宇宙年齡一直是科學(xué)界探索的謎團(tuán)。曾經(jīng)，人們秉持靜態(tài)宇宙觀，認(rèn)為宇宙是永恒不變、沒有開端和終結(jié)的。但隨著科學(xué)發(fā)展，這種觀念被打破。大爆炸理論橫空出世，它為宇宙的起源和演化描繪了一幅全新畫卷。該理論指出，宇宙源于一個溫度極高、密度極大的奇點(diǎn)的爆炸，自那之后便不斷膨脹?？茖W(xué)家們通過研究宇宙微波背景輻射、星系的退行速度等多種途徑，試圖精確測定宇宙年齡。如今，雖有了相對可靠的估計值，但宇宙年齡之謎仍有諸多待解之處，吸引著無數(shù)科研人員不斷探尋。
1.靜態(tài)宇宙的破滅
宇宙幾歲了？在一百多年前，如果你問科學(xué)家這個問題，得到的答案很可能會是無限。一個永恒的、靜態(tài)的宇宙很符合當(dāng)時人們的想象，甚至連愛因斯坦也不例外。
1917年，愛因斯坦就將剛提出不久的顛覆性引力理論廣義相對論應(yīng)用在整個宇宙上。他想知道宇宙是否如他想象的那樣是靜態(tài)的，然而方程卻告訴他一個截然不同的答案，宇宙并不穩(wěn)定。為了保持一個靜態(tài)的宇宙，他在廣義相對論的核心方程中加入了一個新的向宇宙學(xué)常數(shù)。
但隨后越來越多的理論和觀測數(shù)據(jù)均表明，愛因斯坦的想法是錯誤的。1922年，年輕的弗里德曼在研究了廣義相對論后，推導(dǎo)出了今天在宇宙學(xué)領(lǐng)域無人不知的弗里德曼方程。
弗里德曼得到的解意味著宇宙可以膨脹和收縮到了1929年，哈勃在對銀河系之外的星系進(jìn)行觀測后，繪制了星系的速度和距離關(guān)系圖。在哈勃繪制的這個關(guān)系圖中，一個個點(diǎn)代表了銀河系之外的星系，縱軸代表了星系遠(yuǎn)離地球的速度，橫軸則表示了星系的距離。
從圖中我們可以看到一個星系的趨勢，那些距離我們越遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離我們的速度越快。這便是著名的哈勃勒梅特定律。
2.大爆炸理論的確立
數(shù)學(xué)表達(dá)式為V等于H0D其中H零是哈勃常數(shù)，這些數(shù)值代表著宇宙的膨脹率，也就是說哈勃的發(fā)現(xiàn)告訴我們，宇宙確實(shí)不是靜止的，而是在膨脹，無論你身在何處或者朝哪個方向看，都會看到一個膨脹的宇宙，假如我們的宇宙正在膨脹，
那么一個自然的推測是在遙遠(yuǎn)的過去，它有一個開端，那么宇宙真的有一個開端嗎？
在上個世紀(jì)40年代到60年代之間，天體物理學(xué)界分為兩個陣營，一派支持大爆炸理論，另一派支持穩(wěn)恒態(tài)理論。在大爆炸描繪的圖景中，在遙遠(yuǎn)的過去，物質(zhì)會更加緊密地結(jié)合在一起，而穩(wěn)恒態(tài)理論認(rèn)為，隨著宇宙的膨脹，新的物質(zhì)也會隨之形成，從而使平均密度維持不變。
那么哪個是正確的呢？決定性的證據(jù)來自1964年的一個意外發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時彭西亞斯和威爾遜的喇叭形天線接收到了一些未知來源的噪音，他們清理了鳥糞，移走了鳥巢，排除了一切可能性后發(fā)現(xiàn)，仍有一種微弱的微波嘶嘶聲從天空的各個方向涌來。
最后他們發(fā)現(xiàn)，他們所接收到的信號就是大大爆炸理論預(yù)言的宇宙微波背景CMB。CMB實(shí)際上代表的是宇宙變得透明的時刻，在早期宇宙中，構(gòu)成光的粒子光子只能移動非常短的距離，因為它們會不斷的與附近的粒子碰撞。
