用这批造父变星校准其他星系中同类恒星的亮度（第二级，延伸到几十兆秒差距）；
3. 用经过校准的 Ia 型超新星（已知光度的"标准烛光"）测量遥远星系的退行速度（第三级，延伸到数千兆秒差距）。

三级相乘，便能测定本地宇宙的膨胀速率。

早期宇宙路径（"Planck + ΛCDM"）

Planck 的方法截然不同：它测量的是宇宙诞生 38 万年时留下的 CMB 温度涨落图样，用标准 ΛCDM 模型反演出宇宙的全套参数——包括哈勃常数。这个方法不依赖任何阶梯，而是依赖我们对早期宇宙物理的理解。两套方法的根本区别在于：一个测的是今天，一个推的是今天。如果 ΛCDM 模型对早期到今天的演化描述是正确的，两者应该一致。如果不一致，要么有某一侧存在未被发现的系统误差，要么宇宙的演化历史与 ΛCDM 的预言有偏差。

专家视角：张力其实"锁定"在声视界上。 近十年的分析逐渐把问题收窄到一个具体的物理量——重组时的声视界尺度 $r_d$（约 147 Mpc）。Planck 路径与 BAO 路径都不直接"看见" $H_0$，而是先用早期宇宙物理算出 $r_d$，再把它当作"标准尺"反推膨胀历史；本地阶梯则完全不依赖 $r_d$。一个广为引用的诊断（Verde, Treu & Riess 2019）指出：若把 $r_d$ 当作自由参数让数据自己定，本地数据偏好的 $r_d$ 比早期宇宙算出的小约 7%。换句话说，化解张力的新物理多半得作用在重组之前、改变 $r_d$（早期暗能量、额外辐射自由度都是这一类），而非笼统地"在某处加点暗能量"。这是普通科普很少讲清、却是判断各类方案是否可行的关键标尺。

谁在做、做到了哪一步#

SH0ES 与哈勃/JWST 校准#

2022年，SH0ES 团队（Supernova $H_0$ for the Equation of State of Dark Energy）在 Adam Riess 领导下发表了里程碑式的测量，使用哈勃空间望远镜观测了42个 Ia 型超新星宿主星系中的造父变星，精度达到1.4%。[shoes2022] 这是本地哈勃常数测量历史上最系统、最全面的一次汇编。

JWST 入场后，多个团队迅速展开对距离阶梯各级的独立核查。Riess 团队用 JWST 重观造父变星，确认了之前的结果，排除了哈勃空间望远镜"拥挤场"（crowding）效应带来的系统误差。[jwst_ceph] 这是一个重要的节点：许多人曾期望 JWST 的高分辨率会发现 HST 的问题，但结果更接近"更精确地确认了分歧"。

红巨星尖端（TRGB）路径#

Wendy Freedman 领导的芝加哥-卡内基哈勃计划（CCHP）用红巨星亮度最大值（TRGB）作为替代标准烛光，2019–2021 年用 HST 数据给出的值约为 $H_0 \approx 69.8 \pm 1.7$ km/s/Mpc，介于两方之间。[^cchp] 2025年 CCHP 用 JWST 联合 HST 重新校准后，TRGB 给出 $H_0 = 70.39 \pm 1.22\,(\text{stat}) \pm 1.33\,(\text{sys})$ km/s/Mpc（即约 $70.4 \pm 1.8$），仍居中间地带——与 Planck 的张力约 $1.5\sigma$，与 SH0ES 的张力约 $1.2\sigma$，两边都不强。[^cchp] CCHP 同时用 JAGB（J 区渐近巨星支星）和造父变星三种独立指示物互校，这种"中间值"成为校准方法争论的焦点：SH0ES 团队反驳称 CCHP 的 TRGB 与 JAGB 校准存在选样和锚定差异，双方至今未达成一致。

引力透镜时延：H0LiCOW / TDCOSMO#

另一条完全独立的路径是通过测量类星体被星系引力透镜后不同像之间的光程时延推断哈勃常数。H0LiCOW 合作组（后演化为 TDCOSMO）早期给出约 73 km/s/Mpc，但一旦引入更复杂的透镜质量模型，结果会向中间偏移，不确定度也扩大。这条路线的系统误差尚未充分理解。

代价与争议：是系统误差，还是新物理？#

系统误差阵营

一些研究者坚持认为哈勃张力是测量层面的问题，还未解决。争议集中点包括：

• 造父变星金属丰度效应：造父变星的亮度-周期关系依赖于金属丰度，不同星系的金属丰度各异，校准是否充分？Breuval et al. 对此进行了专项分析，认为修正后的效果不足以消除张力。
• Ia 型超新星的标准性：近年有研究提出，超新星的"标准烛光"特性可能与宿主星系环境有关，不同人群（population）的超新星可能存在系统亮度差异。2025年的一项分析（Ginolin et al., A&A 2025）在考虑双星族超新星模型后给出较低的本地 H0 值，但这仍在学界讨论中。
• Cepheid 变星的直接拥挤效应：JWST 高分辨率图像已经基本否定了这一担忧。

