宇宙的年龄
绝世美人儿
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2020年07月29日 06:09
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人类一直在追问：宇宙的年龄到底多大了
1929年，天文学家哈勃
一语惊醒梦中人
科学家现在普遍相信，宇宙原来是从一个很小很小的“点”开始的 资料图片
欧洲航天局2013年3月21日公布了迄今为止最为详细的宇宙微波背景辐射图，这些图像披露了宇宙诞生38万年后的景象，同时将宇宙的年龄定格为138.2亿岁。
浩渺的宇宙无声而又漫长地存在了这么久，让人不免心生好奇：宇宙究竟是个啥模样？从何处来，往何处去呢？发现周刊记者为此专访了紫金山天文台的吴雪峰研究员，请他来为我们揭开宇宙的神秘面纱。 现代快报记者 吴怡
远古传说
“宇宙”是什么
“宇宙”这个词，最初只是“宇”和“宙”两个独立的字眼，出自《文子·自然》：“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。”《尸子》中也有记载：“上下四方曰宇，往古来今曰宙。” 意思很简单，“宇”代表上下四方，即所有的空间，“宙”代表古往今来，即所有的时间，所以“宇宙”这个词有“所有的时间和空间”的意思。
对日出而作，日落而息的古人来说，不管是头顶的苍天，还是脚踏的土地，无一不充满着神秘。为此，对于宇宙的来历，古人幻想出了各种各样的起源。其中，最为中国人熟知的，莫过于盘古开天辟地。在西方传说中，同样有一个能与盘古相提并论的创始者，那就是上帝。
不管是盘古开天，还是上帝造人，说到底都是人类丰富想象力的结晶。如何从科学的角度了解宇宙，成为从古至今，无数智者苦苦探求的话题。
理论初现
从“天圆地方”
到哥白尼“日心说”
在中国古代，关于宇宙的结构主要有三派学说，即盖天说、浑天说和宣夜说。盖天说认为大地是平坦的，天像一把伞覆盖着大地，也就是大家最熟知的“天圆地方”理论；浑天说认为天地的结构就像一个鸡蛋，地在中心，天在周围环绕；宣夜说则认为天是无限而空虚的，星辰就悬浮在空虚之中。
从公元前六世纪到公元一世纪，在古代希腊和罗马，关于宇宙的构造也有过许多学说。如毕达哥拉斯学派的中心火焰说；赫拉克利特的日心说；柏拉图的正多面体宇宙结构模型等等。
进入中世纪后，宇宙学成为一门具体学科，西方普遍认同地心说。地心说最初由古希腊学者欧多克斯提出，即地球处于宇宙中心静止不动。从地球向外依次有月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星，在各自的轨道上绕地球运转。地心说是世界上第一个行星体系模型，虽然后来被证实是错误的，但曾得到亚里士多德等人的认
同和发展，对人们研究宇宙有过里程碑作用。
16世纪，波兰科学家哥白尼出版了著作《天球运行论》，并且提出了在当时惊世骇俗的“日心说”。哥白尼认为，太阳才是银河系的中心，所有星球都是围绕太阳旋转。这一理论使天文学从宗教神学的束缚下解放出来，自然科学从此获得了新生。
现代宇宙学
现在我们通常理解的宇宙，是由空间、时间、物质和能量所构成的统一体，是一切空间和时间的综合。如果非要用语言来形容它的形状，那应该是呈现多重镶嵌模式，各种不同的空间、时间的完美融合。在得出这一概念以前，科学家尝试了多种理论，去解释宇宙的状态。
认识阶段1 宇宙是稳定态的，存在仅为两三百万年
早在18世纪，有科学家利用当时的测量仪器指出，宇宙存在仅为两三百万年，且无法追溯源头，但将无限存在下去。不少科学家提出了稳恒态宇宙模型，它认为宇宙在大尺度上的物质分布和物理性质是不随时间变化的，稳恒不变。不仅在空间上是均匀的，各向同性的，而且在时间上也是稳定的。
这个理论得到了包括爱因斯坦在内的诸多科学家的广泛认可，但到了20世纪下半叶被观测所推翻。
