摘要：人类对宇宙大小的探索从未停止。目前已知可观测宇宙直径达930亿光年，但这只是冰山一角。本文将解析宇宙膨胀的证据、哈勃常数的争议，以及天体物理学家对宇宙“无限性”与“平坦形状”的判断，帮你看懂宇宙尺度的奥秘。

人类对宇宙大小的探索从未停止。目前已知可观测宇宙直径达930亿光年，但这只是冰山一角。本文将解析宇宙膨胀的证据、哈勃常数的争议，以及天体物理学家对宇宙“无限性”与“平坦形状”的判断，帮你看懂宇宙尺度的奥秘。

地球上的一切、太阳系、银河系，以及更遥远的天体，都包含在宇宙之中。那么，科学能告诉我们关于这个包含所有时空的四维“容器”的哪些信息呢？答案其实有很多。

数个世纪以来，不同文化的哲学家、数学家和天文学家，都在争论和推测夜空的奥秘。但在20世纪20年代初，基于亨丽埃塔·斯旺·莱维特等人的研究，天文学家埃德温·哈勃首次提供了明确证据：通过望远镜看到的漩涡状星团，实际上是与银河系类似的遥远星系。哈勃通过拍摄造父变星（一种脉动的变星）等天体的详细长时间曝光图像，证实了仙女座星云等天体的真实性质——它们并非邻近的气体云，而是遥远的“世界岛屿”。

一个世纪以来，人类观测宇宙的清晰度和距离不断提升。詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）是目前已发射的最先进望远镜，它经常传回宇宙各处的惊人图像。利用太空望远镜和其他仪器的数据，天文学家、宇宙学家和天体物理学家能够推断和预测宇宙的形状、变化速度和特征。以下是我们目前已知和未知的信息。

我们先来说一个可能令人失望的事实：澳大利亚斯威本科技大学的天体物理学家萨拉·韦伯对《大众科学》表示：“从物理角度来说，我们绝对没有任何办法知道宇宙到底有多大。”

不过，我们知道宇宙的直径至少超过930亿光年。这是我们所处的“可观测宇宙”球体的直径。人类观测恒星的能力，受到宇宙年龄和光速的限制——我们只能看到宇宙大爆炸（约138亿年前发生）以来，有足够时间传播到地球的光。因此，我们能看到的最古老的光，来自138亿年前，传播距离达138亿光年。

但由于宇宙在光传播的整个过程中一直在膨胀，可观测宇宙的实际范围在各个方向上都远超138亿光年。光在138亿年前发出后，实际传播了465亿光年才到达我们的眼睛和望远镜。

韦伯说：“这意味着，理论上，当我们把所有因素都考虑进去时，空间的膨胀速度实际上超过了光速——这在概念上确实让人难以理解。空间和时间的‘虚无’，并不遵循物质和实体的物理定律。”

尽管我们没有关于宇宙总大小的确切证据，但韦伯认为宇宙很可能是无限的。她说：“没有理由认为宇宙是有边界的，也没有理由认为某个地方存在‘边缘’。”

宇宙是否存在边缘仍是未知数，但天体物理学家对宇宙的形状已基本达成共识：宇宙是“平坦”的，但可能并非你想象的那种“平坦”。这里的“平坦”并不意味着宇宙是二维的（毕竟时空是四维的），而是指在宇宙中沿直线前进且不改变方向，永远不会回到起点。韦伯表示，宇宙最可能像一张四维的“纸”，而非甜甜圈、球体或品客薯片的形状。

20世纪初，多位天文学家基于对遥远恒星光线的理论研究和观测，提出宇宙可能在膨胀。1924年，瑞典天文学家克努特·伦德马克首次找到了宇宙膨胀的观测证据。1929年，哈勃的研究证实了这些发现。这些早期观测都依赖于“红移”现象——这是多普勒效应在光学上的体现。

可以想象一下救护车警笛的声音变化：当救护车靠近时，警笛音调变高；远离时，音调变低。类似地，光线的感知也会受光源运动速度和方向的影响：光源向我们移动时，光线会偏蓝（蓝移）；远离时，光线会偏红（红移），因为光波的波峰和波谷会分别被压缩和拉伸。

哈勃等人发现，他们观测到的所有星系，从地球视角看都呈现红移，且距离越远的星系，红移现象越明显。这表明所有星系都在远离我们，且距离越远的星系，远离速度越快——因为我们与这些星系之间的“虚空”更多，膨胀效应更显著。

