【博科園-科學科普】毫無疑問，宇宙自宇宙大爆炸以來已經存在了138億年，而且科學家們對這個數字非常有信心。事實上這個數字的不確定性（誤差）不到估計年齡的1%。但在過去一直是錯誤的（過去有很多宇宙年齡的數據，如200億歲，150億歲，137億歲，30億歲等等），現在最精確的138.17億歲可能又錯了嗎？
如果你看得足夠遠，能看到的最遠的時間是138億年：我們對宇宙年齡的估計，但這是正確的嗎？圖片：NASA / STScI / A. Felid
開爾文勳爵估計太陽的年齡在20到4000萬年之間，因為他的模型沒有(不)包括量子力學和相對論。當我們觀測宇宙的時候是否有可能犯類似的錯誤？讓我們來看看歷史問題，然後跳到現代的情況去了解更多吧。
估計宇宙的時間，星星群、恆星和星雲在我們銀河系是很有用的，但是如我們缺乏了解恆星的過程導致了我們的太陽系的年齡估計錯誤，是否也會弄錯宇宙的年齡呢？圖片：ESO / VST survey
在19世紀末關於宇宙的年齡存在著巨大的爭議。查爾斯·達爾文(Charles Darwin)從生物學和地質學的研究中得出結論，如果不是幾十億年的話，地球本身至少要有幾億。但凱爾文爵士看恆星是如何運行得出的結論是：太陽本身需要更年輕。他所知道的唯一反應是化學反應，如燃燒和重力收縮，後者最終證明了白矮星的能量是如何得到的，但要放出那麼多的能量，就相當於太陽的生命周期只有數千萬年。
從太陽太陽耀斑，到遠離我們的恆星拋射物質，進入太陽系是微不足道的核聚變的質量損失降低了太陽的總質量的0.03%的起始值：損失相當於土星的質量。然而在我們發現核聚變之前無法準確地估計出太陽的年齡。圖片：NASA’s Solar Dynamics Observatory / GSFC
當然，幾十年後隨著核反應的發現以及愛因斯坦的E = mc2在太陽中發生的氫聚變的應用，這個問題得到了解決。當充分計算後才意識到太陽的生命周期將會在10 - 120億年間，而我們太陽系的存在已經有45億年了。太陽的年齡(來自天文學)，地球(來自地質學)，生命(來自生物學)都排列成連貫一致的圖像。
太陽、地球和地球上的生命歷史都有一個穩定的時代，但在19世紀末期地球年齡的證據表明它明顯比太陽大（但這是錯誤的）。圖片：ISS Expedition 7 Crew, EOL, NASA
有兩種方法來計算今天宇宙的年齡：觀察單個恆星和星系的年齡，並研究膨脹宇宙的物理學。恆星本身是不那麼精確的度量，因為我們只能在一瞬間看到它們，然後再推斷恆星的演化倒退。這在擁有大量恆星數據的時候很有用，比如球狀星團，但對單個恆星來說更困難。這種方法很簡單：當大量的恆星聚集在一起時，它們的大小和顏色各不相同，從熱的、大的和藍色的，到冷的、小的和紅色的。隨著時間的推移更大的恆星燃燒它們的燃料的速度是最快的，所以它們開始演化，直到死亡。
恆星的生命周期如圖所示的顏色/震級圖的上下文中理解。隨著恆星年齡的增長，數據圖表信息的變化，使我們能夠確定恆星集群星系的年齡。圖片版權：Richard Powell under c.c.-by-s.a.-2.5 (L); R. J. Hall under c.c.-by-s.a.-1.0 (R)
因此如果觀測到倖存者，就可以確定恆星的年齡。許多球狀星團的年齡超過120億年，有些甚至超過130億年。隨著觀測技術和能力的進步不僅測量了單個恆星的碳、氧或鐵含量，而且還利用了鈾和釷的放射性衰變豐度，結合宇宙中第一個超新星產生的元素，我們可以直接追溯到它們的年齡。
