2019-12-03 07:29:27 佚名

小白buyiyu

宇宙不是永恆的

其實一直以來，很多人都認為認為宇宙是永恆的，從古至今都是一個樣，沒有什麼太大的改變。牛頓就曾經這麼認為過，所以，當他提出萬有引力定律時就非常糾結，糾結的原因其實也很簡單。

如果宇宙是永恆的，而萬物之間又能夠體現出引力來，那宇宙最終應該會在引力的作用聚合到一個點上，而不是現在這個樣子。而這就和他的萬有引力定律是相互矛盾。

在當時，宇宙是永恆的是一種古老的宇宙觀，萬有引力定律則是經受了千般考驗的理論，兩個都不應該被輕易否定。於是，牛頓想到了一個調和的辦法，他認為宇宙是宇宙是無限大的，這樣的話，宇宙就處處是中心，這樣宇宙中的每一處的引力都是平衡的，這樣就不會向中心擠壓了。

同樣深受這個觀念毒害的還有另一位和牛頓一樣偉大的科學家愛因斯坦。1915年，愛因斯坦提出他的廣義相對論，在廣義相對論當中有個引力場方程。

愛因斯坦就發現這個方程預示著我們所處的宇宙是一個膨脹的宇宙，這和愛因斯坦信奉的永恆宇宙是相互矛盾。於是，愛因斯坦就在這個方程中加了一個宇宙學常數。

宇宙真的在膨脹

但是愛因斯坦很快就被打臉了，當時有個著名的天文學家叫做哈勃。

他當時正在觀測銀河系外其他星系時，就發現這些星系大多數都發生了紅移的現象。那什麼是紅移呢？

說白了，就是我們在接收到這個天體發出來的電磁波時，就發現這個電磁波被拉長了。這就意味著，

這些星系正在遠離我們。

於是，哈勃基於這個發現，提出了著名的哈勃定律，不過現在這個名字更名為哈勃-勒梅特定律，至於為什麼，我們稍後會說到。哈勃-勒梅特定律其實描述的就一個很簡單的事情：遙遠星系的退行速度與它們和地球的距離成正比。

你可能要問了，這個代表了什麼意思呢？

其實哈勃一開始也沒有給出解釋，或者我們可以說他不願意給出具體的解釋。而最早給出這方面詮釋的人就是勒梅特。

實際上，勒梅特是早於哈勃發表前，就基於愛因斯坦的廣義相對論方程推導出宇宙在膨脹的結果。不僅如此，勒梅特甚至還重新把宇宙學常數進行的定義，他提出可以利用宇宙學常數來描述宇宙的膨脹的情況。這裡我們簡單解釋一下宇宙膨脹。實際上，宇宙是各個地方整體在膨脹，而不是邊界在膨脹。具體要咋理解呢？

我們可以想象一下有個氣球，你在上面點滿上小點代表“星系”，那宇宙的膨脹就是吹大這個氣球，所以，就會出現哈勃觀測到的那種結果，大多數星系在遠離我們。

某種程度上，哈勃的發現是印證了勒梅特的觀點。後來，需要科學家加入到了研究的隊伍當中，比如：弗裡德曼，伽莫夫等等。他們把這個理論進行了細緻的完善，最終就成為了我們熟悉的大爆炸模型。

宇宙年齡

宇宙年齡是如何來的呢？其實，你可以思考一下，如果宇宙起源於一場大爆炸，在大爆炸之後開始膨脹，那宇宙的年齡就和宇宙的膨脹速率有關，而描述宇宙膨脹的速度其實和哈勃常數有關。如果我們要粗略的估算宇宙的年齡，方法其實很簡單，就是直接把哈勃常數去取倒數。

實際上，科學家在推算宇宙年齡還要考慮很多因素，主要和宇宙中不同組成成分在總能量中所佔的比例有關，要用到弗裡德曼方程，這裡就不贅述了。總而言之，想要推算出來，其實還差一個核心問題，那就是獲取準確的哈勃常數。

而要獲取到這些數據，其實要基於對宇宙微波背景輻射的觀測。宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸時的餘熱，在宇宙大爆炸之後38萬年開始在宇宙傳播開來，是遍佈全天的背景輻射。

當我們能夠探測到的宇宙微波背景輻射越是精確，我們能夠得到的宇宙年齡就越準。目前，根據美國航天局的威爾金森微波各向異性探測器得到最新數據，我們可以得到宇宙的年齡是：137~138億年之間。具體的數字幾乎每年都在更新，總體上就在137億年接近於138億年的區間當中。

