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哈勃张力：宇宙学的危机还是新物理的信号？

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🟡 活跃争论 · 📅 2026年3月 · ⏱ 阅读约15分钟

宇宙正在膨胀——这一点没有争议。但膨胀得多快，物理学家量出了两个截然不同的答案，而且两边都声称自己没有错。这不是普通的数字之争：它有可能意味着我们引以为傲的宇宙学标准模型，在某个地方悄悄裂开了一道缝。

📋 本文目录
  1. 一个数字，两个答案
  2. 距离梯：宇宙的测量工具链
  3. 来自婴儿宇宙的声音
  4. 4σ 意味着什么？
  5. 三条解释路径
  6. 早期暗能量：最受关注的候选方案
  7. 其他新物理候选的尝试与困境
  8. 谁来裁判这场争论？
  9. 当前立场：裂缝，还是新大陆？

一个数字，两个答案

哈勃常数 H₀ 描述的是宇宙今天的膨胀速率：一个距离我们1 Mpc（约326万光年）的星系，正以多少 km/s 的速度离我们远去？这个数字小，但极其关键——它决定了宇宙的年龄、尺度、乃至演化历史。

问题是，测量这个数字的两大主流方法，给出的答案相差了大约 10%：

⚖️ 两大阵营的测量结果

  • 早期宇宙阵营（Planck 卫星 / CMB）：H₀ ≈ 67.4 km/s/Mpc
  • 晚期宇宙阵营（SH0ES / Cepheid + Ia 超新星）：H₀ ≈ 73 km/s/Mpc
  • 统计差异：约 4–5σ，两条误差棒几乎不重叠

67 和 73——看起来差了 6，但在宇宙学里，这 6 个单位是一场已经持续十余年的危机。Planck 卫星与 SH0ES 团队都是各自领域最精密的实验之一，他们都已反复检查了自己的系统误差。这场冲突至今悬而未决。[1]

距离梯：宇宙的测量工具链

要理解这场争论，先要理解”距离梯”——人类是怎么一步步量到遥远星系的。

没有哪把尺子能直接伸到几十亿光年以外。我们用的是一串”接力”：每一级用前一级校准，每一级有自己的误差。这套体系就像工程学中的误差传递：链条越长，累积误差越大。

🪜 距离梯的核心步骤

  1. 视差测量（近邻恒星）：利用地球公转造成的视角变化，测量距离。Gaia 卫星让这一步精度大幅提升。
  2. 造父变星（Cepheids）：这类恒星有稳定的”光变周期-光度”关系，可作为”标准烛光”，校准更远距离。
  3. Ia 型超新星：极亮且光度可标准化，可以延伸到数十亿光年，直接读出 H₀。

SH0ES（Supernovae H₀ for the Equation of State）团队在这条链条上投入了大量精力。2024年，他们用哈勃太空望远镜获得了小麦哲伦云中造父变星的新锚点，进一步强化了这一校准体系，H₀ 测量值维持在约 73 km/s/Mpc。[10]

当然，怀疑者并不缺席。有研究者专门重审了这条距离梯，从造父变星异常点的统计处理[13]到整个 Cepheid 测距体系的系统偏差[12]，都提出了批评。Efstathiou 在一篇颇具影响力的”封锁期思考”中明确表示，系统误差仍不能排除。[3]

不过，距离梯的辩护者也有底气：重分析数据后，张力依然存在。[11]

来自婴儿宇宙的声音

Planck 阵营用的是完全不同的方法——聆听宇宙诞生后38万年时留下的”声音”：宇宙微波背景辐射（CMB）。

宇宙早期是一团炽热的等离子体，声波在其中传播，留下了温度涨落的花纹。这些花纹中藏着宇宙学参数的精确”指纹”。Planck 卫星以超高精度测量了这张花纹，并在标准宇宙学模型（ΛCDM）框架下推算出：H₀ ≈ 67.4 km/s/Mpc。[7][8]

