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【2024科普中國青年之星創(chuàng)作交流活動】我家那本難念的經(jīng)叫哈勃沖突

中國科普作家協(xié)會
對科普科幻青年創(chuàng)作人才進行遴選和培訓(xùn)指導(dǎo),支持青年人的創(chuàng)作
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2011年,小皮特那時八歲,他終于等到一次父母都在家的周末,便纏著父母陪他去游樂場。

里斯給小皮特買來了氣球和冰激凌,小皮特舔著冰激凌問父親:“爸爸,你最近在研究什么?”

“哈勃常數(shù)?!?/p>

“那是什么?”

“嗯,簡單地說,就是河外星系退行速度同距離的比值。上次我給你講過宇宙紅移現(xiàn)象記得嗎,宇宙中的天體正在相互遠離,這一現(xiàn)象揭示了宇宙的膨脹狀態(tài),而距離越大退行速度也越大。”里斯教授想盡可能地用簡短的語句解釋,但似乎還是有些復(fù)雜。

“對了爸爸,上次聽你說完宇宙紅移現(xiàn)象后,我在想,所有天體都在離我們遠去,這不就意味著地球是宇宙的中心嗎?”小皮特瞪大他的眼睛問道。

“不,孩子,想象地球和其他天體都在這個氣球的表面上,當(dāng)氣球膨脹到很大時,是不是地球和這些天體都離得更遠了,但地球并不在氣球的中心,對嗎?”里斯用手在氣球上比劃著。

小皮特似乎懂了,心滿意足地吃了口冰激凌,又轉(zhuǎn)頭看向一旁的母親,問道:“媽媽,那你最近在研究什么?”

蘇珊看了一眼里斯,摸了摸小皮特的頭,回答道:“我也在研究哈勃常數(shù),親愛的?!?/p>

“哦?為什么你也在研究這個,這個常數(shù)很重要嗎?”小皮特一臉驚訝地問道。

“是的寶貝,試想下,哈勃常數(shù)本質(zhì)上是速度除以距離。那么它的倒數(shù)就是距離除以速度,即時間。因此,哈勃常數(shù)還與宇宙年齡密切相關(guān),假設(shè)宇宙勻速膨脹,哈勃常數(shù)的倒數(shù)也就是哈勃時間,就等于宇宙年齡?!?/p>

小皮特眨眨眼睛似乎聽懂了,又問道:“那宇宙有多少歲了?”

“根據(jù)你爸爸之前測算的數(shù)據(jù),宇宙年齡大概是130億年左右?!?/p>

小皮特聽罷陷入了沉思,130億年是什么概念對他來講還無法理解。過了一會兒,小皮特看了看里斯又看了看蘇珊,問道:“那你們在一起工作嗎?”

里斯和蘇珊同時搖了搖頭,蘇珊解釋道:“不,親愛的,爸爸和媽媽要用不同的方法來得出哈勃常數(shù)的值?!?/p>

這一年早些時候,里斯領(lǐng)銜的團隊根據(jù)對9個星系中造父變星的距離測量,計算得到哈勃常數(shù)的新數(shù)值為73.8km/s/Mpc,誤差范圍為2.4。這9個星系中,有8個星系曾經(jīng)被觀測到Ia型超新星爆發(fā),這使得里斯擁有了更精確的“標準燭光”。

兩年后,蘇珊團隊利用普朗克衛(wèi)星得到的數(shù)據(jù)代入宇宙學(xué)標準ΛCDM模型擬合得到的哈勃常數(shù)為67.4km/s/Mpc,誤差為0.5,這與里斯團隊之前用距離階梯法得到的哈勃常數(shù)相差接近10%。

里斯坐在沙發(fā)上一只手扶著頭,一言不發(fā)。蘇珊走過來撫摸著丈夫的背,溫柔地說道:“別擔(dān)心親愛的,可能只是哈勃望遠鏡在遠距離上精度不夠。”

“但愿是吧。否則……”里斯長舒一口氣道,他希望省略的這半句話不要成為現(xiàn)實,但他心底里相信自己之前的結(jié)果。

從這天開始,小皮特能明顯感覺到家里的氣氛變得凝重,父親郁郁寡歡,而母親似乎更為意氣風(fēng)發(fā),偶爾會關(guān)心下父親。

后來小皮特得知父母得出的兩種不同的哈勃常數(shù)結(jié)果被稱為“哈勃沖突”,似乎必須有一方向另一方妥協(xié),顯然現(xiàn)在暫時妥協(xié)的是父親。在向好友介紹自己的家庭時,小皮特會像大人那樣說道:“中國有句古話叫家家都有本難念的經(jīng),而我家這本叫哈勃沖突?!?/p>

這一年,蓋亞(Gaia)衛(wèi)星升空,它可以測量到大約幾萬光年的距離。里斯團隊執(zhí)行了“超新星H0狀態(tài)方程”項目,簡稱“SH0ES”(酷似“鞋子”的英文SHOES)。“SH0ES”結(jié)合哈勃與蓋亞兩大望遠鏡的觀測,對距離階梯的每一級進行更精確、誤差更小的測定。

