哈勃张力

概述#

宇宙在膨胀，膨胀的当前速率由一个数字描述——哈勃常数（Hubble constant，记作 H₀），单位是 km/s/Mpc，意思是每相距 100 万秒差距（约 326 万光年），星系彼此远离的速度增加多少。它几乎决定了宇宙的年龄、大小和能量成分。

问题在于：用两种都极其精密、彼此独立的方法去测这个数，得到的结果对不上。

• 用"宇宙早期"的方法（普朗克卫星观测的宇宙微波背景）推得 H₀ ≈ 67.4 ± 0.5 km/s/Mpc。
• 用"宇宙晚期"的方法（直接测量近邻星系的距离与退行速度）测得 H₀ ≈ 73.0 km/s/Mpc 左右。

两者相差约 9%，而各自的误差棒已经小到无法用"运气不好"来解释。这个矛盾被称为哈勃张力（Hubble Tension），是当代宇宙学最严重、最受关注的未解难题。它可能意味着某个测量里藏着没被发现的系统误差，也可能意味着我们关于宇宙的标准模型缺了一块。

两端并不是两支对准同一根温度计的水银柱。距离阶梯给出的，是把近邻宇宙一级一级量出来的膨胀率；微波背景给出的，是「若 ΛCDM 从最后散射一直管到今天，今天的膨胀率应当是多少」。一个近乎直接测量，一个是模型依赖的推断。张力首先是这两类操作对不上，不是某个团队把同一组照片算错了。

它至今没有被解决。韦伯望远镜排除了若干具体的系统误差嫌疑，也没有把两边拉到同一个数字上。把 2024–2025 年的某一次复测写成「张力消失」，会把仍在进行的争论说成已经结案。

两种测量：从两端逼近同一个数#

晚期宇宙：宇宙距离阶梯#

直接测量法不依赖任何宇宙学模型，而是一级一级地"量"出远方星系的距离，这套方法叫宇宙距离阶梯（cosmic distance ladder）。

由亚当·里斯（Adam Riess）领衔的 SH0ES 项目是其代表：

1. 用几何视差直接测出近邻造父变星的距离（最底层、最可靠的一级）。
2. 用造父变星的"周光关系"（光变周期对应固有亮度）校准更远星系中的造父变星。
3. 再用这些星系中爆发的 Ia 型超新星（标准烛光）把尺子延伸到足够远、退行速度足够大、能直接反映宇宙膨胀的距离。

SH0ES 团队最新结果为 H₀ ≈ 73.17 ± 0.86 km/s/Mpc。詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）的高分辨率观测在很大程度上确认了哈勃望远镜对造父变星的测量，削弱了"造父变星受邻近恒星污染"这一系统误差的嫌疑。

几何锚点不止视差一种。水脉泽宿主 NGC 4258 提供几何距离，小麦哲伦云的食双星提供另一条几何尺，盖亚视差把银河系内的造父变星钉在近处。这几条锚同时校准周光关系，是为了不让单一几何零点把整座阶梯抬偏。Ia 型超新星接过造父变星之后，才把尺子送到哈勃流足够干净的距离。

阶梯的误差是乘性传递的。某一级的零点若整体偏亮或偏暗，下游距离会同向平移，重复观测同一批星并不能把这种偏差平均掉。所以「测得更精」和「测得更对」不是一回事：随机误差会随样本收缩，系统误差会原样传到 H₀ 上。

早期宇宙：宇宙微波背景#

另一条路完全不爬阶梯。普朗克卫星精测了宇宙诞生约 38 万年时留下的宇宙微波背景（CMB）的温度涨落图样。CMB 功率谱中声学峰的位置，编码了那时的"标准尺"（声学视界）。在标准宇宙学模型（ΛCDM，含暗物质与暗能量）框架下，把这把早期的尺子外推到今天，就能算出 H₀ ≈ 67.4 ± 0.5 km/s/Mpc。