💡 认识论关键点

CMB 给出的 H₀ 不是直接测量今天宇宙的膨胀速率，而是在假设 ΛCDM 模型正确的前提下，通过早期宇宙的数据推算出来的。这意味着：若模型本身有缺口，推算值就可能系统性地偏移。

这是整场争论的认识论核心：一边是模型推断的宇宙，一边是直接测量的宇宙。即使考虑基础物理常数的细微变化，CMB 侧也很难自然地把 H₀ 推到 73 附近。[9]

4σ 意味着什么？

物理学中，2σ 是”有点意思”，3σ 是”值得关注”，5σ 才是”发现”的门槛。现在的哈勃张力已经稳稳处于 4–5σ 区间——这意味着，如果两边都没有未知系统误差，那么纯属统计巧合的概率小于万分之一。

让我们用爱因斯坦式的方式来感受这个数字。想象你用两块精密手表测同一段时间，一块显示1小时，另一块显示1小时6分钟，而两块表的制造商都声称自己的误差小于1分钟。你会怎么想？要么有一块表的误差被低估了，要么时间本身在你两次读数之间发生了某种你没有预料到的事情。

🧠 思想实验：两块宇宙时钟

假设你站在宇宙中心（当然，这在 FLRW 框架里是不存在的——任何地方都是”中心”），手里有两块表：

  • 表A（CMB 表）：读取的是婴儿宇宙留下的声波印记，换算出今天的膨胀速率。它非常稳定，但必须假设宇宙在138亿年里一直按同一套方程演化。
  • 表B（距离梯表）：实际观察今天的星系正在以多快的速度远离，通过多级校准得到 H₀。它更”直接”，但校准链每一环都藏着误差。

两块表差了 10%。如果 ΛCDM 是完整的真理，这种情形发生的概率不到万分之一。这就是哈勃张力之所以被称为”危机”的原因。[6]

三条解释路径

面对这道裂缝，物理学界分成了三个阵营，各执一词。

路径 A：本地距离梯存在系统误差

最保守的解释：SH0ES 的测量链条中藏着尚未发现的系统偏差。造父变星的金属丰度效应、星系拥挤区域的混入光、零点校准的选取——每一步都可能有微小但累积的偏差。[12][13]

Ia 型超新星的绝对星等标定也被重新审视——也许问题部分不在 H₀ 本身，而在光度标尺上。[16]

路径 B：ΛCDM 模型不完备

如果本地测量是对的，那错误就在另一头：ΛCDM 模型在 CMB 推断 H₀ 时使用了某个并不完整的假设。宇宙膨胀史在某个阶段可能有我们还没发现的成分。[4]

路径 C：新物理真的在敲门

最激进也最令人兴奋的可能：宇宙中存在标准模型之外的物理成分，它改变了宇宙的膨胀史，导致两种测量方法系统性地偏离。从早期暗能量到衰变暗物质，候选者众多，争论激烈。[1][5]

早期暗能量：最受关注的候选方案

在所有”路径C”候选中，早期暗能量（Early Dark Energy，EDE）是目前最认真被对待的一个。

它的核心思路是：在宇宙重组（氢原子形成）前后的某个短暂时期，存在一种能量密度迅速升降的暗能量成分。这相当于在早期宇宙”注入”了一小剂额外的能量，使声学视界（声子传播范围的宇宙尺度标尺）稍微缩短，从而让 CMB 反推的 H₀ 向上调整。[19]

用数学表达：CMB 功率谱中的声学峰位置由声学视界 rs 决定：

📐 声学视界公式

rs = ∫0z* cs(z) / H(z) dz

翻译成人话：声学视界就是宇宙早期声波能传多远。H(z) 是宇宙在红移 z 时的膨胀率。如果在重组前（z* ≈ 1100）加入额外能量，H(z) 在那段时期变大，声波就传得更慢、积分值更小，rs 缩短。rs 短了，在同样的角度上对应更远的距离，推算出来的 H₀ 就更大。这就是 EDE 想做的事。