认识阶段2 天体在加速远离，离我们越远速度越大
二十世纪初，天文学家惊奇地发现，许多遥远天体辐射的光谱谱线都存在“红移”现象。在当时，天文学家还不知道很多这类天体并非起源于银河系，而是和银河系同一级别的河外星系。
美国天文学家埃德温·哈勃和合作者在1929年发表研究论文，声称越远的天体，光谱红移值越大。
“红移”是什么？吴雪峰表示，要理解这个概念，其实很简单。“当一辆火车从远而近驶来，我们听到的声音，越来越尖锐，先是频率不断增加，声音的波长减小；在火车擦身而过后，频率又逐渐减小，波长增大——这就是著名的‘多普勒效应’”。
红移意味着天体发出的电磁波波长增加。哈勃的这个发现告诉我们，宇宙中的星系在不断离我们远去，而且，离我们越远，远离速度也就越大。哈勃的惊人发现，标志着现代宇宙学的诞生。
认识阶段3 宇宙起源于一个“点”，是个“无穷小”的点
天文学家由哈勃的发现倒推出一个猜想：既然天体之间距离越来越远，那么在很久以前，它们说不定汇聚在一起，也就是说宇宙是从一个点开始的。
从这一观点物理学家进一步推测：在过去，宇宙曾经处于一个极高密度且极高温度的状态。目前人类在大型粒子加速器上所进行的实验结果有力地支持了这一猜想。
自然而然，“稳恒宇宙”这一概念被推翻。
科学家
现在普遍相信，宇宙原来是从一个很小的“点”开始，不断膨胀到现在的状态。这个“点”被科学家们称为“奇点”，并非现代物理学能完全理解的一个时空。用吴雪峰的话来说，“无穷小”。
从一个无穷小的“点”，演变成现在浩渺无边的宇宙，中间所经历的最初过程，就是为人熟知的宇宙大爆炸。宇宙大爆炸模型是20世纪50年代由物理学家伽莫夫等人提出的。
认识阶段4 爆炸中诞生宇宙，地球上的金属也源自爆炸
吴雪峰介绍，宇宙的起源是“奇点”。大爆炸发生后，宇宙中的物质开始是聚集在一个小的体积内，温度很高。而随着宇宙的膨胀温度逐步下降，大概在宇宙诞生3分钟后核合成时代结束，目前占宇宙中发光物质大多数的质子、中子等就是在这个时候形成的。
除此之外，大爆炸还产生了多种元素。“最主要的是产生氢、氦和锂等元素，而比较重的元素是在恒星内部通过核反应产生。当恒星死亡时，含有重元素的物质会通过超新星爆炸散布到周围的星际空间，然后进入下一代恒星星体，进一步产生更重的元素；地球上的金属元素，就是从几十亿年前爆炸了的恒星内部来的。”吴雪峰说，“这也对推算某个天体的年龄有帮助，一般来说，天体内存在的重元素越多，它的‘年纪’越大。”
虽然宇宙在大尺度上物质几乎均匀分布，但一旦由于某种原因（比如扰动）存在某些密度稍大的区域，这些区域内的物质将通过万有引力吸引周围的物质，其质量和密度就变得更大了。现在天文学家发现的星系、恒星、气体云等天体和结构，都是这样。
暗物质与暗能量
“万有斥力”
让宇宙加速膨胀
根据科学家的推断，大爆炸之后，各种星系都在加速远离，宇宙在迅速胀大。那么问题又来了：不是存在万有引力吗？不管宇宙膨胀得有多快多大，最终难道不应该减速，并且缩回来吗？
然而事实却与之相反，早在十多年前，科学家就发现，宇宙大爆炸最初是“暴涨”阶段，此后宇宙也一直是在加速度膨胀。
这意味着我们的宇宙可能处于一种人类还不了解、还未认识到的物质控制、作用之下。科学家把这种神秘的物质称为“暗物质”、将其具备的作用称为“暗能量”。
“这种暗能量，可以称为万有斥力，能够在星系之间产生排斥作用，使得它们无法缩回，显然，在一定阶段，暗能量比万有引力要大得多。”吴雪峰解释。
链接
今年3月21日欧洲航天局公布了最新的宇宙学参数。今天，暗能量占了宇宙总物质能量密度的68.5%，暗物质占了26.6%，而我们人类所了解的可见物质仅占宇宙所有物质能量的4.9%
。
国际上现在有许多大项目在对暗物质和暗能量开展研究。我国科学家也在抓紧研究暗物质和暗能量。中国科学院紫金山天文台有2个项目围绕这方面进行研究。一是通过中科院先导项目的暗物质探测卫星，一是国家发改委十二五重大科学建设项目“中国南极天文台”。对暗物质和暗能量的研究目前还处于初期阶段，它们的物理本质是什么，还需要人类继续探索。
