导语:在几毫秒内,谷歌就能提供一个事实,那就是许多人类最深层的思想家早已无法理解。宇宙已经有了将近140亿年的历史,确切地说,是138亿年前的历史。许多宇宙学家对这个数字越来越有信心。2020年12月底,智利阿塔卡马宇宙学望远镜(ACT)的研究人员进行了合作。公布了他们最新的估计,137.7亿年,加或减数千万年。他们的回答与2009年至2013年期间进行类似观测的欧洲卫星普朗克任务(Planck)的答案相吻合。

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宇宙有多古老?

ACT和Planck的精确观测超过一千年的人类在仰望天空思考这一切从何而来。不知怎么的,寿命不到一个世纪的灵长类动物对早在地球上发生过的事情,甚至是形成他们星球的原子--的存在有了很大的把握。这里简要介绍了人类是如何发现宇宙有多古老的。

1、古代:创造的开始

每一种文化都有一个创造神话。例如,巴比伦人认为,天和地是从被杀的神的身体上砍下来的。但是很少有信仰系统在存在的时候被明确规定。这个观念,至少在西方,来自希腊哲学家,实际上是科学上的倒退。在公元前四、三世纪,柏拉图,亚里士多德其他哲学家都认为行星和恒星镶嵌在永恒旋转的天球中。在下一个千年左右的时间里,几乎没有人预料到宇宙会有一个年龄。

2、无限的终结

天文学家约翰斯·开普勒在1610年意识到,受欢迎的希腊灵感宇宙学的一大裂痕一直是盯着凝视者的脸。如果一个永恒的宇宙承载着无数的恒星,正如许多人所相信的那样,为什么没有所有这些恒星?充满宇宙用一盏眩目的灯?黑暗的夜空,他推理暗示了一个有限的宇宙,在那里恒星最终会逐渐消失。

夜空和无限宇宙之间的冲突被称为奥尔伯悖论,以天文学家海因里希·奥尔伯的名字命名,他于1826年推广了这一悖论。现代解决方案的早期版本来自诗人埃德加·爱伦·坡。他在1848年的散文诗“尤里卡”中推测,我们经历了夜晚,因为宇宙不是永恒的。从那以后,没有足够的时间让星星充分照亮天空。

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3、19世纪:现代和早期的宇宙进入了视野

但对奥尔伯悖论的解决需要时间。当爱因斯坦自己的引力理论告诉他宇宙可能在1917年随时间增长或缩小时,他加了一个软糖因子进入他的方程,宇宙常数让宇宙保持静止(让它永存)。与此同时,较大的望远镜给天文学家的目镜带来了对其他星系的更清晰的看法,引发了一场激烈的争论:他们是在寻找遥远的“岛屿宇宙”,还是在银河系内的附近星团。埃德温·哈勃敏锐的眼睛在20世纪20年代末解决了这一争论,首次测量了星系间的距离。他发现,星系不仅是巨大而遥远的物体,它们还相互飞离。

宇宙在膨胀,哈勃以每秒500公里的速度膨胀,这个常数现在以他的名字命名。随着宇宙的膨胀,天文学家们有了一种强大的新工具,可以回顾过去,测量宇宙何时开始增长。1929年,哈勃的工作使宇宙以这样一种方式膨胀,那就是它应该是大约20亿岁。“膨胀率告诉你你有多快可以倒带宇宙的历史,就像一个旧的VHS磁带,”说。丹尼尔·斯科尼克杜克大学的宇宙学家。“如果倒带速度更快,那就意味着电影更短。”

02

测量宇宙微波背景(CMB)的特性

1、测量到遥远星系的距离是一项杂乱无章的工作

测量到遥远星系的距离是一项杂乱无章的工作。1965年出现了一种更简介的方法,当时研究人员发现来自太空各个方向的微波发出微弱的劈啪声。宇宙学家已经预言,这样的信号应该存在,因为宇宙诞生仅仅数十万年后发出的光就会被空间扩展为更长的微波而被拉伸。通过测量宇宙微波背景(CMB)的特性,天文学家可以拍摄一种年轻宇宙的快照,推断出它的早期大小和内容。

2、CMB让宇宙学家在早期了解到宇宙有多大

CMB让宇宙学家在早期了解到宇宙有多大,这帮助他们计算了宇宙的大小和膨胀程度。斯科尼克把这个过程比作注意到孩子的手臂在婴儿照片中长了一英尺,然后估计了相应的青少年的身高和生长速度。这种方法为研究人员提供了一种测量宇宙当前膨胀率的新方法。事实证明,它比哈勃望远镜每秒500公里的速度慢了近十倍,把宇宙起源的时刻推回了更远的时间。

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来自多个团队的艰苦努力,努力完善宇宙学对宇宙膨胀速率的最佳估计。1993年哈勃太空望远镜对星系的观测表明,目前哈勃常数为每秒71公里,将宇宙的年龄缩小到了90亿至140亿年。然后在2003年,WMAP航天器记录了一张中巴地图,地图上有很好的特征。根据这些数据,宇宙学家计算出宇宙的年龄是13.5到139亿年。大约十年后,普朗克卫星更详细地测量了中巴,哈勃常数为67.66,年龄为138亿年。ACT的新的独立CMB测量得到了基本相同的数字,进一步增强了宇宙学家的信心,他们知道自己在做什么。

3、随着早期和现代宇宙的测量变得更加精确,它们开始发生冲突

随着早期和现代宇宙的测量变得更加精确,它们开始发生冲突。尽管基于CMB早期图片的研究表明哈勃常数在每秒60公里的高度,但对当今星系的距离测量(斯科里克将其比作宇宙的“自拍”)在低至70年代中期给出了更快的膨胀率。斯科尼克在2019年参加了一次这样的调查,另一次基于不同星系亮度的测量得出了类似的结论(现代宇宙正在迅速膨胀)。

结语:从表面上看,这些团队获得的速度越快,就意味着宇宙实际上比普朗克和ACT的标准138亿年年轻了大约10亿岁。这种错配可能暗示宇宙学家对现实的认识缺失了更深层次的东西。例如,将中巴与当今世界联系起来,涉及到人们对暗物质和暗能量认识不足的假设,这些暗物质和暗能量似乎主宰着我们的宇宙,而哈勃常数测量没有排队的事实可能表明,计算宇宙的真实年龄所涉及的不仅仅是卷绕磁带。