2019年，Poulin 等人发表了 EDE 方案的标志性论文，证明这个思路在原则上可以将 CMB 推断的 H₀ 向上推到与本地测量兼容的范围。[19]此后，多个研究团队对这一方向进行了深化和变体开发。[20][21][22]

⚠️ EDE 的代价

EDE 不是免费的午餐。要”解决” H₀ 张力，它往往需要：

  • 引入对 CMB 高阶功率谱的额外约束；
  • 与 BAO（重子声学振荡）数据产生新的张力；
  • 模型越做越复杂（从简单标量场到”变色龙”EDE），自由度不断增加。[22]
  • 按照奥卡姆剃刀原则：一个需要如此多调节参数的解法，本身的可信度就要打折扣。

其他新物理候选的尝试与困境

宇宙学家并没有把鸡蛋都放在 EDE 这一个篮子里。其他候选方案也各有拥趸。

暗辐射：增加相对论性自由度

如果在早期宇宙增加”新型轻粒子”（用 Neff 参数描述额外的相对论性自由度），可以加快早期膨胀，部分缓解张力。但系统研究表明，这条路通常只能”缓解”而非”解决”——它把 4σ 降到 2σ，但这个剩余张力依然存在。[2]

衰变暗物质

如果早期宇宙中一部分暗物质会衰变为辐射或更轻的成分，这会改变宇宙膨胀史。Nygaard 等人系统研究了这一路线，发现它确实能向高 H₀ 方向调节，但同样面临与其他观测数据的兼容性挑战。[23]

暗能量与暗物质的相互作用

若暗能量不是简单的宇宙常数 Λ，而是与暗物质存在能量交换，这种”暗部门耦合”也可能改变宇宙膨胀率的演化。Pan 等人的总结显示，这类模型在参数空间有一定灵活性，但很难同时满足 CMB、BAO 和结构形成的多重约束。[24]

原初磁场

更”冷门”但有辨识度的候选：如果大爆炸后留下了原初磁场，它会改变重组期间的等离子体物理，进而影响声学视界和 CMB 功率谱。Jedamzik 和 Pogosian 系统探讨了这一方案，发现它确实提供了一条独立路径，但所需磁场强度需要精心调节。[25]

修正引力

如果广义相对论在宇宙学尺度上需要修正，那么对 H₀ 的推断也会受到影响。最新研究中，f(Q) 引力（基于非度量几何的引力理论）被用于同时分析 H₀ 张力和 BAO 张力，结果表明：修正引力可以调整 H₀，但同样难以同时消弭所有张力。[26]

失败的教训：功率谱特征

不是所有候选都经得起检验。2019年，Liu 等人系统研究了”在原初功率谱中引入带限特征”这一思路，结论干脆利落：这类调整不能真正解决哈勃张力。[27]失败案例同样是科学进步的一部分。

💡 Linder 的整体宇宙学视角

Linder 提出了一个重要警告：不能只盯着 H₀ 这一个数字。任何声称”解决了哈勃张力”的方案，都必须同时通过 BAO 约束、Ia 超新星数据、宇宙结构形成观测（σ₈ 张力）的检验。只调 H₀ 而在别处制造新张力，不是解决问题，是转移问题。[4]

谁来裁判这场争论？

真正决定这场争论命运的，不会是任何一套新理论，而是独立观测通道是否给出一致的答案。

红巨星支顶（TRGB）

TRGB 是与 Cepheid 完全独立的本地距离测量方法，利用红巨星演化到特定阶段时光度的突变点作为标准烛光。2024年的最新分析显示，TRGB 给出的 H₀ 约在 69–72 km/s/Mpc 区间，处于两大阵营之间，但误差较大，暂时难以充当决定性裁判。[14]