除了红移观测，古今天文学家还依赖“标准烛光”来估算宇宙的大小和膨胀速度。芝加哥大学的天文学家、博士候选人阿比盖尔·李解释道，标准烛光是亮度已知的宇宙“标记物”，可用于观测光线在时空传播过程中的变化。哈勃发现的首个标准烛光是造父变星——这类恒星会以固定周期发出明亮的光，通过周期可推算其与地球的距离。

李用一个生动的比喻解释了原理：“想象一个40瓦的白炽灯，所有相同瓦数的灯泡固有亮度都是相同的。但如果你在100英尺（约30.5米）外看这个灯泡，它会比在10英尺（约3.05米）外看起来暗。通过这种相对亮度差异，就能计算出灯泡的距离。宇宙中的造父变星也是如此。”其他用于相同目的的标准烛光还包括特定类型的超新星（即爆炸的恒星）、“红巨星分支顶端”恒星和碳星。李对《大众科学》表示：“我们知道这些恒星的固有亮度完全相同，因此可以利用这一特性测量距离。”

我们可以通过寻找包含这些标准烛光的星云，来估算地球与其他星系的距离。2011年，三位科学家因证实“宇宙不仅在膨胀，暗能量还在加速这一膨胀过程”，获得了诺贝尔物理学奖。

暗能量是一种神秘的排斥力，会将宇宙中的物质和天体推开。目前认为，暗能量的排斥力在整个宇宙中均匀分布，对所有天体的作用强度相同。但宇宙膨胀的观测效果并非均匀：在地球、太阳系和银河系内部，引力的吸引力使天体保持相对稳定，受暗能量影响较小；且膨胀速度在小尺度上并不明显，只有观测极遥远的天体时，才能探测到膨胀效应。

基于早期观测，哈勃首次提出宇宙膨胀速度约为500千米/秒/百万秒差距（Mpc，1百万秒差距约等于326万光年）。这一膨胀速度后来被称为“哈勃常数”（H₀），但这位天文学家最初的估算结果与实际值相差甚远。

如今，我们对膨胀速度的认识更加清晰。科学家普遍认为，哈勃常数在65-75千米/秒/百万秒差距之间。这个数值看起来复杂，因为宇宙膨胀速度与时间和距离都相关：空间范围越大、时间跨度越长，膨胀速度就越快。而哈勃常数的精确数值，目前仍存在争议——不同研究团队的测量结果往往不同。总体而言，两种主要测量方法得出的结果始终存在差异，这一矛盾被称为“哈勃张力”。

一种测量方法基于对邻近标准烛光的计算，得出哈勃常数为73±1千米/秒/百万秒差距；另一种方法基于对宇宙微波背景辐射的分析，得出的数值为67±1千米/秒/百万秒差距。李表示：“两种测量方法的误差范围都非常小，几乎没有重叠的可能。”

曾有一段时间，天文学家认为更精密的仪器可能会解决这一矛盾，使测量值趋于一致，但事实并非如此。李补充道：“人们的技术越来越先进，但这种张力并没有得到缓解。”即使是基于詹姆斯·韦伯太空望远镜最新数据的计算，也未能让哈勃常数的估算值更接近。

韦伯说：“目前暗能量理论正面临危机，因为各种观测结果相互矛盾，尽管所有研究过程都非常严谨。”

这种差异可能仍是测量误差导致的，但也可能暗示着更深层次的问题。韦伯提出：“或许，人们原本认为导致宇宙膨胀的暗能量，并非完全均匀分布；也可能，我们需要一套新的物理理论来统一这些观测结果。”

科学家正从各个角度攻克这一难题，既在努力改进测量方法，也在提出可能的宏观理论解释。李表示：“这些互补的研究方向很有意义。如果有人能提出一套能将所有现象联系起来的物理理论，或许我们就不用再纠结于误差；如果发现了重大测量误差，那也能解决问题。”

但所有这些研究都依赖持续的资金支持和政府投入。美国国家航空航天局（NASA）预算的大幅削减计划，可能会取消多项重大任务，包括“南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜”的发射。这台下一代太空望远镜专门为探索暗能量和宇宙膨胀之谜而设计，经过多年研发，目前已接近发射阶段，且进度提前、预算低于预期。但现在，它可能永远无法进入太空——这将使本可被揭示的新发现，陷入一片“黑暗”。

本文梳理了宇宙大小、形状与膨胀的关键科学认知，也指出了哈勃张力等未解难题。你认为“哈勃张力”最终会通过改进测量解决，还是需要新物理理论来解释？ 欢迎在评论区分享你的观点。

来源：悠悠趣闻