注意一个关键区别：CMB 给出的是模型依赖的推断（"如果 ΛCDM 正确，今天的膨胀率应该是这么多"），而距离阶梯给出的是几乎不依赖模型的直接测量。两者都不是 H₀ 的"直接读数"加"轻微修正"那么简单，理解这一点对判断张力的含义至关重要。

声学视界是光子-重子流体在复合之前走过的共动距离，普朗克在 ΛCDM 下把它定在大约 147 百万秒差距。天空上测到的，其实是这把尺对应的角度 $θ_*$，测量精度极高。要把角度换成今天的 H₀，必须假设从最后散射到现在的膨胀史；ΛCDM 把这段史写成六个参数的函数，H₀ 是其中推出来的一个。改复合前的能量成分，尺的长度会变，推出来的 H₀ 也会变。

所以微波背景并没有给宇宙装上一只直接读数的速度计。它量的是早期等离子体里声波走了多远、在天上张多大的角；H₀ 是把这张图放进 ΛCDM 之后剩下来的今天膨胀率。阶梯不经过这把尺，因此两端对不上时，不能先默认「总有一端把同一件事测错了」，而要问：测到的究竟是不是同一种量。

同一把声学尺还印在星系分布上，那就是重子声学振荡。晚期巡天量的是这把尺在低红移处的表观大小，不是再爬一次造父变星。它与微波背景同属「声学」家族，因此更常站在普朗克一侧，而不能被当成距离阶梯的复述。

张力有多严重#

衡量两个测量是否真正矛盾，用的是"σ"（标准差倍数）。当 SH0ES 的 73.17 ± 0.86 与普朗克的 67.4 ± 0.5 相比，差异达到约 5.8σ。在物理学中，5σ 通常被视为"发现"的门槛——这意味着，如果只是统计涨落，出现这么大差异的概率低于百万分之一。

更有分量的是，张力不是某一个团队的孤证。除距离阶梯外，多种独立的晚期探针（如基于 Ia 超新星的其他校准、部分引力透镜时间延迟测量）也倾向于偏高的 H₀；而多种早期/声学探针（CMB、重子声学振荡）则一致偏低。这种"晚期 vs 早期"的系统性分野，是张力难以被单一系统误差解释的核心原因。

5.8σ 把两端各自的误差都当成随机来算。若某一端仍有未被列入预算的系统项，这个数字会高估「矛盾已经硬到必须改物理」。它说明的是：在现有误差模型下，两边对不上；它不自动等于「新物理已经被发现」。晚期阵营内部也尚未完全对齐，这一点使「已经结案」的说法站不住。

三种可能的出路#

出路一：某处有未发现的系统误差#

最保守的解释是：某一端（更可能是更复杂的距离阶梯）藏着尚未识别的系统误差。历史上哈勃常数的测量值就曾因系统误差从 500 一路修正到 70 附近。批评者长期质疑造父变星的金属丰度修正、超新星样本的选择效应等。

二十世纪中叶以后，桑德奇一侧长期偏向较低的局部值，德沃库勒尔一侧偏向较高的局部值，差距一度大到接近一倍。那次分裂后来被证明主要是距离尺度与星族效应，而不是要立刻改膨胀定律。历史提醒我们：局部尺子曾经大错过。它不能反过来证明今天的 9% 也一定是尺子的错，只说明「先查系统误差」仍然是正当的第一刀。

值得注意的是，并非所有晚期测量都给出高值。使用 JWST 数据、综合造父变星、TRGB（红巨星尖端，一种不依赖造父变星的独立测距方法）与 J 波段 AGB 等多种校准的一些 2024–2025 年分析报告了偏低的值（如约 70 km/s/Mpc），重新点燃了"系统误差是否被低估"的讨论。SH0ES 团队则坚持其高值，并用 JWST 数据反驳了"造父变星受邻近恒星拥挤污染"这一系统误差假说。换言之，连晚期阵营内部对该用哪把"尺子"、如何校准都尚未取得完全共识，这一端尚未盖棺定论。