由于當(dāng)時的溫度太高，電子無法與原子核結(jié)合，這些帶電的粒子緊密地聚集在一起，阻礙了光子的自由運(yùn)動。但當(dāng)宇宙冷卻的足以讓電子和原子核穩(wěn)定的結(jié)合成中性原子的時候，光子便可以自由的在宇宙中穿行。
起初這些光子的能量很高，波長很短，但在宇宙接下來漫長的膨脹歷史中，這些光子的波長也被拉長到微波波段，形成了我們今天探測到的宇宙微波背景。冷紅開模型對CMB的解釋是，這些輻射是源于塵埃散射的星光。
而隨后對CMB光譜的測量表明，它幾乎是一個完美的黑體，而一個完美的黑體必須來自所有溫度都相同的物體。這表明CMB不可能是由大量不同恒星的塵埃反射而成的，網(wǎng)恒態(tài)模型也因此失去了它的立場。CMB的發(fā)現(xiàn)也使所有人都接受了大爆炸理論。
3.宇宙年齡的測量
現(xiàn)在我們已經(jīng)確定了宇宙有個開關(guān)，回到我們最初的問題，宇宙從誕生開始已經(jīng)演化了多少年了？
事實(shí)上想要知道宇宙的年齡，我們就先得知道宇宙究竟膨脹的有多快。也就是說，我們需要測量哈勃常數(shù)的確切數(shù)值，其中一個方法就是通過宇宙微波背景輻射。2013年，普朗克衛(wèi)星發(fā)表了對宇宙微波背景的第一次觀測結(jié)果。
天文學(xué)家利用普朗克衛(wèi)星觀測了在不同尺度上產(chǎn)生的密度變化的峰值，并繪制了所謂的CMB功率譜。這張功率譜上編碼了關(guān)于早期宇宙的幾乎全部信息，尤其是哈勃常數(shù)，它可以通過峰值間的距離進(jìn)行了重建。
普朗克團(tuán)隊第一次結(jié)果得出哈勃常數(shù)的值為61 7.3千米每秒每兆秒差距。之后，普朗克衛(wèi)星的科研團(tuán)隊發(fā)表了更加精確的測量結(jié)果，H0等于66.88千米每秒每兆秒差距。從這個數(shù)值中我們可以計算出宇宙的年齡約為138億年。138億年就是宇宙的年齡了嗎？
事情當(dāng)然沒有這么簡單。除了宇宙微波背景之外，天文學(xué)家還會通過建立所謂的宇宙距離階梯來測量哈勃常數(shù)。
首先天文學(xué)家需要通過視差法來計算銀河系中造父變星的距離。造父變星變明或變暗與它的內(nèi)頂亮度有關(guān)。
接著天文學(xué)家會在那些包含EA型超新星的鄰近星系中尋找造福變星，將這些造福變星的亮度與銀河系中的那些造福變星的亮度進(jìn)行比較，就可以估算出鄰近星系的距離。最后，在那些遙遠(yuǎn)的星系中尋找他們的EA型超新星，并將它們的亮度與鄰近星系中的進(jìn)行比較，就可以得出遙遠(yuǎn)星系的距離。
這些遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光會因宇宙的膨脹而被拉伸或說紅移。通過比較紅移和通過其他方法測量的距離，就可以估算宇宙的膨脹率。通過這一方法，天文學(xué)家測量到的哈勃常數(shù)數(shù)值約為73.0千米每秒每兆秒差距，這一數(shù)值對應(yīng)著一個更加年輕的宇宙。
4.哈勃爭議與未來展望
兩種同樣精確的方法去得出了不吻合的結(jié)果，這讓科學(xué)家困惑不已。盡管科學(xué)家已經(jīng)改進(jìn)了計算，并更好地考慮了可能的誤差來源，但差異仍然存在。這是否意味著宇宙中隱藏著全新的物理等待被發(fā)現(xiàn)呢？
我們并不知道未來隨著我們用更先進(jìn)的測量方法和更好的望遠(yuǎn)鏡去收集數(shù)據(jù)，或許這些所謂的哈勃周意最終能夠得到緩解。接下來我們所能做的唯有繼續(xù)探索。只有當(dāng)我們更精確的知道宇宙的膨脹速度，才能知道宇宙的真正年齡。
