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争論中的誕生
20世紀初，愛因斯坦發表廣義相對論之後，科學屆就宇宙的狀态産生極大争論：宇宙究竟是靜态的,正如愛因斯坦當時所認為的那樣；還是動态的，如俄國實體學家亞曆山大·弗裡德曼（Alexander Friedman）1922年根據廣義相對論提出的理論所預言的那般。這場關乎人類對宇宙基本狀态的争論将由實驗觀測來分曉。
1929年，美國天文學家愛德溫·哈勃（Edwin Hubble）基于一批“河外星雲”（Extra-Galactic Nebulae）【注1】的觀測公布了一項重大的發現：星雲的視向退行速度v與其距離D之間大緻成正比關系[1]（圖1）， 即v = H×D。這表明距離我們越遠的星雲，退行速度越快，進而表明宇宙是在膨脹的，宇宙是動态的。哈勃的發現是以被公認為宇宙膨脹理論的第一個觀測證據。v = H×D被稱為哈勃定律，載入宇宙學教科書, 而其中的比例系數H則被稱為哈勃常數，它代表目前宇宙一個機關距離的膨脹速度。
宇宙膨脹的事實無疑打開了人類認識宇宙的新編章，宇宙大爆炸理論也在随後近百年中發展，并得到了更多的觀測證明。需要指出的是，早在1927年，哈勃發表他的結果兩年前，比利時牧師，宇宙學家喬治·勒梅特( Georges Lemaitre)就在一篇文章[2]中理論上推導出星體的退行速度與其距離成正比，即後來公認的“哈勃定律”。可惜的是，Lemaitre 1927的文章發表在法語期刊上，大部分的英語世界未能在第一時間看到他的結果。雖然該文章在1931年被翻譯為英文，發表于英國皇家天文學會月刊[3]，但已經遲于哈勃的文章兩年。哈勃1929的觀測文章并無引用Lemaitre 1927（或者Friedman1922年[4]）的文章。英譯版本漏掉了法語版中幾個關鍵的細節，也可能部分導緻Lemaitre的結果不如哈勃的廣為人知[5]。2018年，國際天文學會（IAU）表決通過，改Hubble Law為 Hubble-Lemaitre Law。至此，經過了将近一個世紀，Lemaitre的地位得到了一定的認證。但IAU的動議本身也受到不少争議[6]。關于科學貢獻的評價問題牽涉到諸多複雜社會因素，争論恐怕還會持續下去。
科學史上諸多的重大突破，都是基于整個科學群落的長期積累，形成了突破的條件和環境，進而由少數的科學家或者團隊在恰當的曆史時期去完成封筆之作。打個不太恰當的比方，正如一群畫家合作創作一個巨幅畫像，完成最後點睛之筆的人固然對于畫像的成型十分重要，但其他人的貢獻也無可否認。哈勃的觀測發現也不例外，在哈勃的觀測結果之前，科學界對宇宙膨脹已經有明顯的預期（比如Friedman1922， Lemaitre1927），在這個意義上看，他們，以及整個參與這方面研究的科學家群落在探索宇宙膨脹的道路上都值得敬佩。
圖1. 反映遙遠星系的退行速度v與它們離地球的距離D成正比關系的定律，v = H×D（左圖，來自參考文獻[1]），在2018年10月經國際天文聯合會表決通過由原名哈勃定律改為哈勃（中圖）–勒梅特（右圖）定律, 以表示認可梅勒特在發現這一定律方面的貢獻。
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懵懂多變的嬰孩期
哈勃常數是現代宇宙學模型的一個關鍵性基本常數：H=v/D，速度除以距離，它代表目前宇宙的膨脹速率，也直接關乎宇宙的年齡（1/H為時間，直接給出宇宙年齡的一個數量級估計）。是以，自1929年以來，研究者們都在為不斷提高H的測量精度而努力。
測量H看起來十分簡單，國小生都能做，我們隻需測量某個遙遠星體相對我們的退行速度v，以及它與我們的距離D，就可直接用他們的比值v/D得到H0。事實上，這正是哈勃1929年所做的，隻不過，他不隻用了一個，而是24個“河外星雲”對H給出限制以縮小誤差。但事實證明，H的測量十分具有挑戰性，1929年至20世紀末這段時期，天文屆公認的哈勃常數測量值一直在發生大幅度變化，并且頗具争議。主要因為我們對于遙遠星體的距離D的測定十分困難。