鍾銘聊科學

首先，不是宇宙的壽命是138億年，而是宇宙的年齡。至於宇宙年齡是如何得到的，最簡單的方法可以通過哈勃常數來計算。

早前的大多數人認為宇宙已經存在了無限長的時間，並且保持穩恆的狀態。到了二十世紀初，哈勃的一系列發現徹底改變了人們對宇宙的認識。首先，哈勃發現了河外星系的存在。其次，哈勃還發現宇宙中的星系幾乎都在遠離銀河系，並且遠離速度和距離成正比，這就是著名的哈勃定律。

哈勃定律表明，宇宙正在膨脹變大，而非一直處於穩恆態。這意味著過去的宇宙要比現在小得多，宇宙存在一個時間開端，根據哈勃定律可以計算出宇宙的誕生時間：

V=H·D

上式中V表示星系遠離銀河系的速度，D表示星系與銀河系的距離，H表示哈勃常數。

通過測量各種星系的遠離速度及其對應距離，可以得到比例係數哈勃常數。不過，哈勃常數難以精確測量出來，不同方法的測定結果有所出入。這裡以最近剛剛利用重子聲學振盪法測出的哈勃常數為準：67.77±1.30 (km/s)/Mpc。那麼，具體如何計算宇宙的年齡呢？

對於一個距離銀河系非常遙遠的星系，假設它從宇宙誕生之初（星系在很早就已經形成）就以恆定的速度在遠離銀河系，那麼，它的退行速度又可以由下式計算出來：

V=D/t

變化一下形式：

t=D/V

上式中的t可近似認為是宇宙的年齡。然後再把哈勃定律代入上式可得：

t=1/H

也就是說，宇宙年齡等於哈勃常數的倒數。代入哈勃常數67.77 (km/s)/Mpc，可以計算出宇宙的年齡約為144億年。

利用哈勃常數只能做個大致估算，因為宇宙的膨脹速度並非一直保持相同，過去在減速膨脹，現在加速膨脹，這導致過去的哈勃常數與現在其實是不完全相等的。

為了較為準確地計算出宇宙的年齡，需要使用Λ-冷暗物質（ΛCDM）模型，相應的計算公式如下：

上述參數可由普朗克衛星測定出來，由此可以計算出宇宙的年齡為137.99±0.21億年。

另外，利用Λ-冷暗物質模型，還能得到可觀測宇宙的大小：

通過觀測數據結合上述模型，可以計算出可觀測宇宙的半徑約為28.5 Gpc，即465億光年。

火星一號

愛因斯坦在發佈廣義相對論後，在利用廣義相對論在描繪宇宙時，發現宇宙要不是在膨脹就是在收縮，愛因斯坦為了使方程與人們一直認為的靜態宇宙模型相匹配，於是就加入了一個“宇宙常數”。

圖：
埃德溫·鮑威爾·哈勃

1929年，美國天文學家埃德溫·哈勃通過觀測河外星系發現，離銀河系越遠的星系離開我們的速度就越快。也就是說，在遙遠的過去這些星系物質可能是緊密的靠在一起的，這個結論直接推導出“宇宙大爆炸模型”。愛因斯坦也因此承認：宇宙常數是他一生中犯的最大的錯誤。

圖：宇宙大爆炸模型

通過進一步的觀測發現，這些星系遠離我們的速度與離我們的距離是成正比的：

其中v是遠離的速率，一般表示為km/s。H0是哈勃常數，D是星系的距離，以百萬秒差距為單位。

可以通過觀測星系的紅移值就可以推算出它遠離地球的速度，就能根據這個速度推導出哈勃常數，然後根據哈勃常數以及減速參數等推導出宇宙的過去和未來可能的命運。

由於哈勃常數是一個觀測值，它的值受觀測精度和觀測到的數據量的影響。隨著人類觀測手段的進步，這個值會越來越精準。

根據哈勃太空望遠鏡的觀測，推算出宇宙目前的年齡為137.98 ± 0.37億年。

講科學堂

〇依據哈勃定律，通過人類目前觀測技術探測到的空間範圍及獲得的數據，而建立起來的大爆炸理論推定：現今人們所能觀測到的不斷膨脹的“天體物能總和”，誕生於138.2億年前(最新數字)。哈勃常數是一個觀測值，受觀測精度和觀測數據量的影響。人類觀測手段的不斷進步，這個數值將更加精確(此前的測算為137億年前)。

