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

一個人的年齡，一般不會超過120歲。一棵樹的年齡，一般不會超過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)祟愐粯樱钪嬉灿幸粋€出生日期，當天還發(fā)生了一件大事——宇宙大爆炸。

別看宇宙現(xiàn)在這么大，其實最初它只是一個小得不能再小的點，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個零）。

因此，當我們說到宇宙的年齡時，其實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？

科學家說，這個問題需要把理論和觀測結(jié)果結(jié)合起來才能解答。光有理論或者光有觀測實驗，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的，但具體到你幾歲了，還需要對你進行一定的實驗測量才能知道——比如看看你的牙齒，或者看看你的身高。

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

宇宙在膨脹

那么，計算宇宙的年齡具體需要什么宇宙學理論呢？

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

宇宙學原理并不復(fù)雜：宇宙空間中的每一點都是雷同的，沒什么區(qū)別——這就像我們看一個乒乓球，會覺得乒乓球上的每一點都是一樣的，沒什么區(qū)別。也就是說，在宏大的宇宙學尺度上，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。當然，在小的尺度上，宇宙學原理是不適用的。比如，太陽系內(nèi)部有的地方密度大，有的地方密度小，它們當然是不一樣的。

因此，在使用宇宙學原理的時候，我們一般把銀河系這樣的星系看成是一個點，不需要細致地考慮它內(nèi)部的情況。于是，根據(jù)這個原理和廣義相對論，科學家推導出這樣一個結(jié)論：宇宙空間一直在膨脹變大。

也就是說，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嬰兒從牙牙學語到長大成人，肯定能知道他大概幾歲。如果能看著他出生，我們對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

這時候，對宇宙和太空的天文觀測結(jié)果就派上用場了。

因為宇宙大爆炸瞬間的情況，現(xiàn)在的我們不可能觀測得到，所以要通過觀測大爆炸以后的情況，間接地推算出宇宙的年齡。

大約100年前，有個很厲害的天文學家叫愛德文·哈勃。他通過觀測銀河系外其他星系的運動，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)這個速度，他反向推算出宇宙至今總共膨脹的時間?？上У氖?，哈勃估算的宇宙膨脹速度很不準確，所以他算出來的宇宙年齡也是錯的。

哈勃為什么會算錯呢？這是因為當時他用的天文望遠鏡不夠高級，看不了很遠。要是哈勃能看得更遠，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，新一代天文學家通過對一類超新星的觀測發(fā)現(xiàn)，宇宙不僅像哈勃說的那樣正在膨脹，而且早在46億年前（也就是地球誕生的時候）就開始了加速膨脹。這就好比通過觀測一個小朋友的身高，我們能大致判斷出他的年齡。但小朋友在十幾歲的時候身體會發(fā)育，短時間內(nèi)加速長高，像宇宙加速膨脹那樣。如果我們不知道小孩子會經(jīng)歷發(fā)育期，僅從身高來估算年齡就會出現(xiàn)很大的誤差。

通過觀測這類超新星，我們可以把宇宙在各個時期膨脹的速度測得更準，從而把宇宙的年齡算得更準。

宇宙最早的光

只觀測超新星就能知道宇宙的年齡嗎？

當然不行，因為在宇宙大爆炸之后的2億年內(nèi)，是沒有超新星存在的，甚至連恒星都沒有。因此，要想精確測定宇宙的年齡，我們得讓天文望遠鏡看得更遠，通過觀測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真復(fù)雜，它到底是什么呢？

如果有一個冰箱生產(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，因為宇宙的最低溫度也才零下273.15攝氏度。這個溫度是宇宙最早發(fā)出的光的溫度，這個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)，一切都在黑暗中進行。隨著宇宙溫度的降低，光子獲得自由，能夠跑出來被我們看到。也就是說，宇宙微波背景輻射就是宇宙大爆炸所遺留下來的古代光。

前段時間，利用智利阿塔卡馬沙漠高處的一個天文望遠鏡，天文學家對宇宙微波背景輻射進行了新的觀測。他們的觀測結(jié)果表明，宇宙已經(jīng)有137.7億年歷史了，正負誤差為4000萬年。

這個觀測數(shù)據(jù)還跟普朗克衛(wèi)星對宇宙微波背景輻射的測量數(shù)據(jù)相互驗證。

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