爭論中的誕生
20世紀初，愛因斯坦發表廣義相對論之後，科學屆就宇宙的狀態產生極大爭論：宇宙究竟是靜態的,正如愛因斯坦當時所認為的那樣；還是動態的，如俄國物理學家亞歷山大·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態的爭論將由實驗觀測來分曉。
1929年，美國天文學家愛德溫·哈勃（Edwin Hubble）基於一批“河外星雲”（Extra-Galactic Nebulae）【注1】的觀測公佈了一項重大的發現：星雲的視向退行速度v與其距離D之間大致成正比關係[1]（圖1）， 即v =H0×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，宇宙是動態的。哈勃的發現因此被公認為宇宙膨脹理論的第一個觀測證據。v =H0×D被稱為哈勃定律，載入宇宙學教科書, 而其中的比例係數H0則被稱為哈勃常數，它代表當前宇宙一個單位距離的膨脹速度。
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隨後近百年中發展，並得到了更多的觀測證實。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]中理論上推匯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，發表於英國皇家天文學會月刊[3]，但已經遲於哈勃的文章兩年。哈勃1929的觀測文章並無引用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，也可能部分導致Lemaitre的結果不如哈勃的廣為人知[5]。2018年，國際天文學會（IAU）表決透過，改Hubble Law為 Hubble-Lemaitre Law。至此，經過了將近一個世紀，Lemaitre的地位得到了一定的認證。但IAU的動議本身也受到不少爭議[6]。關於科學貢獻的評價問題牽涉到諸多複雜社會因素，爭論恐怕還會持續下去。
科學史上諸多的重大突破，都是基於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歷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於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成正比關係的定律，v =H0×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透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。
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：H0=v/D，速度除以距離，它代表當前宇宙的膨脹速率，也直接關乎宇宙的年齡（1/H0為時間，直接給出宇宙年齡的一個數量級估計）。因此，自1929年以來，研究者們都在為不斷提高H0的測量精度而努力。
測量H0看起來十分簡單，小學生都能做，我們只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，只不過，他不只用了一個，而是24個“河外星雲”對H0給出限制以縮小誤差。但事實證明，H0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，並且頗具爭議。主要因為我們對於遙遠星體的距離D的測定十分困難。
哈勃在1929年估算出H0=465±50 km/s/Mpc，勒梅特1927年給出的估計在誤差範圍內也算接近。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，宇宙年齡小於地球年齡，這顯然是不合理的。宇宙年齡反比於H0，由此可見哈勃當初給出的H0值太大。1952年，德國天文學家沃爾特·巴德（Walter Baade）宣佈他測得的H0值約為哈勃當初所測值的一半，變化的關鍵在於星系的距離測定。
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係【注2】確定星系距離的，而巴德透過觀測發現造父變星也存在兩種不同的型別——經典型和第二型[7]，並且兩種造父變星遵循不同的周光關係。巴德透過這一修正將H0的值降了下來，從而解決了宇宙年齡與地球年齡之間的矛盾問題。20世紀後期，哈勃常數H0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爭論，前者堅信H0的值約為100 km/s/Mpc，而後者則認為H0的值會低至約50 km/s/Mpc。
和諧美好的發展期
21世紀伊始，合理且被廣泛認同的H0測量值終於出現了。2001年，美國天文學家溫蒂·弗裡德曼（Wendy L. Freedman） 領導的哈勃太空望遠鏡重點專案 (HST key project) 團隊根據近鄰宇宙中（通常指紅移小於0.1或0.15的範圍內）造父變星和Ia型超新星距離的觀測估算出H0=72±8 km/s/Mpc[8] 。這一數值剛好介於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爭論。隨後，來自早期宇宙的觀測結果大致上支援Freedman在近鄰宇宙測量，進一步肯定了科學界對H0約為70km/s/Mpc的信心。
對於早期宇宙，哈勃–勒梅特定律所描述的線性膨脹行為失效，宇宙學距離依賴於宇宙學模型。基於1998年宇宙加速膨脹的發現所建立的標準宇宙學模型[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訊號則是來自於大爆炸的餘暉——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佈，這一資料包含大量的資訊，可以用來測量諸多宇宙學引數，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，能用如此相互獨立的實驗來測量同一個物理量，再理想不過了。
21世紀之初最著名的CMB觀測衛星便是NASA於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年公佈了第一批觀測資料，隨後又在2007年、2009年和2013年初公佈了後續觀測資料，該專案基於CMB觀測和標準宇宙學模型所估算的H0值與近鄰宇宙觀測所給出的值始終是基本相符合的。這樣的結果讓諸多物理學家歎為觀止：兩組完全獨立的實驗，獨立的資料，並且，資料本身跨越了上百億年的宇宙歷史，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（標準宇宙學模型）而歎服；我們也有理由敬佩人類在科學測量的精度和準確度上的偉大成就。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H0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H0值，而紅色帶誤差棒的點則表示高紅移觀測所給出的H0值。可見在P13（表示普朗克衛星在2013年公佈的結果，後面會提到）這個點之前，藍色和紅色區域都是相互相容的（圖片來自：參考文獻[12]）
