分享

在几毫秒内,谷歌可以提供一个人类许多最深刻的思想家长期困惑的事实:宇宙有近140亿年的历史,确切地说有138亿年的历史。许多宇宙学家对这个数字越来越有信心。2020年12月下旬,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的最新估计大约是137.7亿年,正负几千万年。他们的答案与普朗克任务相符,普朗克任务是一颗欧洲卫星,在2009年至2013年间进行了类似的观测。

ACT和普朗克的精确观测紧随其后超过一千年的人类在仰望天空思考这一切可能从何而来。不知何故,寿命不到一个世纪的灵长类动物掌握了在他们的星球存在之前发生的事件,甚至是形成他们星球的原子。这里有一个简短的描述,人类是如何来弄清楚宇宙的年龄的。

古代:创造的开始

每种文化都有创造神话。例如,巴比伦人相信天堂和地球是从被杀的神的尸体上凿出来的。但是很少有信仰体系能明确指出存在是何时开始的(唯一的例外是印度教,它认为宇宙每43亿年就会改变一次,与地球的实际年龄相差不远)。

这个观点,至少在西方,来自于希腊哲学家,它实际上是科学上的倒退。在公元前四世纪和三世纪,柏拉图亚里士多德其他哲学家则认为,行星和恒星是嵌在永恒旋转的天体圈中的。在下一个千年左右的时间里,几乎没有人认为宇宙会有一个年龄。

1600到1900,无限的尽头

天文学家约翰内斯·开普勒在1610年意识到,受希腊启发的流行宇宙学的一个主要缺陷一直是凝视着星星的人的脸。如果一个永恒的宇宙有无数的恒星,就像很多人相信的那样,为什么不是所有的恒星填满宇宙用眩目的光?漆黑的夜空,他推断他提出了一个有限的宇宙,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1826年使之普及的天文学家海因里希·奥尔伯的名字命名。现代解决方案的早期版本出自诗人埃德加·爱伦·坡(Edgar Allan Poe)。我们经历夜晚,他在1848年的散文诗《尤里卡》中推测,因为宇宙不是永恒的。有一个开始,从那以后,没有足够的时间流逝,星星完全照亮了天空。

20世纪:现代宇宙和早期宇宙进入视野

但奥伯悖论的解决需要时间来理解。1917年,爱因斯坦自己的引力理论告诉他,宇宙可能会随着时间的推移而增长或收缩,他添加了一个蒙混因素融入他的方程——宇宙常数——以使宇宙保持不变(允许它永远存在)。

[相关:爱因斯坦关于黑洞的预言终于得到了证实

与此同时,更大的望远镜为天文学家的目镜带来了其他星系的更清晰的图像,这引发了一场激烈的争论:他们看到的是遥远的“岛屿宇宙”,还是银河系中附近的星团。埃德温·哈勃敏锐的眼睛在20世纪20年代末解决了这个争论,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,它们还在相互远离。

宇宙在膨胀,哈勃记录的膨胀速度是每秒500公里每百万秒差距,这个常数现在以他的名字命名。随着宇宙的膨胀,天文学家有了一个强大的新工具来回顾时间,并测量宇宙何时开始增长。哈勃在1929年的工作将宇宙定位在它应该以的方式膨胀大约有20亿年的历史

“膨胀率告诉你宇宙的历史可以以多快的速度倒带,就像老录像带一样,”他说丹尼尔Scolnic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。”

但是测量到遥远星系的距离是一件很麻烦的事情。1965年,一种更干净的方法出现了,当时研究人员探测到从太空各个方向传来的微弱微波噼啪声。宇宙学家已经预测这种信号应该存在,因为在宇宙诞生几十万年后发出的光会被空间膨胀拉伸成更长的微波。通过测量这个宇宙微波背景(CMB)的特征,天文学家可以对年轻的宇宙进行某种快照,推断其早期的大小和内容。宇宙微波背景是证明宇宙有起源的无懈可击的证据。

“1965年宇宙微波背景的最终发现所完成的最重要的事情,是迫使我们所有人认真对待这个想法有一个早期的宇宙诺贝尔奖得主史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)在他1977年的著作《最初的三分钟》(The First Three Minutes)中写道。

1990年至今:改进计算

CMB让宇宙学家了解了宇宙早期的大小,这有助于他们计算出今天的宇宙大小和膨胀。斯科拉尼克将这一过程比作在婴儿照片中注意到一个孩子的手臂有一英尺长,然后估计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速率的新方法。结果发现,它的速度比哈勃望远镜的500千米/秒/百万秒差的速度慢了近10倍,将宇宙起源的时间推得更远。在20世纪90年代,年龄估计范围从70到200亿年的历史

多个团队付出了艰苦的努力,努力完善宇宙学对宇宙膨胀率的最佳估计。1993年,哈勃太空望远镜对星系的观测表明,当前的哈勃常数为71千米/秒/百万秒差,宇宙的年龄缩小到90到140亿年。

[相关:给喜欢太空的孩子们的恒星望远镜

然后在2003年WMAP探测器记录了一张具有精细特征的宇宙微波背景图。根据这些数据,宇宙学家计算出宇宙的年龄为135亿到139亿岁。大约十年后,普朗克卫星更详细地测量了CMB,得到的哈勃常数为67.66,年龄为138亿年。来自ACT的新的独立CMB测量结果基本相同,进一步增强了宇宙学家的信心,他们知道自己在做什么。

“现在我们找到了一个普朗克和ACT一致的答案,”熨蒂隆研究所的宇宙学家、ACT合作项目的成员西蒙·艾奥拉说,在新闻稿中.“这说明,这些困难的测量是可靠的。”

下一个话题:宇宙学冲突

但随着对早期和现代宇宙的测量越来越精确,它们开始发生碰撞。虽然基于CMB婴儿照片的研究表明,哈勃常数在每秒每秒60公里/百万秒差距的高度,但对当今星系的距离测量(斯科拉尼克将其比作宇宙的“自拍”)得出的结果是,在70年代中低水平的膨胀速度更快。斯科拉尼克在2019年参加了一项这样的调查,另一项基于不同星系亮度的测量得出了类似的结论(现代宇宙正在快速膨胀)。2021年1月

从表面上看,这些团队获得的速度越快,可能意味着宇宙实际上比普朗克和ACT标准的138亿年年轻大约10亿年。

或者,这种不匹配可能暗示了宇宙学家对现实的理解中缺少了更深层次的东西。连接宇宙微波背景至今包括假设暗物质和暗能量知之甚少,但是似乎主宰我们的宇宙,例如,事实上,哈勃常数测量不排队可能表明计算宇宙的真实年龄将涉及的不仅仅是倒带。

“我不确定我们是如何得出宇宙年龄的,”斯科拉尼克说。“我不是说这是错的,但我不能说这是对的。”

更多的阅读