原創(chuàng) 張軒中 全國(guó)少工委 2022-06-13 17:01 發(fā)表于北京

一個(gè)人的年齡，一般不會(huì)超過120歲。一棵樹的年齡，一般不會(huì)超過3000年。地球已經(jīng)有46億年歷史了，那宇宙有年齡嗎？如果有，它現(xiàn)在多少歲了？我們要怎么測(cè)它的年齡呢？

宇宙也有年齡

首先，宇宙是有年齡的。跟我們?nèi)祟愐粯?，宇宙也有一個(gè)出生日期，當(dāng)天還發(fā)生了一件大事——宇宙大爆炸。

別看宇宙現(xiàn)在這么大，其實(shí)最初它只是一個(gè)小得不能再小的點(diǎn)，在大爆炸之后才迅速變大了。剛出生的宇宙比一粒黃豆還要小，具體小到什么程度呢？科學(xué)家告訴我們，最初的宇宙半徑要小于0.0000…0001米（這里一共有35個(gè)零）。

因此，當(dāng)我們說(shuō)到宇宙的年齡時(shí)，其實(shí)是從宇宙大爆炸開始算的。那么，從宇宙大爆炸到現(xiàn)在，已經(jīng)過去了多少年呢？

科學(xué)家說(shuō)，這個(gè)問題需要把理論和觀測(cè)結(jié)果結(jié)合起來(lái)才能解答。光有理論或者光有觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，是沒法找到答案的。這就好像你在理論上是爸爸媽媽生出來(lái)的，但具體到你幾歲了，還需要對(duì)你進(jìn)行一定的實(shí)驗(yàn)測(cè)量才能知道——比如看看你的牙齒，或者看看你的身高。

需要根據(jù)宇宙學(xué)理論，再結(jié)合對(duì)超新星以及宇宙微波背景輻射的天文觀測(cè)，才能回答這個(gè)問題。

宇宙在膨脹

那么，計(jì)算宇宙的年齡具體需要什么宇宙學(xué)理論呢？

這里不得不提到天體物理學(xué)的重要理論——愛因斯坦的廣義相對(duì)論。1916年，愛因斯坦建立廣義相對(duì)論后，開始思考要怎么用廣義相對(duì)論的方程來(lái)描述我們的宇宙。最后，他提出了所謂的“宇宙學(xué)原理”。

宇宙學(xué)原理并不復(fù)雜：宇宙空間中的每一點(diǎn)都是雷同的，沒什么區(qū)別——這就像我們看一個(gè)乒乓球，會(huì)覺得乒乓球上的每一點(diǎn)都是一樣的，沒什么區(qū)別。也就是說(shuō)，在宏大的宇宙學(xué)尺度上，我們銀河系所在的位置跟仙女星系所在的位置，在本質(zhì)上并沒什么兩樣。當(dāng)然，在小的尺度上，宇宙學(xué)原理是不適用的。比如，太陽(yáng)系內(nèi)部有的地方密度大，有的地方密度小，它們當(dāng)然是不一樣的。

因此，在使用宇宙學(xué)原理的時(shí)候，我們一般把銀河系這樣的星系看成是一個(gè)點(diǎn)，不需要細(xì)致地考慮它內(nèi)部的情況。于是，根據(jù)這個(gè)原理和廣義相對(duì)論，科學(xué)家推導(dǎo)出這樣一個(gè)結(jié)論：宇宙空間一直在膨脹變大。

也就是說(shuō)，如果我們能夠看到宇宙空間膨脹變大的過程，就可以了解宇宙的歷史了。這就好像我們看著一個(gè)嬰兒從牙牙學(xué)語(yǔ)到長(zhǎng)大成人，肯定能知道他大概幾歲。如果能看著他出生，我們對(duì)他精確的年齡就更清楚了。同樣的道理，除非我們能看到宇宙大爆炸瞬間的情景，否則很難精確地推斷出宇宙的年齡。