SDSS J102915+ 172927是一顆古老的恆星，它的重量只有太陽所擁有的重量的1 / 2萬，它的年齡應該超過130億年——宇宙中最古老的恆星之一，甚至在銀河系之前就已經形成了。圖片版權：ESO, Digitized Sky Survey 2
但有一種更好、更精確的方法來衡量宇宙的年齡：通過宇宙的膨脹。
我們宇宙未來的四個可能的命運：最後一個似乎是我們生活的宇宙由暗能量主導。宇宙中存在的東西以及物理定律，不僅決定了宇宙的發展，也決定了宇宙的歷史。圖片：E. Siegel / Beyond The Galaxy
通過測量今天的宇宙，距離物體的移動距離，以及它們在附近的距離，在中間的距離，以及最大的距離，科學家們就可以重建宇宙的膨脹歷史。現在知道我們的宇宙由大約68%的暗能量、27%的暗物質、4.9%的正常物質、0.1%的中微子和0.01%的輻射組成。我們也知道這些成分是如何隨著時間演變的，宇宙遵循廣義相對論的定律。把這些信息結合起來，形成一個單一的、引人注目的宇宙起源的圖景。
三種不同類型的測量，遙遠的恆星和星系，宇宙的大尺度結構，以及宇宙微波背景的起伏，告訴我們宇宙的膨脹歷史。圖片版權：NASA/ESA Hubble (top L), SDSS (top R), ESA and the Planck Collaboration (bottom）
在幾秒鐘內宇宙是一團電離粒子和反粒子，最終冷卻並允許在幾分鐘後形成剩餘的原子核。38萬年後第一個穩定的中性原子形成。在幾千萬到幾億年間引力將這個物質聚集到恆星和星系中。在數十億年的時間裡，星系融合在一起，形成了我們今天所看到的宇宙。從各種來源收集的數據，包括宇宙微波背景，星系的大規模聚集，遙遠的超新星，重子聲學振蕩，到達了一個單一的，引人注目的圖景：一個已經有138億年歷史的宇宙。
整個已知宇宙的宇宙歷史表明應該從它的所有物質的起源，以及所有的光，最終到宇宙膨脹的到結束和從炙熱的大爆炸的開始，從那時起已經經歷了138億年的宇宙演化，這是由多個來源證實的圖像。圖片：ESA and the Planck Collaboration / E. Siegel (corrections)
有一些不確定因素，維基百科引用我們的宇宙是13.799±00.21億歲了。如果在某個地方有一個系統性的錯誤，那麼2100萬年的不確定性很容易得到5到10倍。目前關於膨脹率(哈勃常數)目前存在爭議，CMB表示它接近67公裡/ s/ Mpc，而恆星和超新星指向更接近74公裡/秒/ Mpc。在暗物質/暗能量組合中存在不確定性，有些測量的比例為1:2，而另一些則為1:3或介於兩者之間。根據這些謎題的解析度，可以想像宇宙可能會像137億年那樣年輕，或者高達140億歲。
測量宇宙膨脹歷史的一種方法是，回到我們能看到的第一束光，那時宇宙只有38萬年。另一種方法不會倒退到很遠的地方，但也有可能被系統錯誤所汙染。圖片：European Southern Observatory
然而不太可能的是，這個138億年前的數字將會有一個重大的修正。即使有比我們所知道的力、粒子和相互作用更基礎的物理，它們也不太可能改變恆星如何運作的物理學，如何隨著時間的推移而運作，宇宙如何膨脹，以及輻射/物質/暗能量如何構成我們的宇宙。這些事情都是有差異的，受約束的，而且正如人們所理解的那樣，即使暗能量演化，像G、c或h等基本常數隨著時間變化，或者標準模型粒子可以進一步分解，宇宙的年齡也不會從大爆炸到現在的改變。
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