摘要：一个世纪的天文观测和理论发展后，科学界对宇宙最基本问题的认识仍存在深刻分歧。英国科学作家Jim Baggott在其新书《不和谐：哈勃常数的困扰历史》中揭示，尽管现代宇宙学取得了巨大突破，天文学家们依然无法就宇宙的组成和演化机制达成一致。这种科学共识的缺失不仅体

信息来源：https://www.nature.com/articles/d41586-025-03343-7

一个世纪的天文观测和理论发展后，科学界对宇宙最基本问题的认识仍存在深刻分歧。英国科学作家Jim Baggott在其新书《不和谐：哈勃常数的困扰历史》中揭示，尽管现代宇宙学取得了巨大突破，天文学家们依然无法就宇宙的组成和演化机制达成一致。这种科学共识的缺失不仅体现在技术细节上，更反映了当前宇宙学理论框架面临的系统性挑战。

哈勃常数作为衡量宇宙膨胀速率的关键参数，其测量值的持续争议已成为现代宇宙学最引人关注的问题之一。不同观测方法得出的结果存在显著差异，这种被称为"哈勃张力"的现象正在质疑标准宇宙学模型的可靠性，并可能预示着需要超越现有物理学框架的新理论突破。

精密宇宙学的悖论

现代天文学的技术进步为宇宙研究带来了前所未有的精确度。哈勃太空望远镜、普朗克卫星、詹姆斯·韦伯太空望远镜等先进设备的投入使用，推动了"精密宇宙学"时代的到来。科学家们能够以极高精度测量宇宙微波背景辐射的细微波动，追踪遥远超新星的光变曲线，并绘制大尺度结构的三维分布图。

詹姆斯·韦伯太空望远镜 （JWST） 看到的一群年轻恒星。图片来源：X 射线：NASA/CXC;红外线：ESA/Webb、NASA & CSA、P. Zeilder、E.Sabbi、A. Nota、M. Zamani;图像处理：NASA/CXC/SAO/L. Frattare 和 K. Arcand

然而，技术进步的成果却带来了意想不到的困扰。当天文学家使用不同方法测量哈勃常数时，得到的结果并不一致。基于宇宙微波背景辐射的早期宇宙观测给出的数值约为67公里每秒每兆秒差距，而通过观测附近星系中造父变星和Ia型超新星得出的局域宇宙测量值则接近74公里每秒每兆秒差距。

这种差异看似微小，但其统计显著性已达到令人担忧的程度。Baggott在书中指出，虽然两种技术对哈勃常数的估计差异并不巨大，但天文学家担心这种差异足以造成严重的理论问题。更令人困惑的是，两种方法都基于可靠的观测数据和成熟的分析技术，很难简单地将其中一种结果归因为系统误差。

这种测量精度与理论一致性之间的矛盾暴露了现代宇宙学面临的根本挑战。精密观测工具的发展使得微小的理论缺陷变得无法忽视，迫使科学界重新审视长期以来被视为稳固的理论基础。

暗物质与暗能量的持续谜团

宇宙微波背景的温度变化揭示了我们今天观测到的星系的种子。图片来源：欧空局、普朗克合作组织/SPL

哈勃张力只是标准宇宙学模型面临众多挑战中的一个。现有理论框架中最大的尴尬在于，构成宇宙95%的暗物质和暗能量至今仍是完全未知的存在。这种状况在科学史上极为罕见——一个被广泛接受的理论模型竟然对其描述对象的绝大部分内容一无所知。

暗物质的概念最初被提出是为了解释星系旋转曲线和大尺度结构形成中的观测异常。几十年来，物理学家们设计了各种复杂的粒子探测实验，试图直接发现暗物质粒子，但所有努力都以失败告终。地下实验室、粒子加速器、空间探测器都未能找到暗物质存在的确凿证据。

暗能量的情况更加令人困惑。这个概念源于1998年对遥远超新星的观测，发现宇宙膨胀正在加速。为了解释这一现象，宇宙学家们假设存在一种具有负压强的神秘能量形式，但对其本质却毫无头绪。最简单的理论预测——真空能量——与观测值的差异达到了惊人的120个数量级，这被认为是物理学史上最严重的理论预言失败。

天文学家埃德温·哈勃 （Edwin Hubble） 在 1930 年代坐在望远镜的主焦笼中。图片来源：格兰杰/历史图片档案馆/阿拉米

物质与反物质的不对称性构成了另一个根本性难题。根据粒子物理学的基本原理，大爆炸应该产生等量的物质和反物质。然而，我们观测到的宇宙几乎完全由物质组成，反物质的踪迹微乎其微。这种不对称性的起源机制仍然是一个悬而未决的问题，涉及到粒子物理学和宇宙学的深层联系。

理论范式的潜在转变

面对这些挑战，宇宙学界开始出现不同的声音。一些科学家认为，现有观测异常可能暗示需要超越标准模型的新物理学。这些新理论可能涉及额外的空间维度、修正的引力定律、或者全新的基本粒子类型。

修正引力理论是最活跃的研究方向之一。一些理论物理学家提出，在大尺度上引力定律可能偏离爱因斯坦的广义相对论预言。如果这些修正理论得到验证，就可能无需暗物质和暗能量来解释观测现象。然而，这类理论面临着在解释某些观测的同时破坏其他已确认现象的困难。

另一种可能性是宇宙学的基本假设需要重新审视。标准宇宙学模型建立在宇宙在大尺度上均匀各向同性的假设基础上，但越来越多的观测显示，这种假设可能过于简化。宇宙的实际结构可能比我们想象的更加复杂和非均匀。

同时，也有科学家持更保守的观点，认为当前的观测异常最终会通过改进的测量技术或更好的数据分析方法得到解决。他们指出，科学史上类似的"危机"往往在技术进步的推动下得到化解，无需根本性的理论革命。

Baggott在书中采取了平衡的立场，既不低估当前挑战的严重性，也不夸大理论危机的紧迫性。他强调："支持新物理学的论点和重新思考宇宙学的要求不应减损过去一个世纪左右天文学和宇宙学的非凡成就。我们目睹的只是科学事业在起作用，而这往往是混乱和不连贯的。"

这种科学史的长远视角提醒我们，理论的不完善和观测的矛盾是科学进步的正常组成部分。从牛顿力学到相对论，从经典宇宙学到大爆炸理论，每一次重大理论突破都伴随着长期的争论和反复的修正。

当前宇宙学面临的挑战可能预示着下一次重大理论革命的临近，也可能只是科学发展过程中的暂时困难。无论如何，这些争议都推动着观测技术的进步和理论思考的深化。即将投入使用的下一代天文设施，如欧几里得空间望远镜、薇拉·鲁宾天文台等，有望为解决这些争议提供关键数据。

宇宙学的未来发展将继续依赖观测与理论的相互促进。正如Baggott所说，坚持面对这些科学难题的回报是"对宇宙非凡美丽的一瞥，不仅是我们所见的宇宙，更是我们试图理解的宇宙"。

来源：人工智能学家