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【博科園-科學(xué)科普】毫無疑問，宇宙自宇宙大爆炸以來已經(jīng)存在了138億年，而且科學(xué)家們對(duì)這個(gè)數(shù)字非常有信心。事實(shí)上這個(gè)數(shù)字的不確定性（誤差）不到估計(jì)年齡的1%。但在過去一直是錯(cuò)誤的（過去有很多宇宙年齡的數(shù)據(jù)，如200億歲，150億歲，137億歲，30億歲等等），現(xiàn)在最精確的138.17億歲可能又錯(cuò)了嗎？

如果你看得足夠遠(yuǎn)，能看到的最遠(yuǎn)的時(shí)間是138億年：我們對(duì)宇宙年齡的估計(jì)，但這是正確的嗎？圖片：NASA / STScI / A. Felid

開爾文勛爵估計(jì)太陽的年齡在20到4000萬年之間，因?yàn)樗哪Ｐ蜎]有(不)包括量子力學(xué)和相對(duì)論。當(dāng)我們觀測(cè)宇宙的時(shí)候是否有可能犯類似的錯(cuò)誤？讓我們來看看歷史問題，然后跳到現(xiàn)代的情況去了解更多吧。

估計(jì)宇宙的時(shí)間，星星群、恒星和星云在我們銀河系是很有用的，但是如我們?nèi)狈α私夂阈堑倪^程導(dǎo)致了我們的太陽系的年齡估計(jì)錯(cuò)誤，是否也會(huì)弄錯(cuò)宇宙的年齡呢？圖片：ESO / VST survey

在19世紀(jì)末關(guān)于宇宙的年齡存在著巨大的爭議。查爾斯·達(dá)爾文(Charles Darwin)從生物學(xué)和地質(zhì)學(xué)的研究中得出結(jié)論，如果不是幾十億年的話，地球本身至少要有幾億。但凱爾文爵士看恒星是如何運(yùn)行得出的結(jié)論是：太陽本身需要更年輕。他所知道的唯一反應(yīng)是化學(xué)反應(yīng)，如燃燒和重力收縮，后者最終證明了白矮星的能量是如何得到的，但要放出那么多的能量，就相當(dāng)于太陽的生命周期只有數(shù)千萬年。

從太陽太陽耀斑，到遠(yuǎn)離我們的恒星拋射物質(zhì)，進(jìn)入太陽系是微不足道的核聚變的質(zhì)量損失降低了太陽的總質(zhì)量的0.03%的起始值：損失相當(dāng)于土星的質(zhì)量。然而在我們發(fā)現(xiàn)核聚變之前無法準(zhǔn)確地估計(jì)出太陽的年齡。圖片：NASA’s Solar Dynamics Observatory / GSFC

當(dāng)然，幾十年后隨著核反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)以及愛因斯坦的E = mc2在太陽中發(fā)生的氫聚變的應(yīng)用，這個(gè)問題得到了解決。當(dāng)充分計(jì)算后才意識(shí)到太陽的生命周期將會(huì)在10 - 120億年間，而我們太陽系的存在已經(jīng)有45億年了。太陽的年齡(來自天文學(xué))，地球(來自地質(zhì)學(xué))，生命(來自生物學(xué))都排列成連貫一致的圖像。

太陽、地球和地球上的生命歷史都有一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)代，但在19世紀(jì)末期地球年齡的證據(jù)表明它明顯比太陽大（但這是錯(cuò)誤的）。圖片：ISS Expedition 7 Crew, EOL, NASA

有兩種方法來計(jì)算今天宇宙的年齡：觀察單個(gè)恒星和星系的年齡，并研究膨脹宇宙的物理學(xué)。恒星本身是不那么精確的度量，因?yàn)槲覀冎荒茉谝凰查g看到它們，然后再推斷恒星的演化倒退。這在擁有大量恒星數(shù)據(jù)的時(shí)候很有用，比如球狀星團(tuán)，但對(duì)單個(gè)恒星來說更困難。這種方法很簡單：當(dāng)大量的恒星聚集在一起時(shí)，它們的大小和顏色各不相同，從熱的、大的和藍(lán)色的，到冷的、小的和紅色的。隨著時(shí)間的推移更大的恒星燃燒它們的燃料的速度是最快的，所以它們開始演化，直到死亡。

恒星的生命周期如圖所示的顏色/震級(jí)圖的上下文中理解。隨著恒星年齡的增長，數(shù)據(jù)圖表信息的變化，使我們能夠確定恒星集群星系的年齡。圖片版權(quán)：Richard Powell under c.c.-by-s.a.-2.5 (L); R. J. Hall under c.c.-by-s.a.-1.0 (R)

因此如果觀測(cè)到幸存者，就可以確定恒星的年齡。許多球狀星團(tuán)的年齡超過120億年，有些甚至超過130億年。隨著觀測(cè)技術(shù)和能力的進(jìn)步不僅測(cè)量了單個(gè)恒星的碳、氧或鐵含量，而且還利用了鈾和釷的放射性衰變豐度，結(jié)合宇宙中第一個(gè)超新星產(chǎn)生的元素，我們可以直接追溯到它們的年齡。