里斯等人 2024 年的韦伯分析，把「未被认出的拥挤污染」作为哈勃张力的解释排除到很高的置信度。芝加哥–卡内基哈勃计划则用同一代空间望远镜，把红巨星尖端与 J 波段巨星支当作独立一级，得到更靠近普朗克的局部值。两边读的不是同一份星表的同一条归算。拥挤被削弱，不等于所有晚期系统误差都已清空；局部值偏低，也不等于微波背景推断已经被晚期测量推翻。

出路二：新物理藏在早期宇宙#

如果两端测量都没错，那么 ΛCDM 模型本身可能不完整——而最自然的修补点在早期宇宙。因为 CMB 的 H₀ 推断高度依赖"声学视界"这把早期标准尺的长度，只要在复合时期之前注入某种新成分，缩短声学视界，就能让 CMB 推出的 H₀ 升高、与晚期测量握手。

热门候选是早期暗能量（Early Dark Energy）：一种在复合前短暂活跃、随后迅速稀释的能量成分。它能部分缓解哈勃张力，但常常加剧另一个矛盾（S8 结构增长张力，见相关条目），且需要精细的参数调节，至今没有任何一个模型被公认为完美答案。

Poulin、Smith、Karwal 与 Kamionkowski 在 2019 年给出一类可计算的早期暗能量：在红移大约三千以前表现得像宇宙学常数，随后迅速稀释。尺被缩短，普朗克数据被重新解读后，推出的 H₀ 可以靠近局部测量。代价通常出现在结构增长：同一套补丁往往把 σ₈ 或 S₈ 推向与弱透镜更不合的方向。能把一个张力填上、却把另一个裂缝撕开，说明它还不是被观测选中的新标准模型。

改晚期暗能量、让最近几十亿年的膨胀再加速一截，很难同时保住重子声学振荡与超新星的距离–红移关系。这就是为什么认真的修补多半动手在复合之前，而不是在今天的宇宙学常数上再加一个自由函数。

出路三：独立的"裁判"测量#

要打破僵局，最被寄予厚望的是不依赖距离阶梯、也不依赖 CMB 的第三方探针——尤其是引力波标准汽笛（见相关条目）。双中子星并合 GW170817 已给出独立的 H₀ 测量，虽精度尚不足以裁决，但随着探测事件增多，引力波有望在未来十年内给出一个"中立"的判决。此外 DESI 等大型巡天的重子声学振荡测量目前更偏向普朗克的低值，也在为天平添加砝码。

GW170817 亮汽笛给出的哈勃常数大约是 70，误差大到同时罩住 67 与 73。它证明方法可行，还当不了终审。DESI 第一批重子声学振荡，在用太初核合成标定尺、或结合微波背景的角度标度之后，推出的 H₀ 更靠近普朗克而不是 SH0ES。声学家族内部互相靠近，并不自动把距离阶梯判为错误；它只说明：若要改物理，改完之后仍得保住这把晚期也能看见的尺。

三条出路目前并行，没有一条已经胜出。系统误差假说还在被韦伯与新的一级标准尺检验；早期暗能量还在与 S₈ 以及核合成抢参数空间；标准汽笛的误差棒还横跨整条裂缝。张力是一个未解的测量–推断冲突，不是已经完成的新物理发现。

第三方尺子要有用，误差结构必须与两端都不同。汽笛的距离来自波形振幅，红移来自宿主或统计宿主；它不继承造父变星零点，也不继承声学视界长度。事件还太少，选择效应与轨道倾角简并仍会把单个数字拉向某一侧。在样本真正长大之前，它只能证明这条路走得通，不能替 67 与 73 做主。

它为什么重要#

哈勃张力之所以让宇宙学界既焦虑又兴奋，是因为它处在两种命运的岔路口。如果最终归因于系统误差，那是测量科学的胜利与教训；但如果它是真实的，那意味着支配了宇宙学二十余年的标准模型——这个曾以惊人精度通过无数检验的 ΛCDM——在某处出了纰漏。历史上，正是这种"小数点后的固执矛盾"（如水星近日点进动、黑体辐射的紫外灾难）一次次撬开了新物理的大门。哈勃张力是否是下一道这样的裂缝，是这一代宇宙学家面对的核心悬念。

