為什麼宇宙年齡是137.98 ± 0.37億年?

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每周推送汪詰老師科普著作《星空的琴弦》同名脫口秀節目，今天我們來揭秘宇宙的暴脹。

視界問題之所以會折磨原有的標準大爆炸模型，是因為空間的不同區域分離得太快，不足以建立起熱平衡。暴脹理論則減慢了在宇宙最最初期時刻的膨脹速度，使宇宙大火球有足夠的時間建立相同的溫度。然後，在完成了這個熱平衡後，宇宙經歷了一次短暫的爆發性的膨脹，而且越來越快，以對早期的緩慢膨脹做出補償，這就是暴脹這個詞的由來。這個理論的核心內容是說，宇宙空間在迅速遠離之前就已經建立了共同的溫度。

科學家們繪製了一張宇宙背景輻射溫度漲落的曲線圖。

說明：圖中的曲線是理論計算值，小白點是實際測量值

預言已經提出，那麼接下去的事情就是觀測實證了。1989年11月18日，在美國的范登堡空軍基地，一支戴爾他火箭沖天而起，把一個價值上千萬美金的探測器發射到了太陽同步軌道上，這就是人類發射的第一個宇宙微波背景輻射探測器，簡稱COBE。在物理學家喬治•斯穆特和約翰•馬瑟的帶領下，有1000多位研究人員為了這臺探測器忙碌著。兩年多後，1992年4月23日，他們宣布了一項激動人心的發現：宇宙微波背景輻射的溫度漲落找到了，而且和理論預測相符得很好。這條消息就好比2016年的引力波一樣，登上了全美各大報紙的頭條，整個科學界都為之興奮，這又是廣義相對論的一次重大勝利。2006年的諾貝爾物理學獎就頒給了喬治•斯穆特和約翰•馬瑟，以表彰他們的這次重大發現。

COBE的發現極大地振奮了科學家們探索宇宙微波背景輻射的熱情，到了2001年6月30日，美國宇航局NASA在卡納維拉爾角又發射了一顆宇宙微波背景輻射探測器，名字叫做威爾金森微波各向異性探測器，簡稱為WMAP，這顆探測器被發射到了地球和太陽的第二拉格朗日點上，這是地球與太陽的一個引力平衡點，它可以保證這顆探測器永遠躲在地球的影子中，從而避免太陽輻射的幹擾。WMAP在太空中整整工作了九年多，研究團隊每隔兩年發布一次數據，而每一次數據發布，都會把我們整個宇宙的微波背景輻射圖像向更精細地推進一步。讓我們來看看它最終發布的九年數據圖像是什麼樣的：

圖 WMAP發布的九年數據圖像

這張圖與暴脹理論預言的相符程度令人嘆為觀止，有了如此堅實的實證基礎，暴脹理論作為宇宙大爆炸理論的補充之一，一直統治宇宙學領域至今，被稱之為標準宇宙模型。當然，既然有標準的模型，自然也會有非標準的模型，宇宙學家們近年來不斷地設想出各種各樣的宇宙模型，但這些不在本書討論範圍內。

關於宇宙加速膨脹的話題，我們在後面還要再詳細地講到，它牽出了當今宇宙學領域最大的一個謎。於是，有了這些測量結果後，宇宙年齡的計算就變得更加複雜了，因為要在哈勃常數的基礎上做出修正，不過這個修正值相對於宇宙的年齡來說不是很大。人類對宇宙年齡的計算結果，就隨著一個個太空天文望遠鏡和宇宙微波背景輻射探測器的升空而一次次地朝著更精確的值修正。根據2015年歐空局普朗克衛星所得到的最佳觀測結果，結合之前的數據積累，我們現在得出的宇宙年齡是137.98 ± 0.37億年。

宇宙微波背景輻射、星際有機分子、類星體、脈衝星這四項重大天文發現，都是在20世紀60年代藉助射電天文望遠鏡發現的，它們對我們人類天文學的發展意義重大，被並稱為20世紀射電天文學四大發現。從光學望遠鏡到射電望遠鏡是人類觀測手段上的一次質變，這種觀測手段的質變帶來我們對宇宙認識上的質變是必然的。而望遠鏡的又一次質變馬上就要到來。

自從上世紀50年代人類的火箭能把衛星送上天之後，天文學家們就在夢想著能不能把望遠鏡送上太空，在太空中一睹宇宙的風採。地面上的望遠鏡無法避免地會受到地球大氣的影響，就好像從水下望向水面之外的景物，所有的東西都扭曲了，因為光線會被水折射。同樣的道理，地球大氣也會折射光線，使得地面上望遠鏡拍攝的照片會失真。於是從1978年開始，美國宇航局聯合歐空局一起開始建造一臺太空望遠鏡，並以傳奇的美國天文學家哈勃的名字命名。這臺長12.8米，口徑4.27米，重8噸的龐然大物從外型上看就像一個「長了翅膀的可樂罐」，它總共耗資15億美元。可是沒想到，它建成後就遇上了1986年美國挑戰者號太空梭的失事，美國宇航局停飛了所有的太空梭，哈勃只得耐心地在倉庫中待命。一直等到1990年的4月24日，美國宇航局經過4年多的休整，終於迎來了挑戰者號之後的首次發射，這次發射的太空梭是奮進號，任務就是送哈勃上天。

哈勃太空望遠鏡很成功地被送入了地球上空600千米的軌道上，然而，當哈勃拍攝的第一張照片傳回來後，在場的科學家們幾乎要崩潰了，這臺被寄予厚望的太空望遠鏡拍出來的照片居然是糊的，效果還不如地面上的望遠鏡。診斷後確認，哈勃有嚴重的質量問題，鏡片在磨製的過程中有誤差，這個誤差是1.3毫米，就是這麼一點點的誤差導致哈勃患上了極為嚴重的「近視」。這個事件在美國民眾中引起了軒然大波，人民紛紛指責美國宇航局用納稅人的血汗錢製造了一個史上最貴的太空垃圾，甚至有媒體把哈勃與鐵達尼號悲劇並列，可見這次事故在當時的影響有多大。有一家媒體的評論是這樣的：「如果埃德溫·哈勃知道這個以他的名字命名的望遠鏡竟是這副德性，恐怕會在墳墓裡氣得打滾吧？」好在美國宇航局化悲痛為力量，他們忍辱負重，在三年之後居然神奇地給哈勃裝了一副眼鏡——增加了一組矯正鏡片。視力恢復後的哈勃開始顯示出它無與倫比的強大力量，它將顛覆整整一代天文學家的觀念，把人類對宇宙的認識往前再次推進了一大步。

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