@ 2017.10.24 , 16:00

我们如何确定宇宙的年龄

我们如何确定宇宙的年龄
138亿岁的宇宙就在那里,天文望远镜深情的目光望过去,都是年轻时的样子。 credit: 123RF

毫无疑问,宇宙自大爆炸以来已经存在了138亿年,而且科学家们对这个数字非常有信心。事实上,这个数字的误差在一亿年之内——不到总时间的1%。但是在历史上,科学结论常常犯错,这次会不会又搞错了呢?有个叫John Deer的人问了这么个问题:

开尔文男爵估计太阳的年龄在20到4000万年之间,因为他建立的模型没有也不可能考虑量子力学和相对论。当我们研究宇宙的时候,我们是否有可能犯类似的错误?

我们先回顾一下历史,然后再回到现实情况来做更多了解。

我们如何确定宇宙的年龄
银河系中的各种天体能帮助我们估计宇宙的年龄,但是正如我们曾因为对太阳的原理缺乏了解而搞错了太阳系的年龄,我们会不会也搞错了宇宙的年龄? credit: 123RF

回到19世纪末,那时的人们就宇宙的年龄展开了一场大争论。查尔斯·达尔文从生物学和地质学的角度得出结论,宇宙如果没有几十亿年历史,那也至少有几亿年;而开尔文男爵研究了太阳及其工作方式,得出结论认为太阳要年轻得多。他只知道燃烧这样的化学反应以及引力引起的坍缩,后者是白矮星的能量来源;但是如果太阳源源不断的能量是靠燃烧反应产生的话,那太阳只能活几千万年。问题没有解决,两者的看法没有达成一致。

我们如何确定宇宙的年龄
我们的太阳和它的耀斑。它喷出的物质进入到太阳系中,并且太阳的核聚变损失了初始质量的0.03%,损失相当于一个土星。然而,在我们发现核聚变之前,我们无法准确地估计太阳的年龄。 credit: 123RF

当然,问题早已解决了几十年。这归功于核反应的发现以及爱因斯坦质能方程在太阳氢核聚变的应用。通过计算,我们知道了太阳的总寿命将有100-120亿年,而我们的太阳系存在了大约45亿年。太阳(天文学),地球(地质学)和生命(生物学)得出的结果不再矛盾。

现在我们有两种方法来估算宇宙的年龄:研究恒星和星系的年龄以及宇宙的膨胀。恒星本身是不太精确的量度,因为我们只能看到它们的一个阶段,然后来反推恒星的演化当我们有大量的恒星,如一个球状星团时,这是很有用的,而单个恒星就要困难很多。前者估算方法很简单:当大量的恒星在一起时,它们有各种不同的大小和颜色,有较热,较大,偏蓝色的,有较冷,较小,偏红色的。随着时间的推移,较大的恒星反应得也最快,所以它们将最先死去。

因此,如果我们观察幸存的恒星,我们就能知道其年龄有多大。许多星团的年龄超过120亿年,有些甚至超过130亿年。随着观测技术和能力的进步,我们不仅能测量恒星的碳,氧,和铁含量,还能利用铀和钍的放射性衰变的丰度,结合其他元素,我们可以直接追溯它们的年龄。

另外,还有一种更好、更精确的方法来测量宇宙的年龄:宇宙膨胀。

通过测量宇宙中的物体,物体移动的距离有多大,观测它们附近的,中距离以及远距离的光线的情况,我们可以重建宇宙的膨胀历史。我们现在知道我们的宇宙由大约68%的暗能量,27%的暗物质,4.9%的正常物质,0.1%的中微子和0.01%的辐射组成,今天。我们也知道这些成分是如何演化的,宇宙服从广义相对论的规律。把这些信息结合起来,我们的宇宙年龄估算就能足够令人信服。

在大爆炸发生几秒钟后,宇宙充满了各种混乱的粒子;几分钟后,宇宙降温并形成了最初的原子核。38万年后,电子和原子核结合成为最初的原子。在几十到亿万年的时间里,万有引力把这一物质聚集在一起,形成了星系。数十亿年之后,星系融合并成长为我们今天所看到的宇宙。从各种来源收集的数据,包括宇宙微波背景辐射、星系的大规模聚集、遥远的超新星和重子声学振荡,我们得出了一个令人信服的结果:宇宙的年龄为138亿年。

就算存在误差,也不太可能将对这138亿年的数字进行重大修改。即使有比我们所知的力、粒子和相互作用更基本的物理学,它们也不可能改变恒星运作的物理原理,重力如何随时间而变化,宇宙如何膨胀,或辐射/物质/暗能量如何构成我们的宇宙。这些东西是很好测量的,有很好的约束性,我们的理解也没出问题。即使随着暗能量演化,基本的常数,如G、c或h随着时间变化,或者标准模型粒子可以进一步分解,宇宙的年龄也不会有很大变化。

修订和惊喜可能会到来,但当涉及到宇宙的年龄,经过千年的思考,人类终于有了答案,它是可信的。

本文译自 forbes,由译者 Nivy 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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