哈勃算年齡

這時(shí)候，對(duì)宇宙和太空的天文觀測(cè)結(jié)果就派上用場(chǎng)了。

因?yàn)橛钪娲蟊ㄋ查g的情況，現(xiàn)在的我們不可能觀測(cè)得到，所以要通過觀測(cè)大爆炸以后的情況，間接地推算出宇宙的年齡。

大約100年前，有個(gè)很厲害的天文學(xué)家叫愛德文·哈勃。他通過觀測(cè)銀河系外其他星系的運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)了宇宙正不斷膨脹的秘密。接著，他還估算出了宇宙膨脹的速度。根據(jù)這個(gè)速度，他反向推算出宇宙至今總共膨脹的時(shí)間?？上У氖牵浪愕挠钪媾蛎浰俣群懿粶?zhǔn)確，所以他算出來(lái)的宇宙年齡也是錯(cuò)的。

哈勃為什么會(huì)算錯(cuò)呢？這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)他用的天文望遠(yuǎn)鏡不夠高級(jí)，看不了很遠(yuǎn)。要是哈勃能看得更遠(yuǎn)，就可以看到更古老的宇宙，那么他將發(fā)現(xiàn)——宇宙并不是均勻膨脹的，而是在加速膨脹。

到了1998年，新一代天文學(xué)家通過對(duì)一類超新星的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，宇宙不僅像哈勃說(shuō)的那樣正在膨脹，而且早在46億年前（也就是地球誕生的時(shí)候）就開始了加速膨脹。這就好比通過觀測(cè)一個(gè)小朋友的身高，我們能大致判斷出他的年齡。但小朋友在十幾歲的時(shí)候身體會(huì)發(fā)育，短時(shí)間內(nèi)加速長(zhǎng)高，像宇宙加速膨脹那樣。如果我們不知道小孩子會(huì)經(jīng)歷發(fā)育期，僅從身高來(lái)估算年齡就會(huì)出現(xiàn)很大的誤差。

通過觀測(cè)這類超新星，我們可以把宇宙在各個(gè)時(shí)期膨脹的速度測(cè)得更準(zhǔn)，從而把宇宙的年齡算得更準(zhǔn)。

宇宙最早的光

只觀測(cè)超新星就能知道宇宙的年齡嗎？

當(dāng)然不行，因?yàn)樵谟钪娲蟊ㄖ蟮?億年內(nèi)，是沒有超新星存在的，甚至連恒星都沒有。因此，要想精確測(cè)定宇宙的年齡，我們得讓天文望遠(yuǎn)鏡看得更遠(yuǎn)，通過觀測(cè)宇宙微波背景輻射去看宇宙更早期的情況。

宇宙微波背景輻射聽起來(lái)真復(fù)雜，它到底是什么呢？

如果有一個(gè)冰箱生產(chǎn)商宣稱能生產(chǎn)出零下280攝氏度低溫的冰箱，那他肯定是在撒謊，因?yàn)橛钪娴淖畹蜏囟纫膊帕阆?73.15攝氏度。這個(gè)溫度是宇宙最早發(fā)出的光的溫度，這個(gè)光就叫作宇宙微波背景輻射。

宇宙雖然是大爆炸產(chǎn)生的，但大爆炸的瞬間并沒有火光出現(xiàn)，一切都在黑暗中進(jìn)行。隨著宇宙溫度的降低，光子獲得自由，能夠跑出來(lái)被我們看到。也就是說(shuō)，宇宙微波背景輻射就是宇宙大爆炸所遺留下來(lái)的古代光。

前段時(shí)間，利用智利阿塔卡馬沙漠高處的一個(gè)天文望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家對(duì)宇宙微波背景輻射進(jìn)行了新的觀測(cè)。他們的觀測(cè)結(jié)果表明，宇宙已經(jīng)有137.7億年歷史了，正負(fù)誤差為4000萬(wàn)年。

這個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)還跟普朗克衛(wèi)星對(duì)宇宙微波背景輻射的測(cè)量數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證。

目前，二者給出的結(jié)論是宇宙的年齡在138億年左右。這是目前人類對(duì)宇宙年齡最精確的測(cè)量。