〇人類的歷史只有幾十萬年，文明史不過數千年。以目前人類的觀測能力及認知水準，就對宇宙的產生動因及時間空間範圍，作出最終“結論”顯然是不適宜的，也是不可能的。宇宙是無止境的，人類的認知也是無止境的。

〇對於人類目前所觀察到的“天體物能總和”應定義為“大爆炸雲”。它僅是宇宙的一部分，而不是宇宙的全部及終極，反映的是人類目前對宇宙的觀測範圍及認知水準。

〇大爆炸理論尚停留在“科學假說”階段，尚不是嚴謹的、可驗證的、真正的科學理論。科學不僅是解釋“是什麼”的問題，更重要的是解決“為什麼”的問題。大爆炸理論要成為人們信服的、真正的科學理論，必須要向它問為什麼？

〇奇點究竟是什麼？是什麼引發了奇點大爆炸？奇點之前是什麼？奇點之外有什麼？奇點遵循什麼規律？奇點真的是天體物能爆炸的起始點嗎？目前人類觀察到的最大空間範圍為960億光年(大爆炸雲空間範圍)。“大爆炸雲”究竟有多大”？“大爆炸雲”之外有什麼？這些都是人類未來宇宙學要解釋或回答的問題。

下圖人頭像為美國天文學家埃德溫.哈勃。

趙凡丁201

宇宙的壽命是138億年，這是如何推算出來的？

模型建立和越來越精確的哈勃常數測量越來越精確。

圖片來源NASA / GSFC / Dana Berry

首先考慮我們的宇宙今天正在擴張和冷卻這一事實，而過去它更熱，更密集。如果我們回到早期和早期，我們會發現，隨著宇宙的體積變小，其中的所有物質不僅更緊密，而且所有單個光子的波長（光的粒子）因為宇宙的擴張使它們延長到今天，所以它更短了。

由於光子的波長決定了它的能量和溫度，因此較短波長的光子能量更高，溫度更高。隨著時間的推移越來越遠，溫度越來越高，直到某個時刻，我們才能達到炎熱的大爆炸的最早階段。這一點很重要：有是一個“早期階段”，為熱大爆炸！

如果我們要推斷出宇宙起源，宇宙本源是一個奇點。憑藉我們對早期宇宙的認識，我們知道宇宙早期是熱的，密集的膨脹狀態，並且通脹狀態是不確定的持續時間。在

2006-/ 0604101; E. Siegel的修改。

根據廣義相對論定律，像我們這樣的宇宙，那就是：

在最大尺度上均勻密度，
在所有地點都有相同的規律和一般屬性，
在所有方向都是一樣的
其中大爆炸同時發生在所有地方，

然後，宇宙的年齡和 它在整個歷史中的擴展之間存在著獨特的聯繫。

圖片來源：NASA，ESA和A. FeildSTScI

換句話說，如果我們可以衡量宇宙今天如何擴展以及它在整個歷史中如何擴展，我們就能確切地知道構成它的所有不同組件是什麼。我們從眾多觀察中瞭解到這一點，包括：

通過直接測量宇宙中物體的亮度和距離，如恆星，星系和超新星，使我們能夠構建宇宙距離階梯。
從大規模結構的測量，星系的聚類，以及重子聲振盪。
並且從宇宙微波背景的波動中，宇宙的“快照”只有38萬年的歷史。

得到了一個今天構成的宇宙，68％暗能量，27％暗物質，4.9％正常物質，約0.1％中微子，約0.01％輻射，幾乎沒有其他。但是你要了解宇宙今天如何擴展，我們可以及時推斷它，並瞭解宇宙的整個擴張歷史，以及它的年齡。

導致宇宙能量密度作為時間函數的各種成分的分解。圖片來源：E。Siegel。

我們得到的數字 - 最準確地來自普朗克，但是來自其他來源，如超新星測量，HST關鍵項目和斯隆數字天空調查 - 是宇宙的138.1億年，不確定性只有1.2億年。這意味著我們對宇宙時代的準確性有99.1％的信心，這是一個驚人的壯舉！

是的，我們有許多不同的數據集指向這個結論，但實際上，它們都是相同的方法。我們很幸運，他們都指出了一致的畫面，但實際上，任何一個約束本身都不足以說“這正是宇宙的確如此。”相反，它們都提供了各種可能性，它只是他們的交匯點告訴我們住在哪裡。

科研小蟲

簡單的說，知道宇宙的年齡就是靠理論加上實際的觀測結果。1929年，天文學家哈勃發現了河外星系在遠離我們，且距離的越遠遠離的速度就越快，並給出了速度與距離的比值，符號是K，後來改為哈勃常數，符號是H。