宇宙计时器（Cosmic Chronometers）

通过测量不同红移的老年星系年龄差，直接重建 H(z) 演化史，不依赖任何距离梯。Moresco 的综述显示，这条路在原理上最为”干净”，但目前精度还不足以裁决 67 vs 73 的争论。[17]

II 型超新星

与 Ia 型超新星不同，II 型超新星（核坍缩型）有更独立的物理机制。de Jaeger 等人用这一方法提供了对 H₀ 的独立约束，倾向于中间值，但误差棒仍然较大。[15]

快速射电暴（FRB）

最令人期待的新型探针。FRB 穿越宇宙时积累的色散量与沿途的重子密度相关，可用于推断宇宙学参数。Kalita 等人的研究展示了 FRB 作为哈勃张力仲裁工具的潜力——虽然目前精度有限，但未来数千个 FRB 样本有望提供独立且强力的约束。[18]

🔭 未来五年的关键实验

若以下观测结果集中出现，将大概率决定这场争论的走向：

  • LISA / 引力波标准警报器：双中子星并合独立测量 H₀，完全不依赖电磁距离梯；
  • DESI BAO 数据：已开始发布数据，对晚期宇宙膨胀史有极强约束力；
  • Vera Rubin 天文台（LSST）：将系统性扩大 Ia 超新星样本，检验现有距离梯稳健性；
  • 大量 FRB 目录（SKA 时代）：统计上有可能直接约束 H₀ 到 1% 精度。

当前立场：裂缝，还是新大陆？

现在说”宇宙学危机”，并不算夸张。[6]但说”已经发现新物理”，还太早。

更准确的表述是：哈勃张力是当前精密宇宙学中最像”裂缝”的地方之一。两套成熟的方法学正面冲突，而且在最新数据的背景下，大多数新物理候选方案都面临着”解决一个问题，制造另一个问题”的困境。[5]

Khalife 等人的综述对最新 SH0ES 和 SPT-3G 数据背景下的各类解法做了清点，结论是：没有一个方案能同时优雅地通过所有观测关卡。[5]

这让人想起1900年的物理学。当时，大多数物理学家认为经典力学已经”基本完成”，只剩几个”小问题”——以太漂移实验的零结果、黑体辐射的紫外灾变。结果，这两个”小问题”分别催生了相对论和量子力学。

哈勃张力会是下一个吗？我们不知道。但我们知道：一个 4–5σ 级别的矛盾，在物理学史上从来都不是”可以忽略的细节”。

🔭 万象点评

我们并不是只在争论一个常数。我们是在追问：宇宙的膨胀历史，究竟是被我们真正理解了，还是只是在标准模型框架内被暂时拟合了？

哈勃张力的迷人之处在于，它不是一个实验出错的迹象，而是两套精密实验同时正确、却彼此矛盾的迹象。这种情形在物理学史上有特殊地位：它往往意味着我们正站在某个新框架的门口，只是还没有推开那扇门。

从爱因斯坦的角度来想：如果宇宙的膨胀历史比 ΛCDM 预测的”更快一点点”，那么在某个地方、某个时代，有什么东西——也许是暗能量的一次短暂波动，也许是未知粒子的短暂登场——给宇宙加了一脚油门。找到那个”什么东西”，就是下一代宇宙学家的使命。