新物理阵营

越来越多的宇宙学家认为，超过 5σ 的显著性已经不能单靠测量误差解释，应当认真考虑物理图像的改变。提议中的新物理方向包括：

• 早期暗能量（Early Dark Energy, EDE）：在重组之前（$z \sim 3000$）引入一个短暂起作用的暗能量成分，使早期宇宙在声视界固定前加速膨胀，从而在不改变 CMB 形状的前提下提高推断出的 H0。这是目前讨论最广泛的方案之一，但它带来新的参数，且对大尺度结构的预言存在一些争议。
• 相互作用暗能量 / 暗物质：暗能量与暗物质之间的耦合能改变晚期宇宙的膨胀历史。
• 额外辐射自由度（$\Delta N_\text{eff}$）：在宇宙早期引入额外的轻粒子（如额外的中微子种类），可以略微提高声速，影响 CMB 推断的 H0。
• 弯曲宇宙 / 修正引力：更基本的对 ΛCDM 框架的修改。

没有哪个方案已经被学界广泛接受——它们往往在解决哈勃张力的同时，在其他观测（如 $S_8$ 张力、BAO 等）上引入新的问题。

未知的边界#

• DESI 的 BAO 测量给出的约束（见 desi-dark-energy）与 Planck 一致，并未支持高 H0 值，但 DESI 的早期暗能量信号若获证实，将改变这一图景。
• 引力波标准汽笛：每一次双中子星并合事件都独立贡献一个 H0 测量。未来几年 LIGO/Virgo/KAGRA 积累更多事件后，这条路线的误差会从目前的约10%压缩到几个百分点，届时它将成为区分两阵营的关键仲裁者。
• Euclid 与 DESI 的宇宙大尺度结构巡天：未来几年将精确测量宇宙物质功率谱，与 CMB 路径联合约束，提供一个更高精度的独立 H0 推断。
• 根本问题仍未回答：张力的真正根源是什么？在我们写下这篇文章时，没有人知道答案。这是 2020 年代宇宙学最紧迫的开放问题。

跨域连接#

• 重子声学振荡：张力其实锁在一个量上——重组时的声视界。它与宇宙微波背景都先算出这把尺再反推膨胀史，本地阶梯则完全不用它。把这把尺当自由参数时数据偏好一个偏小的值，于是新物理的作用时刻被限定在复合之前。
• 中微子物理：加入额外的辐射自由度能抬高早期膨胀率、缩短声视界，是最直白的一类修补。代价是同一改动会改变太初核合成的氦产额，两处约束互相牵制，这类方案的可行区间因此比只看微波背景时窄得多。
• 量子场论：早期暗能量要求一个在复合前短暂主导、随后迅速稀释的标量场，这对势能形状是很强的约束：既要按时上场，又要按时退场。"在某处加点暗能量"并不足够，时序本身就是需要被解释的东西，而这个时刻恰好要对上复合，看起来像又一次巧合。
• 贝叶斯推断：这些方案几乎都以新参数换拟合，模型比较必须为维数付代价。更麻烦的是缓解膨胀率往往同时恶化结构增长的约束，说明后验在多维空间里被挤成一条窄带，只看一维会得出过于乐观的判断。
• 库恩：两套内部自洽的测量体系冲突时，被否证的只是前提的合取，具体放弃哪条辅助假设由数据之外的判断决定。这不是含糊，而是此类争论的结构性特征——也是"系统误差还是新物理"至今没有共识的原因。要打破僵局需要的不是更高精度，而是一条与两端都不共享假设的第三方探针。

参考文献#

• Riess, A. G. et al. (SH0ES). A Comprehensive Measurement of the Local Value of the Hubble Constant with 1 km s⁻¹ Mpc⁻¹ Uncertainty from the Hubble Space Telescope and the SH0ES Team. ApJ Letters 934, L7 (2022). arXiv:2112.04510.
• Planck Collaboration. Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters. A&A 641, A6 (2020). arXiv:1807.06209.
• Freedman, W. L. et al. (CCHP). Status Report on the Chicago-Carnegie Hubble Program: Measurement of the Hubble Constant Using the Hubble and James Webb Space Telescopes. ApJ 985, 203 (2025). arXiv:2408.06153.
• Verde, L., Treu, T. & Riess, A. G. Tensions between the Early and Late Universe. Nature Astronomy 3, 891–895 (2019). arXiv:1907.10625.
• Ginolin, M. et al. Stretch to stretch, dust to dust: Lower-value local H0 measurements from the two-population modelling of Type Ia supernovae. A&A 697, A56 (2025). doi:10.1051/0004-6361/202456288.
• Di Valentino, E. et al. Snowmass 2021 — Letter of Interest: Cosmological tensions and future experiments. arXiv:2009.11285.