宇宙的年龄是如何测出来的
普朗克探测卫星 本版图片均为资料图片
埃德温·哈勃
亚洲北部发现的一块古老的陨石，据称年龄约40亿岁
在科学家的共同努力下，宇宙的年龄被测算得越来越精细，从二三百万岁到138.2亿岁，今后肯定还会更精确。每一次更精确的数据后面，都有新的理论和新的技术给予强有力的支撑。这些理论和技术很深奥难懂，但不管怎样都阻挡不了人类的好奇：宇宙的年龄到底是怎么测出来的呢？下面，专家为大家介绍三种主要的方法。
现代快报记者 胡玉梅
寻找宇宙中最古老的天体——“麦修萨拉”
“麦修萨拉”的年龄是宇宙年龄的下限
在南京地质博物馆，有一块来自加拿大的小石头。这块石头表面看上去黑黝黝的，暗淡无光。但科学家说，它是最古老的岩石。这块岩石是镁铁和超镁铁岩包裹体，经同位素测定，它自形成到现在已经40亿年了。目前地球上还没有发现比它更“老”的岩石。如果据这块岩石推测，地球年龄的下限大概在40亿岁。
和地球一样，宇宙中也有和宇宙差不多同龄的古老“恒星”。找到这种恒星，也差不多就可以知道宇宙年龄的下限，而这也被认为是测算宇宙年龄最基本的方法之一。
麦修萨拉是《圣经》里一位活到969岁的犹太族长的名字，是《圣经》中寿命最长的人。天文学家把最古老的星命名为“麦修萨拉”星。以下几颗最古老的恒星自本世纪以来相继被称为“麦修萨拉”星。
●2001年天文学家利用欧洲南方天文台的甚大望远镜，对一颗距离地球约1万光年、球状星团中编号为CS31082-001的恒星，进行了高精度光谱观测。根据光谱，第一次得到太阳系外天体的放射性同位素钍-232和铀-238(Uranium-238）含量之比，从而计算出该恒星的年龄是125亿岁。
●2007年，天文学家又用相同的办法，测得一颗距离地球7500光年、编号为HE 1523-0901的红巨星的年龄为132亿岁。
●宾西法尼亚州立大学的天文学家经过近10年的观测，于2013年2月公布找到一颗距离地球仅190光年、编号为HD 140283的亚巨星，其测定的年龄高达144.6亿岁，但误差有8亿岁。
以上这几颗最古老的恒星，根据它们的
金属含量，都属于宇宙中的第2代恒星。
测量哈勃时标
最新观测显示其大小是145亿岁
用“标准烛光”推算邻近星系的距离
1917年，天文学家斯利普在观测遥远天体时，发现一些天体的光谱谱线存在“红移”。这些天体看起来以一定速度在远离地球。那么这些天体距离地球有多远呢？
对于邻近的天体，天文学家的量天尺是三角视差法。天文学家把地球和太阳的平均距离定义为一个天文单位，大约是1.5亿公里。对于太阳系外的一些恒星，天文学家在1年中分别观测几次，比如在春分和秋分对某颗星进行观测，测量它在天球坐标上的位移。如果两次观测地球位移了1个天文单位，而恒星位移了1角秒，天文学家就定义恒星距离地球1秒差距。根据初中的三角几何知识，我们就可以求出1秒差距为30.9万亿公里，或者是3.26光年。
天文学家利用这种方法得到一大批太阳系附近恒星的距离，并且计算出这些恒星的光度。在这些恒星中，人们发现有一些恒星并不是永恒不变的，例如造父类变星。造父类变星不仅光度有周期性变化，而且光度和周期有很好的相关性，简称“周光关系”。造父类变星是人类最先使用研究宇宙的一类“标准烛光”。所谓标准烛光，就是如果我们把一支发光稳恒的蜡烛，放到不同的距离上，我们就可以通过观测到的蜡烛亮度，来求出蜡烛离我们的远近。原理很简单，蜡烛的亮度随距离是负2次方减弱。天文学家利用造父类变星的周光关系，在邻近的星系中寻找该类天体，通过观测到的变化周期和亮度，推算出邻近星系的距离。
对于比邻近星系更遥远的天体，天文学家要寻找更明亮的“标准烛光”。20世纪90年代天文学家发现有一类超新星可以作为标准烛光。2004年，天文学家发现在伽玛射线暴中也存在“标准烛光”。