参考文献

  1. Kamionkowski M, Riess AG. The Hubble Tension and Early Dark Energy. Annual Review of Nuclear and Particle Science. 2023. DOI: 10.1146/annurev-nucl-111422-024107
  2. Gariazzo S, et al. On the dark radiation role in the Hubble constant tension. arXiv:2306.15067. 2023.
  3. Efstathiou G. A Lockdown Perspective on the Hubble Tension (with comments from the SH0ES team). arXiv:2007.10716. 2020.
  4. Linder EV. A Whole Cosmology View of the Hubble Constant. arXiv:2301.09695. 2023.
  5. Khalife AR, Bahrami Zanjani M, Galli S. Review of Hubble tension solutions with new SH0ES and SPT-3G data. JCAP. 2024. DOI: 10.1088/1475-7516/2024/04/059
  6. Krishnan C, Mohayaee R, Ó Colgáin E, et al. Does Hubble Tension Signal a Breakdown in FLRW Cosmology? Classical and Quantum Gravity. 2021. DOI: 10.1088/1361-6382/ac1a81
  7. Planck Collaboration. Planck 2013 results. XV. CMB power spectra and likelihood. A&A. 2013. DOI: 10.1051/0004-6361/201321573
  8. Planck Collaboration. Planck 2015 results. XI. CMB power spectra, likelihoods, and robustness of parameters. A&A. 2015. DOI: 10.1051/0004-6361/201526926
  9. Hart L, Chluba J. Updated fundamental constant constraints from Planck 2018 data and possible relations to the Hubble tension. MNRAS. 2020. DOI: 10.1093/mnras/staa412
  10. Breuval L, et al. Small Magellanic Cloud Cepheids Observed with the Hubble Space Telescope Provide a New Anchor for the SH0ES Distance Ladder. ApJ. 2024. DOI: 10.3847/1538-4357/ad630e
  11. Perivolaropoulos L, Skara F. A reanalysis of the latest SH0ES data for H0: Effects of new degrees of freedom on the Hubble tension. arXiv:2208.11169. 2022.
  12. Högås M, et al. Reassessing the Cepheid-based distance ladder: implications for the Hubble constant. arXiv:2412.07840. 2024.
  13. Becker MR, et al. On the Impact of Cepheid Outliers on the Distance Ladder. arXiv:1507.07523. 2015.
  14. Li S, et al. The Tip of the Red Giant Branch Distance Ladder and the Hubble Constant. arXiv:2403.17048. 2024.
  15. de Jaeger T, et al. The pursuit of the Hubble Constant using Type II Supernovae. arXiv:2305.17243. 2023.
  16. Camarena D, et al. The tension in the absolute magnitude of Type Ia supernovae. arXiv:2307.02434. 2023. DOI: 10.1007/978-981-99-0177-7_35
  17. Moresco M. Addressing the Hubble tension with cosmic chronometers. arXiv:2307.09501. 2023.
  18. Kalita S, et al. Fast Radio Bursts as probes of the late-time universe: a new insight on the Hubble tension. arXiv:2410.01974. 2024. DOI: 10.1016/j.dark.2025.101926
  19. Poulin V, Smith TL, Karwal T, Kamionkowski M. Early Dark Energy Can Resolve the Hubble Tension. Physical Review Letters. 2019. DOI: 10.1103/physrevlett.122.221301
  20. Herold L, Ferreira EGM. Resolving the Hubble tension with early dark energy. Physical Review D. 2023. DOI: 10.1103/physrevd.108.043513
  21. Niedermann F, Sloth MS. Resolving the Hubble tension with new early dark energy. Physical Review D. 2020. DOI: 10.1103/physrevd.102.063527
  22. Karwal T, Raveri M, Jain B. Chameleon early dark energy and the Hubble tension. Physical Review D. 2022. DOI: 10.1103/physrevd.105.063535
  23. Nygaard A, et al. Decaying Dark Matter and the Hubble Tension. arXiv:2307.00418. 2023.
  24. Pan S, et al. On the interacting dark energy scenarios – the case for Hubble constant tension. arXiv:2310.07260. 2023. DOI: 10.1007/978-981-99-0177-7_29
  25. Jedamzik K, Pogosian L. Primordial magnetic fields and the Hubble tension. arXiv:2307.05475. 2023.
  26. Nájera JA, et al. Comparing measures of the Hubble and BAO tensions in ΛCDM and possible solutions in f(Q) gravity. Galaxies. 2025. DOI: 10.3390/galaxies14020019
  27. Liu MX, et al. Band-limited Features in the Primordial Power Spectrum Do Not Resolve the Hubble Tension. ApJ. 2019. DOI: 10.3847/1538-4357/ab982e