哈勃在1929年估算出 H=465±50 km/s/Mpc，勒梅特1927年給出的估計在誤差範圍内也算接近。根據這個值推測出的宇宙年齡約為20億年, 而當時地質學家利用岩石中放射性同位素的衰變估算出的地球年齡約為30億年，宇宙年齡小于地球年齡，這顯然是不合理的。宇宙年齡反比于H，由此可見哈勃當初給出的H值太大。1952年，德國天文學家沃爾特. 巴德（Walter Baade）宣布他測得的H值約為哈勃當初所測值的一半，變化的關鍵在于星系的距離測定。
哈勃當年是在假設所有造父變星都是經典型的情況下利用其周光關系【注2】确定星系距離的，而巴德通過觀測發現造父變星也存在兩種不同的類型——經典型和第二型[7]，并且兩種造父變星遵循不同的周光關系。巴德通過這一修正将H的值降了下來，進而解決了宇宙年齡與地球年齡之間的沖突問題。20世紀後期，哈勃常數H的估計值在不斷下降。這期間最有名的事件是傑拉德·德沃古勒（Gérard de Vaucouleurs）與阿倫·桑德奇（Allan Sandage）兩位天文學家之間所進行的長久争論，前者堅信H的值約為100 km/s/Mpc，而後者則認為H的值會低至約50 km/s/Mpc。
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和諧美好的發展期
21世紀伊始，合理且被廣泛認同的H測量值終于出現了。2001年，美國天文學家溫蒂·弗裡德曼（Wendy L. Freedman） 上司的哈勃太空望遠鏡重點項目 (HST key project) 團隊根據近鄰宇宙中（通常指紅移小于0.1或0.15的範圍内）造父變星和Ia型超新星距離的觀測估算出H=72±8 km/s/Mpc[8]。這一數值剛好介于德沃古勒和桑德奇的結果之間，這才終結了德沃古勒團隊和桑德奇團隊之間的争論。随後，來自早期宇宙的觀測結果大緻上支援Freedman在近鄰宇宙測量，進一步肯定了科學界對H約為70km/s/Mpc的信心。
對于早期宇宙，哈勃–勒梅特定律所描述的線性膨脹行為失效，宇宙學距離依賴于宇宙學模型。基于1998年宇宙加速膨脹的發現所建立的标準宇宙學模型[9,10]，使得科學家能利用高紅移的距離—紅移資料來測定哈勃常數。人類現今所能觀測到的最遙遠的信号則是來自于大爆炸的餘晖——宇宙微波背景（CMB）輻射。我們所測量到的CMB輻射揭示了宇宙誕生約38萬年之後的物質分布，這一資料包含大量的資訊，可以用來測量諸多宇宙學參數，包括暗物質、暗能量和哈勃常數，前提是我們必須假定一個宇宙學模型。但從另一個角度來看，用CMB的資料測量哈勃常數，從方法到資料都與近鄰宇宙的測量完全獨立，能用如此互相獨立的實驗來測量同一個實體量，再理想不過了。
21世紀之初最著名的CMB觀測衛星便是NASA于2001年6月發射升空的威爾金森微波各向異性探測器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，簡稱WMAP）[11]。WMAP在2003年公布了第一批觀測資料，随後又在2007年、2009年和2013年初公布了後續觀測資料，該項目基于CMB觀測和标準宇宙學模型所估算的H值與近鄰宇宙觀測所給出的值始終是基本相符合的。這樣的結果讓諸多實體學家歎為觀止：兩組完全獨立的實驗，獨立的資料，并且，資料本身跨越了上百億年的宇宙曆史，得到的結果居然是吻合的。如果這一結果為真，我們不得不為宇宙的和諧（标準宇宙學模型）而歎服；我們也有理由敬佩人類在科學測量的精度和準确度上的偉大成就。這一時期可視為 哈勃常數和諧美好的發展期（圖2）。
圖2.哈勃常數和諧美好的發展期（2001年-2012年）。該圖展示了2001年至2016年期間H0的測量值；橫軸是年份，縱軸是H的測量值；其中藍色帶誤差棒的點表示來自近鄰宇宙觀測所給出的H值，而紅色帶誤差棒的點則表示高紅移觀測所給出的H值。可見在P13（表示普朗克衛星在2013年公布的結果，後面會提到）這個點之前，藍色和紅色區域都是互相相容的（圖檔來自：參考文獻[12]）
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沖突頻出的今朝歲月
在當今所謂的“精确宇宙學”時代，随着測量精度的步步提高，哈勃常數的測量準确度再次出現極大的争議。