SDSS J102915+ 172927是一顆古老的恒星，它的重量只有太陽所擁有的重量的1 / 2萬，它的年齡應(yīng)該超過130億年——宇宙中最古老的恒星之一，甚至在銀河系之前就已經(jīng)形成了。圖片版權(quán)：ESO, Digitized Sky Survey 2

但有一種更好、更精確的方法來衡量宇宙的年齡：通過宇宙的膨脹。

我們宇宙未來的四個(gè)可能的命運(yùn)：最后一個(gè)似乎是我們生活的宇宙由暗能量主導(dǎo)。宇宙中存在的東西以及物理定律，不僅決定了宇宙的發(fā)展，也決定了宇宙的歷史。圖片：E. Siegel / Beyond The Galaxy

通過測(cè)量今天的宇宙，距離物體的移動(dòng)距離，以及它們?cè)诟浇木嚯x，在中間的距離，以及最大的距離，科學(xué)家們就可以重建宇宙的膨脹歷史?，F(xiàn)在知道我們的宇宙由大約68%的暗能量、27%的暗物質(zhì)、4.9%的正常物質(zhì)、0.1%的中微子和0.01%的輻射組成。我們也知道這些成分是如何隨著時(shí)間演變的，宇宙遵循廣義相對(duì)論的定律。把這些信息結(jié)合起來，形成一個(gè)單一的、引人注目的宇宙起源的圖景。

三種不同類型的測(cè)量，遙遠(yuǎn)的恒星和星系，宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，以及宇宙微波背景的起伏，告訴我們宇宙的膨脹歷史。圖片版權(quán)：NASA/ESA Hubble (top L), SDSS (top R), ESA and the Planck Collaboration (bottom）

在幾秒鐘內(nèi)宇宙是一團(tuán)電離粒子和反粒子，最終冷卻并允許在幾分鐘后形成剩余的原子核。38萬年后第一個(gè)穩(wěn)定的中性原子形成。在幾千萬到幾億年間引力將這個(gè)物質(zhì)聚集到恒星和星系中。在數(shù)十億年的時(shí)間里，星系融合在一起，形成了我們今天所看到的宇宙。從各種來源收集的數(shù)據(jù)，包括宇宙微波背景，星系的大規(guī)模聚集，遙遠(yuǎn)的超新星，重子聲學(xué)振蕩，到達(dá)了一個(gè)單一的，引人注目的圖景：一個(gè)已經(jīng)有138億年歷史的宇宙。

整個(gè)已知宇宙的宇宙歷史表明應(yīng)該從它的所有物質(zhì)的起源，以及所有的光，最終到宇宙膨脹的到結(jié)束和從炙熱的大爆炸的開始，從那時(shí)起已經(jīng)經(jīng)歷了138億年的宇宙演化，這是由多個(gè)來源證實(shí)的圖像。圖片：ESA and the Planck Collaboration / E. Siegel (corrections)

有一些不確定因素，維基百科引用我們的宇宙是13.799±00.21億歲了。如果在某個(gè)地方有一個(gè)系統(tǒng)性的錯(cuò)誤，那么2100萬年的不確定性很容易得到5到10倍。目前關(guān)于膨脹率(哈勃常數(shù))目前存在爭議，CMB表示它接近67公里/ s/ Mpc，而恒星和超新星指向更接近74公里/秒/ Mpc。在暗物質(zhì)/暗能量組合中存在不確定性，有些測(cè)量的比例為1:2，而另一些則為1:3或介于兩者之間。根據(jù)這些謎題的分辨率，可以想象宇宙可能會(huì)像137億年那樣年輕，或者高達(dá)140億歲。

測(cè)量宇宙膨脹歷史的一種方法是，回到我們能看到的第一束光，那時(shí)宇宙只有38萬年。另一種方法不會(huì)倒退到很遠(yuǎn)的地方，但也有可能被系統(tǒng)錯(cuò)誤所污染。圖片：European Southern Observatory

然而不太可能的是，這個(gè)138億年前的數(shù)字將會(huì)有一個(gè)重大的修正。即使有比我們所知道的力、粒子和相互作用更基礎(chǔ)的物理，它們也不太可能改變恒星如何運(yùn)作的物理學(xué)，如何隨著時(shí)間的推移而運(yùn)作，宇宙如何膨脹，以及輻射/物質(zhì)/暗能量如何構(gòu)成我們的宇宙。這些事情都是有差異的，受約束的，而且正如人們所理解的那樣，即使暗能量演化，像G、c或h等基本常數(shù)隨著時(shí)間變化，或者標(biāo)準(zhǔn)模型粒子可以進(jìn)一步分解，宇宙的年齡也不會(huì)從大爆炸到現(xiàn)在的改變。

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