宇宙几岁了？想了解这个问题，先要知道宇宙究竟膨胀得有多快

宇宙几岁了？在100多年以前，如果你问科学家这个问题，得到的答案很可能会是：无限！

一个永恒的，静态的宇宙，很符合当时人们的想象，甚至连爱因斯坦也不例外。1917年，爱因斯坦就将刚提出不久的颠覆性引力理论——广义相对论应用在整个宇宙上，他想知道，宇宙是否如他想象的那样是静态的。然而，方程却告诉他一个截然不同的答案：宇宙并不稳定！为了保持一个静态的宇宙，他在广义相对论的核心方程中加入了一个新的项——宇宙学常数。

但随后，越来越多的理论和观测证据均表明，爱因斯坦的想法是错误的。1922年，年轻的弗里德曼（Alexander Friedmann）在研究了广义相对论后，推导出了今天在宇宙学领域无人不知的弗里德曼方程。弗里德曼得到的解意味着宇宙可以膨胀和收缩。到了1929年，哈勃在对银河系之外的星系进行观测后，绘制了星系的速度和距离关系图。在哈勃绘制的这张关系图中，一个个点代表了银河系之外的星系，纵轴代表了 星系远离地球的速度（v），横轴则表示了星系的距离（D）。从图中，我们可以看到一个清晰的趋势：那些距离我们越远的星系，远离我们的速度越快。这便是著名“哈勃-勒梅特定律”，数学表达式为：v=H₀D，其中H₀是哈勃常数，这一数值代表着宇宙的膨胀率。

也就是说，哈勃的发现告诉我们，宇宙确实不是静止的，而是在膨胀！无论你身在何处，或者朝哪个方向看，都会看到一个膨胀的宇宙。

假如，我们的宇宙正在膨胀，那么一个自然的推测是，在遥远的过去，它有一个开端。那么，宇宙真的有一个开端吗？

宇宙始于大爆炸吗？

在上个世纪40年代到60年代之间，天体物理学界分为两个阵营：一派支持大爆炸理论，另一派支持稳恒态理论。在大爆炸描绘的图景中，在遥远的过去，物质会更加紧密的结合在一起；而稳恒态理论则认为，随着宇宙的膨胀，新的物质会也会随之形成，从而使平均密度维持不变。

那么，哪个是正确的呢？决定性的证据来自1964年的一个意外发现。当时，彭齐亚斯（Arno Penzias）和威尔逊（Robert Wilson）的喇叭型天线接收到了一些未知来源的噪音。他们清理了鸟粪、移走了鸟巢，排除了一切可能性后发现，仍有一种微弱的微波嘶嘶声从天空的各个方向涌来。最后，他们发现，他们所接收到的信号正是大爆炸理论预言的宇宙微波背景（CMB）。

CMB实际上代表的是宇宙变得“透明”的时刻。在早期宇宙中，构成光的粒子——光子只能移动非常短的距离，因为它们会不断地与附近的粒子碰撞。由于当时的温度太高，电子无法与原子核结合，这些带电粒子密集地聚集在一起，阻碍了光子的自由运动。但当宇宙冷却到足以让电子和原子核稳定地结合成中性原子的时候，光子便可以自由地在宇宙中穿行。起初，这些光子的能量很高，波长很短，但在宇宙接下来漫长的膨胀历史中，这些光子的波长也被拉长到微波波段，形成了我们今天探测到的宇宙微波背景。

图：宇宙变得透明的时刻。（图/原理）

稳恒态模型对CMB的解释是，这些辐射是源自于尘埃散射的星光。而随后对CMB光谱（在不同频率下的亮度）的测量表明，它几乎是一个完美的黑体。而一个完美黑体必须来自所有温度都相同的物体。这表明CMB不可能是由大量不同恒星的尘埃反射而成的，稳恒态模型也因此失去了它的立场。CMB的发现也使几乎所有人都接受了大爆炸理论。

宇宙膨胀得有多快？

现在，我们已经确认宇宙有一个开端，那么回到我们最初的问题，宇宙从诞生开始，已经演化了多少年？事实上，想要知道宇宙的年龄，我们就得先知道宇宙究竟膨胀得有多快。也就是说，我们需要测量哈勃常数的确切数值。

实际上，测量哈勃常数的其中一个方法就是通过宇宙微波背景辐射。2013年，普朗克卫星发表了对宇宙微波背景的第一次观测结果。天文学家利用普朗克卫星观测了在不同尺度上产生的密度变化的峰值，并绘制了所谓的“CMB功率谱”。这张功率谱上编码了关于早期宇宙的几乎全部的信息，尤其是哈勃常数，它可以通过峰值之间的距离进行重建。

普朗克团队的第一次结果得出哈勃常数的值为67.3km/s/Mpc。之后，普朗克卫星的科研团队发表了更加精确的测量结果：H₀ = 66.88km/s/Mpc。从这个数值中，我们可以计算出宇宙的年龄约为138亿年。

138亿年，就是宇宙的年龄了吗？事情当然没有这么简单。

除了宇宙微波背景之外，天文学家还会通过建立所谓的“宇宙距离阶梯”，来测量哈勃常数。首先，天文学家需要通过视差法来计算银河系中造父变星的距离，造父变星变明或变暗与它们的内禀亮度有关。接着，天文学家会在那些包含Ia型超新星的邻近星系中寻找造父变星。将这些造父变星的亮度与银河系中的那些造父变星的亮度进行比较，就可以估算出邻近星系的距离。最后，在那些遥远的星系中寻找Ia型超新星，并将它们的亮度与邻近星系中的进行比较，就可以得出遥远星系的距离。这些遥远星系发出的光会因宇宙的膨胀而被拉伸，或说红移。通过比较红移和通过其他方法测量的距离，就可以估算宇宙的膨胀率。通过这一方法，天文学家测量到的哈勃常数数值约为73.0km/s/Mpc。这一数值对应着一个更加年轻的宇宙。

图片来源：NASA, ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU)

两种同样精确的方法，却得出了不吻合的结果，这让科学家困惑不已。尽管科学家已经改进了计算，并更好地考虑了可能的误差来源，但差异仍然存在。这是否意味着宇宙中隐藏着全新的物理等待被发现？我们并不知道。未来，随着我们用更先进的测量方法和更好的望远镜去收集数据，或许这所谓的“哈勃争议”能够最终得到缓解。接下来，我们所能做的唯有继续探索，只有当我们更精确地知道宇宙的膨胀速度，才能够知道宇宙的真正年龄。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：原理

审核：黎耕（中国科学院国家天文台考古历史天文学副研究员）

出品：中国科协科普部
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