這一事件很快在天文學界掀起了一場熱議。随後幾年，兩個項目組都在不斷審查更新各自的測量結果，甚至互相檢查對方的錯漏，然而，呈現出來的問題并無緩解，反而越來越嚴重。兩組值的差異從之前的3個标準差上升到了如今超過4個标準差，一個向左走、一個向右走，漸行漸遠（圖3）。Riess團隊于上月初（2021年12月初）釋出的預印本文章[15]中給出的最新分析結果顯示兩組值的差異已上升到了5個标準差。可見，兩者不同已是不可避免的事實。
圖3. 哈勃常數沖突頻出的歲月（2013年至今）。左圖展示了近幾年公布的H測量值，其中紅色帶誤差棒的點表示低紅移觀測所給出的H值，藍色帶誤差棒的點則表示高紅移觀測所給出的H值（圖檔來自：參考文獻[16])。這兩組值的分布和走勢很容易讓人聯想到繪本漫畫家幾米筆下的《向左右·向右走》
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争論的可能結局
過去幾年，科學界對H問題的讨論和關注可謂如火如荼，幾乎每個星期都有論文在這一領域發表，作者們往往試圖解決，或者聲稱解決了這一沖突。但截止到2021年聖誕節前夜，這個沖突依然未得到公認的解決。那麼，早期宇宙資料對H的限定與近鄰宇宙的直接測量結果不一緻意味這什麼呢？大緻的可能性有三：
第一：Planck資料，或者近鄰宇宙測量的資料，以及他們分析過程可能存在問題。這個嫌疑恐怕很難被徹底排除，因為兩個領域的觀測和資料分析都極為複雜，都是一個團隊，而不是某一個人，按照一定的流程分析處理得到的結果，這個過程原則上可以被100%重複，但實際上無人100%重複過。大部分的重新檢驗總是集中在最可能出現問題的方面，帶有檢查者的先驗判斷。如果有我們意想不到的誤差因素，就很難被究查出來。事實上，Planck團隊和Riess團隊已經有好幾次嘗試對自己的分析做深度排查，也多次質疑過對方的分析，但結果都沒有發現明顯的問題。是以，資料和資料分析過程的大問題至今沒有發現，也難以100%被排除，估計更加深度的排查還會繼續。
第二：兩邊的資料分析都沒問題，是現有的宇宙模型有問題，我們對實體的了解有問題。這是有可能的，但這個可能性一時也很難證明或者證僞。誠然，标準宇宙學模型是聯結早期宇宙與晚期宇宙的橋梁，用CMB資料得到的H是帶有模型假設的，質疑标準宇宙學模型者往往提出修改宇宙的膨脹曆史，使得宇宙在早期的物質分布符合CMB的資料，而晚期膨脹稍快，這樣就有可能讓CMB的資料同時也與晚期宇宙直接測量的膨脹率相符合，譬如修改引力模型或者提出早期暗能量模型，此類模型不在少數，往往通過引進額外的自由度，使得新的模型能夠在某個特殊的參數區間内與觀測資料符合。然而，目前還沒有某個修改标準模型的理論得到廣泛的認可。或許實體學的發展總是偏向于追求簡潔和諧的美，基于廣義相對論的标準宇宙學模型雖然還有許多懸而未解之謎，但它成功地解釋了無數的觀測資料，目前實體界似乎還沒有找到足夠的理由去接受其修改版本。
第三：我們還沒有想象到的其它可能性。在實體學的發展史上，争論似乎是常态；它意味着問題的存在，而實體學的發展，往往也是從提出新的問題開始的。所謂真理越辯越明，争論很可能意味着下一次認識的突破。19世紀末的實體界也曾經認為當時的經典實體理論已經解釋了所有的實體現象，隻有兩個例外，對于那兩個例外的關注和讨論，後來直接導緻了量子力學和廣義相對論的發現，打開了人類認識世界全新的次元。
如今我們對于哈勃常數的争論，本身說明了這個問題存在，或許也是個難得的契機。相信對這個問題公開、透明、持續的讨論，将帶給我們對宇宙新的認識。
★ 注1：當時哈勃和天文學界尚不知道銀河系之外還有類似銀河系的“河外星系”，是以哈勃稱之為“河外星雲”。
★ 注2：造父變星的亮度具有周期性的變化，并且，其變化周期與其亮度相關，所謂的“周期-光度”關系，或周-光關系，是以，我們隻需測出造父變星的變化周期，就可以推知其絕對亮度, 進而知道它所處的星系與我們的距離。
參考文獻：
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[3] Lema tre, G., (1931) “Expansion of the universe, A homogeneous universe of constant mass and increasing radius accounting for the radial velocity of extra-galactic nebulae”, MNRAS, 91, 483L