现在能确定的只有结构：一端是几乎不依赖模型的距离阶梯，一端是依赖 ΛCDM 的微波背景推断，两者对不上。下一步不是挑选一个更顺耳的数字写进教科书，而是看第三把独立的尺子落在哪一侧，以及任何补丁会不会在 S₈、核合成或声学峰上撕开新的口子。悬案被认真对待，不等于悬案已被改写为定律。

跨域连接#

• 宇宙距离阶梯：阶梯的误差是乘性传递的：换一把一级标准尺，全部下游距离整体平移。这正是造父变星、红巨星尖端与巨星支校准给出不同结果的结构性原因——候选偏差集中在金属丰度修正与拥挤场污染，后者已被高分辨率复测大体排除。
• 分析滴定：任何二级标定都继承一级标准物的系统偏差，而这类偏差不随重复测量减小。判据是换一种独立的一级标准来复核，而不是把同一条链做得更精细——这与阶梯内部更换校准物的做法完全对应。
• 统计学：随机误差按样本量的平方根收缩，系统误差不动。因此"精度越来越高、分歧越来越清楚"本身就是系统误差尚未消除的征兆，而不是矛盾加深的证据；把两端误差都当随机来算显著性，会高估它。
• 元分析与证据综合：合并两组互不相容的估计时，随机效应模型会把差额吸收进"研究间方差"，给出一个居中而误差更大的值。这解释了为什么居中的结果对两边都只有一两个标准差的张力——它是一种记账方式，不是裁决。
• 临床试验：对付"结果向期望靠拢"的成熟办法是在看到数据前锁定流程。天文学侧的对应物是盲分析：先冻结校准与筛选规则，再解盲。它不能消除系统误差，但能把"选择性分析"这一项从候选名单里划掉，从而让剩下的分歧真正指向物理或标定，而不是指向分析者。

参考文献#

• Riess, A. G., et al. (2022). A Comprehensive Measurement of the Local Value of the Hubble Constant with 1 km/s/Mpc Uncertainty from the Hubble Space Telescope and the SH0ES Team. The Astrophysical Journal Letters, 934, L7. DOI: 10.3847/2041-8213/ac5c5b
• Planck Collaboration (2020). Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters. Astronomy & Astrophysics, 641, A6. DOI: 10.1051/0004-6361/201833910
• Di Valentino, E., et al. (2021). In the realm of the Hubble tension—a review of solutions. Classical and Quantum Gravity, 38(15), 153001. DOI: 10.1088/1361-6382/ac086d
• Riess, A. G., et al. (2024). JWST Observations Reject Unrecognized Crowding of Cepheid Photometry as an Explanation for the Hubble Tension. The Astrophysical Journal Letters, 962, L17. DOI: 10.3847/2041-8213/ad1ddd
• Poulin, V., Smith, T. L., Karwal, T., & Kamionkowski, M. (2019). Early Dark Energy Can Resolve the Hubble Tension. Physical Review Letters, 122, 221301. DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.221301
• DESI Collaboration (2024). DESI 2024 VI: cosmological constraints from the measurements of baryon acoustic oscillations. arXiv:2404.03002.

延伸阅读#

• Riess, A. G., et al. (2024). JWST observations reject unrecognized crowding of Cepheid photometry as an explanation for the Hubble Tension. The Astrophysical Journal Letters.
• Freedman, W. L., et al. (2024). Status Report on the Chicago-Carnegie Hubble Program: Three Independent Astrophysical Determinations of the Hubble Constant Using the James Webb Space Telescope. arXiv:2408.06153.
• Abbott, B. P., et al. (2017). A gravitational-wave standard siren measurement of the Hubble constant. Nature, 551, 85–88.