145亿岁可能是宇宙年龄的下限也可能是上限
埃德温·哈勃在20世纪20年代研究造父类变星，他惊奇地发现，造父类变星的红移，亦即相对地球的远离速度，竟然和距离成正比！
我们现在知道，银河系的尺度，包括银盘、银晕，大概是10万秒差距。把10个这样的银河系首尾相连，放在一直线上，那么总的长度是100万秒差距，这样的尺度，也是整个宇宙大社会中的一个中级机构——星系团（星系往往喜欢聚集成团，我们银河系处在室女座星系团中）的尺度。相距100万秒差距的两个星系彼此的远离速度，就可以定量描述哈勃的发现。哈勃的学生、他的学术继承人桑德奇后来把这个量定义为哈勃常数。普朗克卫星的最新观测结果表明，宇宙现在的哈勃常数是67.8公里/秒·百万秒差距。
让我
们来计算一下哈勃时标。如果宇宙是匀速膨胀的，那么两个星系从宇宙刚开始就以67.8公里每秒的速度分离，到现在相距100万秒差距，所用的时间即为宇宙现在的年龄。我们把这个年龄叫做哈勃时标，根据最新的观测其大小是145亿岁。
如果宇宙中只有物质，即只有万有引力，则宇宙在万有引力作用下从开始到现在一直在做减速膨胀，越早期膨胀速度越大，那么宇宙的真实年龄比哈勃时标145亿岁要小；如果宇宙只有暗能量，即只有斥力，则宇宙在斥力作用下从开始到现在一直在做加速膨胀，那么宇宙的真实年龄比145亿岁要大。根据目前的观测和宇宙学模型，宇宙的真实演化是介于以上两种简单情况之间，在早期是万有引力为主，在最近50亿年是暗能量逐渐占主导。
因此，哈勃时标可以作为宇宙真实年龄的一个参考（可能是下限，也可能是上限）。
宇宙最终将进入“脑死亡”状态
宇宙现在处于什么时期？对这个问题，紫金山天文台吴雪峰博士笑答，“宇宙现在或许处于中青年时期。”
有一天，宇宙中的任何星系都会老去。比如太阳老年的时候，会发生塌缩，最终变成白矮星。太阳变成的白矮星，和地球差不多大。“别看它现在的半径是地球的700倍，但太阳死后，和地球一样大。”
而比太阳大大约8倍的恒星，死后变成中子星。“中子星的半径大约是10公里。”
质量是太阳大约20倍的恒星，死后会变成黑洞。质量是太阳140~280倍的恒星，死后炸得四分五裂……但最终有一天，所有的星系都将不再有新生和死亡。如果用人类生命体征来比拟，就是“脑死亡”。
宇宙微波背景辐射
最新数据显示宇宙的年龄是138.2亿岁
宇宙大爆炸之后约38万年，复合时代开始。此时，宇宙温度降低到4000℃左右，绝大多数自由电子和质子结合在一起形成中性氢。由于参与散射的自由电子急剧减少，宇宙背景辐射光子获得“自由”。人类能够探测到最古老的辐射就是从此时开始。这些宇宙背景辐射在宇宙138.2亿年的不断膨胀中逐渐损失能量，但其完美“黑体”辐射谱型保持不变，形成我们目前探测到的温度为2.725开尔文（零下270.42℃）的宇宙微波背景辐射，其主要辐射波段是微波。
微波背景辐射是宇宙大爆炸模型精确预言的结果，最初是由贝尔实验室两位工程师于1970年代无意中发现。宇宙大爆炸模型不仅预言了微波背景辐射，同时预言了背景辐射各向异性，即不同方向上背景辐射温度有微小起伏（10万分之一）。
1989年上天的COBE卫星首次通过观测证实了背景辐射各向异性。其后的飞去来器气球试验（Boomerang）和WMAP卫星进
一步证实了这一点。
各向异性辐射起源于宇宙的原初扰动，这种扰动是宇宙从完全均匀的物质分布到大尺度结构形成，包括形成我们现在观测到的星系团、星系的种子。原初扰动在物质中传播产生重子声波震荡，从而造成我们在微波背景辐射上看到的各向异性和角功率谱。拟合微波背景辐射的角功率谱等观测，可以得到宇宙的几何结构、物质成分、年龄等基本宇宙学参数。目前人类已经进入了精确宇宙学时代。
此次公布的分析结果基于普朗克卫星上天开始工作的最初15.5个月中获得的观测数据。来自欧洲、美国和加拿大的科学家共同组成科学组对观测数据进行了分析，绘制出了迄今最精确的宇宙微波背景辐射图景，得到的宇宙年龄为138.2亿岁。