[4] Friedmann, A. (1922), “ ber die Krümmung des Raumes.” Zeitschrift für Physik, 10, 377-386.
[5] Livio, M., (2011) “Lost in translation: Mystery of the missing text solved”, Nature, 479, 171
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[7] Baade, W. (1956) “The period-luminosity relation of the Cepheids”. Proceedings of the National Academy of Sciences. 68, 5-16
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[9] Riess, A. G. et al., (1998) "Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant". Astronomical Journal. 116 (3): 1009–38.
[10] Perlmutter, S., et al. (1999). "Measurements of Omega and Lambda from 42 high redshift supernovae". Astrophysical Journal. 517 (2): 565–86.
[11] https://lambda.gsfc.nasa.gov/product/map/current/map_bibliography.cfm
[12] Freedman, W. L., (2017) “Cosmology at a crossroads”. Nature Astronomy, 1, 0169
[13] Planck Collaboration, Ade, P. A. R., et al. (2014) “Planck 2013 results. XVI. Cosmological parameters”, Astronomy & Astrophysics, 571, A16
[14] Riess, A. G., et al. (2011) “A 3% Solution: Determination of the Hubble Constant with the Hubble Space Telescope and Wide Field Camera 3”. The Astrophysical Journal, 730, 119
[15] Riess, A. G., et al. (2021), arXiv:2112.04510
[16] Riess, A. G. et al., (2019), “Large Magellanic Cloud Cepheid Standards Provide a 1% Foundation for the Determination of the Hubble Constant and Stronger Evidence for Physics beyond ΛCDM” , The Astrophysical Journal, 876, 85
作者簡介
陳雲，中科院國家天文台副研究員；2012年于北京師範大學天文系獲得博士學位，博士期間通過國家公派在美國堪薩斯州立大學通路學習一年；曾在台灣新竹清華大學及中科院國家天文台從事博士後研究工作；目前主要研究為lyman-alpha線叢的宇宙學應用、強引力透鏡宇宙學、暗能量理論及觀測檢驗。
蔡彥川，愛丁堡大學英國皇家學會大學研究員；2009年取得英國杜倫大學博士學位，曾在美國賓夕法尼亞大學，英國杜倫大學，愛丁堡大學從事博士後研究，主要研究涉及宇宙大尺度結構統計方法和觀測。
輪值主編：李然
責編：袁鳳芳
編輯：趙宇豪、柒柒
《中國國家天文》2021年12月刊
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