哈勃常數的大小就代表著宇宙膨脹的快慢，另外，大爆炸宇宙模型已經建立，科學家知道宇宙最初是熾熱的、密度溫度極高的純能量，之後進入到了核合成階段，直到大爆炸30萬年後，宇宙中的第一批原子才開始誕生，而直到大爆炸後的38萬年，宇宙才有了第一縷光線，這個光線一直保留到現在就是現在觀測到的宇宙微波背景輻射，它反映著嬰兒時期的宇宙的圖景。

為了繪製更加精確的宇宙微波背景輻射圖，科學家發射了數個探測衛星，直到2013年，根據各個衛星的觀測數據，歐空局發佈了迄今為止最為精確的宇宙微波背景輻射圖：

結合之前已有的理論，以及修正過的哈勃常數，最為精確的宇宙年齡出爐了，這些數據套入下面的公式中，宇宙的年齡就是138.2億歲。

其中，z是紅移值，H是哈勃常數，以及其它的一些宇宙參數。

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宇宙的壽命會是多少年，這個沒人能夠知道。但宇宙已經存在了多久，可以估算，目前科學家通過普朗克等衛星對宇宙微波背景輻射的全天空觀測，通過數據計算得到宇宙已有年齡約是138億年。

由於宇宙在大尺度上是均勻的，也就是在幾億光年以上的尺度是均勻和各項同性的，所以一度天文學家們都認為宇宙是一個樣子的，稱為恆溫態宇宙模型，像愛因斯坦也一度認為宇宙是永恆穩定的，從而在廣義相對論中加入常數來獲得恆溫態宇宙模型。

但在1920年以後，人們對宇宙的觀測發現，絕對大部分星系的吸收線紅移，這意味著星系正在遠離我們而去。在1929年，哈勃提出了星系退行速度和距離成比例，這就是哈勃定律。愛因斯坦在和哈勃會面以後，對自己杜撰的這個宇宙常數後悔不已，稱是自己所犯的最大錯誤。

宇宙膨脹的事實是大爆炸理論的重要觀測證據，哈勃定律表明星系間相互遠離的持續時間是相同的，通過哈勃時間可以計算出宇宙的年齡，所以對宇宙年齡的測定，重點在於對哈勃常數的精確獲得。

隨著威爾金森，普朗克等巡天衛星的發射，科學家獲得宇宙最古老輻射的分佈圖，可以精確計算哈勃常數。通過普朗克衛星得到的宇宙學參數，計算出的宇宙年齡是138.1億年。

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所謂宇宙的年齡和大小都只是人們基於目前認識的推測。因為哈勃望遠鏡發現所有天體都在遠離我們，星體的距離可以通過各種手段測出來，這個遠離的速度可以根據哈勃紅移算出來。人們就據此推算這些星體都是由一個奇點膨脹而來，並且根據這個距離和速度可以算出從奇點膨脹到現在所需要的時間。但是這裡有一個前提，那就是宇宙是均勻膨脹的，始終以這個速度膨脹的，否則用現在的膨脹速度和距離推測經歷時間就沒有意義了。畢竟我們對於宇宙的觀測才僅僅幾十年，而宇宙卻至少一百多億年曆史。然而這個前提卻是有問題的，也許宇宙膨脹的速度是逐漸減少的，那麼宇宙的年齡就明顯低估了。也許宇宙膨脹速度是逐漸增大的，那麼宇宙年齡就是明顯高估了。也許宇宙現在在膨脹，過一段時間就要收縮，一直在膨脹收縮中循環，那麼用這種方法計算宇宙年齡就是完全錯誤的。也許在我們這一片星宇空間在膨脹，其他地方空間卻是在收縮。

在一個學校的大操場上，許多孩子們在玩各種遊戲。有的孩子在玩捉迷藏，有的在玩賽跑，有的在玩丟手絹。有這麼一群孩子所在玩點炮仗，一個孩子在人群中小心地點炮焾，其餘孩子圍著他看。突然炮仗點著立刻炸響了，孩子們四散而逃。整個過程也就十幾秒的時間，但是對於這個空間的一個微觀文明來說，它們的時間感覺中，卻是幾十億年的時間。它們的文明也僅僅存在了幾十萬年時間，對於空間的觀測也就幾十年的時間。這幾十年的觀測中，它們發現它們周圍的巨大存在無一不在遠離它們。於是它們得出結論，它們生存的這個宇宙在不斷膨脹，而且還根據孩子們奔跑速度，算出了宇宙誕生的時間。