矛盾頻出的今朝歲月
在當今所謂的“精確宇宙學”時代，隨著測量精度的步步提高，哈勃常數的測量準確度再次出現極大的爭議。
2013年重磅來襲！WMAP組於2012年底剛公佈完他們的最後一批觀測，普朗克（Planck）衛星工作組隨後便於次年３月公佈他們在標準宇宙學模型框架下基於CMB觀測資料給出的結果為H0=67.9±1.5 km/s/Mpc[13]，這一結果比亞當·瑞斯（Adam G. Riess）團隊於2011年基於哈勃望遠鏡對近鄰宇宙的觀測所給出的值H0=73.8±2.4 km/s/Mpc[14]略低。早期宇宙的資料似乎傾向一個膨脹稍慢的宇宙（H0～68），而近鄰宇宙的直接測量傾向一個膨脹稍快的宇宙（H0～73）。粗看，兩大專案組所測得的H0數值似乎差不太多，都接近上個時代的70左右，但由於他們誤差範圍比之前縮小好幾倍，事實上他們的差異已經十分突出，統計上已有3個標準差的差異，也就是說，兩個結果一致的機率小於0.3%。
這一事件很快在天文學界掀起了一場熱議。隨後幾年，兩個專案組都在不斷審查更新各自的測量結果，甚至相互檢查對方的錯漏，然而，呈現出來的問題並無緩解，反而越來越嚴重。兩組值的差異從之前的3個標準差上升到了如今超過4個標準差，一個向左走、一個向右走，漸行漸遠（圖3）。Riess團隊於上月初（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個標準差。可見，兩者不同已是不可避免的事實。
圖3. 哈勃常數矛盾頻出的歲月（2013年至今）。左圖展示了近幾年公佈的H0測量值，其中紅色帶誤差棒的點表示低紅移觀測所給出的H0值，藍色帶誤差棒的點則表示高紅移觀測所給出的H0值（圖片來自：參考文獻[16])。這兩組值的分佈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》
爭論的可能結局
過去幾年，科學界對H0問題的討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矛盾。但截止到2021年聖誕節前夜，這個矛盾依然未得到公認的解決。那麼，早期宇宙資料對H0的限定與近鄰宇宙的直接測量結果不一致意味這什麼呢？大致的可能性有三：
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。所以，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，我們對物理的理解有問題。這是有可能的，但這個可能性一時也很難證實或者證偽。誠然，標準宇宙學模型是聯結早期宇宙與晚期宇宙的橋樑，用CMB資料得到的H0是帶有模型假設的，質疑標準宇宙學模型者往往提出修改宇宙的膨脹歷史，使得宇宙在早期的物質分佈符合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，往往透過引進額外的自由度，使得新的模型能夠在某個特殊的引數區間內與觀測資料符合。然而，目前還沒有某個修改標準模型的理論得到廣泛的認可。或許物理學的發展總是偏向於追求簡潔和諧的美，基於廣義相對論的標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，目前物理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。在物理學的發展史上，爭論似乎是常態；它意味著問題的存在，而物理學的發展，往往也是從提出新的問題開始的。所謂真理越辯越明，爭論很可能意味著下一次認識的突破。19世紀末的物理界也曾經認為當時的經典物理理論已經解釋了所有的物理現象，只有兩個例外，對於那兩個例外的關注和討論，後來直接導致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維度。
如今我們對於哈勃常數的爭論，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、持續的討論，將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”，因此哈勃稱之為“河外星雲”。
★ 注2：造父變星的亮度具有周期性的變化，並且，其變化週期與其亮度相關，所謂的“週期-光度”關係，或周-光關係，所以，我們只需測出造父變星的變化週期，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：
[1] Hubble, E., (1929) "A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae". Proceedings of the National Academy of Sciences. 15 (3): 168–73.
[2] Lemaître, G., (1927) “Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extra-galactiques”, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles, A47, p. 49-59
[3] Lemaître, 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), “Über 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
[6] Kragh, H. (2018) “Hubble Law or Hubble-Lemaître Law? The IAU Resolution”, arXiv:1809.02557
[7] Baade, W. (1956) “The period-luminosity relation of the Cepheids”. Proceedings of the National Academy of Sciences. 68, 5-16
[8] Freedman, W. L., et al. (2001). "Final results from the Hubble Space Telescope Key Project to measure the Hubble constant". The Astrophysical Journal. 553 (1): 47–72.
[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，中科院國家天文臺副研究員；2012年於北京師範大學天文係獲得博士學位，博士期間透過國家公派在美國堪薩斯州立大學訪問學習一年；曾在臺灣新竹清華大學及中科院國家天文臺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。
文稿編輯：趙宇豪
[ 責編：蔡琳 ]
