图源：美国航空航天局 /威尔金森微波各向异性探测器科学团队
大爆炸宇宙论是有史以来最成功的科学理论之一。该理论详细描述了今天的宇宙是如何在数十亿年的宇宙历史中形成的。它告诉我们，宇宙从一个热的、稠密的、均匀的、快速膨胀的状态开始，然后随着扩张和冷却，宇宙经历了一系列非常特殊的阶段:
第一个稳定的原子核形成；
第一个中性原子形成；
物质在重力作用下坍缩形成恒星；
第一批星团聚合在一起形成了星系和大尺度结构；
恒星燃料燃尽而死亡，并释放重元素；
这些重元素形成了新的恒星和岩质行星，最终形成了生命。
然而该理论并没有告诉我们宇宙在未来将如何演化。大爆炸宇宙论给出了几种可能，但没有额外信息以得出最终的答案。
图解：减速宇宙（左边）在最短的时间内达到目前的大小。宇宙最终可能会收缩并坍缩成“大坍缩”或无限膨胀。滑行宇宙（中间）比减速宇宙古老，因为它需要更多的时间来达到现在的大小，并且永远膨胀。加速宇宙（右边）更古老。事实上，由于推离星系的排斥力，膨胀的速度会增加。
图源: 美国航空航天局和欧洲航天局
宇宙的膨胀是两种对立的力的作用结果：一个力是使宇宙中的一切以不可思议的速度相互远离的最初膨胀速度，另一个力是趋于将万物聚集在一起的万有引力。弄清楚哪个力是赢家的关键是——宇宙是再次坍缩，是永远膨胀，是在前述两者之间的界限上，还是其他什么结果——是测量现在的膨胀率是多少，以及在很长一段时间内膨胀率是如何变化的。
图源：美国航空航天局 /威尔金森微波各向异性探测器科学团队
我们可以这样做的原因是不同类型的能量在宇宙中有着不同的进化。例如，物质的总能量是恒定的，但是能量密度随着宇宙体积增大而减小，所以物质密度随着宇宙大小的立方反比而减小。另一方面，辐射除了随体积减小外，其波长也会拉长，这意味着辐射密度会随宇宙大小的四次方反比而减小。其他类型的能量——宇宙弦、域壁或暗能量——也根据它们自己独有的方程式进化。所以如果你能搞清宇宙在过去的每一个节点是如何膨胀的，它的速率是多少以及是如何变化的，你就能确切地算出宇宙是由什么组成的，它的命运会是什么。
宇宙微波背景辐射中波动的最佳地图
图源：欧洲航天局和普朗克探测器
所以关键是要测量膨胀率。我们有很多不同的方法。一种是测量宇宙微波背景辐射(CMB)的波动:大爆炸留下的余晖。不同大小尺度上的热点和冷点分布模式使得我们能够重建宇宙的大量信息，比如宇宙是由什么组成的以及膨胀率是多少。
(象征性的)宇宙距离阶梯
图源：美国航空航天局/加州理工学院
另一种方法是使用不同类型的恒星、星系或超新星来构建一个宇宙“距离阶梯”。观测附近天体的属性并测量它与地球的距离，然后通过测量目标天体的固有属性来确定更远的距离。这通常依赖于“标准蜡烛”或“标准尺子”的概念，就像你可以通过测量60瓦灯泡的亮度来知道它离你有多远。
图解：从地面太空望远镜到哈勃空间望远镜和未来的詹姆斯·韦伯空间望远镜，描绘了探测早期宇宙的演化过程。
图源：美国航空航天局
但问题是，如果用两种不同的方法测量膨胀率——一种是通过宇宙微波背景辐射的波动，另一种是通过建立宇宙距离阶梯——会得到两种不同的结果。
图解：可以看到普朗克和哈勃测量的膨胀率明显不同。
图源：詹姆斯·布拉茨/国家无线电天文台
根据宇宙微波背景辐射，如今宇宙的膨胀率(哈勃膨胀率)是67±1 千米/秒/百万秒差距，而根据另一种方法(距离阶梯法)得出的膨胀率是74±2 千米/秒/百万秒差距。这可能看起来没什么大不了的，就像你对自己说的那样，“也许它介于这两个值之间: 差不多70看起来。”但现在这些不确定性是如此之小，以至于两个可能的测量值之间没有重叠。相反，只剩下两种可能:
第一种可能是使用的两种方法中有一个有着根本的缺陷:也许宇宙微波背景辐射的假设和推论是不正确的，或者也许我们无法校准距离阶梯上的更小的距离，使我们偏离了真正的值。
不过更令人兴奋的是，也许这两种测量都是正确的，它们测量的是不同的东西，这意味着宇宙的某些主要组成部分，比如暗物质或暗能量，正在随着时间的推移而改变。
图源：美国国家航空航天局，维基共享用户老陳修改，E.西格尔进一步修改
然而最重要的是，后来的测量结果显示宇宙的膨胀速率比我们根据早期测量结果所预期的要快8%。物理学中将有什么有趣的事情发生吗?是不是有一个额外的中微子在逗我们?或者暗能量与我们所想的不同，这是否意味着大撕裂，即宇宙在未来数十亿年撕裂自己是可能的呢?
“大撕裂”场景
图源：杰里米·泰福德/范德堡大学
现在，唯一的解决办法是收集更多更有用的信息，因为答案本身就写在宇宙的历史中。如果我们想知道确切答案，就要靠我们自己去探索，看看它到底告诉了我们什么！
参考资料
1.维基百科全书
2.天文学名词
3. forbes-没眉毛的寇拾叁-Ethan Siegel
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