一晃九年過去,2022年,里斯等人根據(jù)SH0ES項目的觀測,得到哈勃常數(shù)為73km/s/Mpc,誤差為1。哈勃沖突仍在繼續(xù),里斯在家中變得強勢起來,他和蘇珊經(jīng)常吵架。而小皮特則考入了麻省理工學(xué)院物理學(xué)與天文學(xué)專業(yè)。里斯曾經(jīng)勸小皮特不要去當(dāng)一個天文學(xué)家,小皮特則說:“解決家庭矛盾就需要解決哈勃沖突,要解決哈勃沖突就要測準哈勃常數(shù),我將解開這個謎題,讓這個破碎的家重新圓滿。”

2023年,里斯團隊使用詹姆斯·韋布空間望遠鏡對5個星系進行了觀測,它們都曾經(jīng)爆發(fā)過Ia型超新星,且包含大量造父變星。他們從這些星系中確定出1000多顆造父變星,由此計算出的哈勃常數(shù)與之前使用哈勃望遠鏡得出的數(shù)據(jù)幾乎一致。得出結(jié)論的一剎那,里斯高興極了,之前近十年時間學(xué)界一直把哈勃沖突的鍋甩給里斯團隊,現(xiàn)在終于一雪前恥。

但是里斯臉上的笑容馬上消失了,因為他隨即明白這對蘇珊意味著什么。果不其然,蘇珊連著三天沒有回家,也沒有接里斯的電話。

對蘇珊來說,她使用的宇宙標準模型肯定哪里出了錯,但這個模型在之前各個領(lǐng)域都被充分驗證了,所以此刻蘇珊的腦子里只有一句話:宇宙學(xué)不存在了。

三天后,蘇珊收到了里斯發(fā)來的信息:別難過了親愛的,說不定上帝本就沒想讓我們測準哈勃常數(shù),讓小皮特這代人去探索宇宙的奧秘吧。我訂了塔希提島的機票,我們好久沒一起度假了。我愛你。

蘇珊流下了眼淚,讓她過意不去的是,這十年來她一直理直氣壯地認為丈夫算錯了哈勃常數(shù),這一刻她突然意識到夫妻倆又何必在乎誰算對誰算錯呢。

于是她給里斯回了信息:塔希提聽起來不錯,我也愛你。之后便回了家,于丈夫緊緊相擁在一起。

在小皮特上研究生的第一堂課上,馬克教授介紹道:“如果距離階梯法對哈勃常數(shù)的測量確實準確,那ΛCDM模型中的其他參數(shù)必須改變,這樣才可以讓這個模型擬合出的哈勃常數(shù)等于距離階梯法得到的值。這里的‘其他參數(shù)’涉及暗能量、暗物質(zhì)、宇宙曲率,等等。

因此,要想解決這個問題,可能要假設(shè)有奇特的暗能量,或奇特的暗物質(zhì),或新的相對論性粒子,比如奇特的中微子,或者假設(shè)宇宙是輕微彎曲的。如果這些假設(shè)中的任何一個成立,就意味著基礎(chǔ)物理學(xué)又要發(fā)生新的變革?!?/p>

畢業(yè)后皮特主攻的方向是宇宙誕生至今哈勃常數(shù)的大小隨時間的關(guān)系,他猜想父母可能都是對的,但其中一個測出的是H0,另一個則是另一個時點的哈勃常數(shù)。

里斯夫婦明白他們這輩子可能無法看到哈勃沖突的謎底了,但這也沒什么,因為小皮特將繼續(xù)他們的事業(yè),他們相信人類總有一天能解開宇宙的奧秘。

作者:唐高巍

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評論
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太師級
2025-05-28
緣易壇
庶吉士級
小皮特一家與哈勃常數(shù)研究的故事。2011年,里斯教授和蘇珊博士分別用不同方法研究哈勃常數(shù),得出了不同的結(jié)果,引發(fā)了“哈勃沖突”。小皮特在父母的影響下對天文學(xué)產(chǎn)生興趣,并決心解決哈勃沖突。經(jīng)過多年研究,里斯團隊使用詹姆斯·韋布空間望遠鏡觀測到的數(shù)據(jù)顯示他們的計算是正確的,而蘇珊的模型可能存在問題。最終,里斯夫婦意識到他們可能無法看到哈勃沖突的謎底,但他們相信人類總有一天能解開宇宙的奧秘。
2025-05-19
緣易壇
庶吉士級
里斯和蘇珊夫婦因哈勃常數(shù)的測量結(jié)果產(chǎn)生分歧,引發(fā)“哈勃沖突”。里斯團隊利用SH0ES項目和詹姆斯·韋布空間望遠鏡觀測星系,得出與之前一致的哈勃常數(shù)值。蘇珊則使用ΛCDM模型得出不同結(jié)果。小皮特決定研究哈勃常數(shù)隨時間變化的關(guān)系,以解決家庭矛盾和科學(xué)問題。馬克教授指出,如果距離階梯法準確,ΛCDM模型中的其他參數(shù)可能需要改變。
2025-05-19