科学家如何估计宇宙的年龄?

Jun06

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科学家如何估计宇宙的年龄?而如果真的是138亿年,那么可观测的宇宙只能在那个半径的一个球内。那么已知的宇宙如果不被看到怎么可能有930亿光年呢?

早在 1900 年,科学就认为宇宙无限古老,但接下来 40 年的发展开始对这一点提出质疑。

有个叫埃德温·哈勃的人。在 20 世纪初期,科学才刚刚开始认识到银河系并不是整个宇宙,而且你可以在望远镜中看到的许多物体不是恒星而是星系。在足够大的望远镜中,你可以清楚地看到它们是由数十亿颗恒星组成的。

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问题是这些星系有多远。要测量起点的距离,您可以使用一种称为“视差”的技术,该技术使用地球轨道作为大三角形的一侧。你每隔六个月进行一次测量,看看这颗恒星相对于其他恒星移动了多少(提示,不多),然后做一些三角函数给你距离。

你不能用星系做到这一点。他们离得太远了。然而,还有另一种技术可以根据遥远的恒星的光度来使用。您可以查看恒星的光谱并从中计算出它的亮度,然后查看它从地球上出现的亮度以确定它必须有多远。

现在,有一些恒星被称为造父变星,顾名思义,它们会随着亮度而变化。它们变化的速度告诉你它们有多亮,当它们亮时,可以从很远的地方检测到它们。哈勃四处寻找星系的照相底片,最终找到了一张。

再往前看,他发现了其他星系,发现这些星系距离我们数百万光年。他继续寻找,发现了更遥远的星系。

但当他观察时,他发现这些遥远的星系有些奇怪。谱线不适合 他很快意识到谱线的间距是正确的,但它们被移向了光谱的红色端。他很快意识到这是因为那些星系正以极快的速度远离我们——这是光速的很大一部分。

这样,光就像声音一样——它的频率随着它接近你而变得更高,而随着它远离你而降低。他发现几乎所有的星系都发生了“红移”。不仅如此,它们离得越远,红移就越大。这种关系是如此稳定,他创造了一个物理定律来描述它。

哈勃的工作对永远存在的“稳态”宇宙的想法提出了质疑。比利时牧师乔治·拉迈特是第一个提出宇宙有一个确定的起源点和一个固定年龄的人。

然后到了 1960 年代,在贝尔实验室工作的一对名叫 Penzias 和 Wilson 的美国工程师开始研究为什么微波传输中存在如此多的干扰。他们建造了一个天线来寻找源头:

今天就到这里。问题是,当他们检查数据时,干扰几乎来自任何地方。他们把天线指向的每一个地方,都发现了相同的微波辐射。

膨胀宇宙理论(相信稳态理论的人弗雷德霍伊尔嘲笑地称之为“大爆炸”)的支持者喜出望外。他们意识到这可能是宇宙开始时的剩余辐射,发生了巨大的红移,因此不再可见。

1970 年代使用配备红外传感器的卫星进行的实验得到了更多数据,并显示出大约 3 开尔文的光度峰值,这正是您将哈勃的数据外推到宇宙边缘时所期望的结果。考虑到辐射的红移程度,这给了我们大约 140 亿年的估计——物质在宇宙边缘以几乎光速远离我们。

或者我们是这么认为的。

2006 年,一对名叫乔治·斯穆特 (George Smoot) 和约翰·马瑟 (John Mather) 的科学家建造了另一颗卫星,以对宇宙起源的残余物进行更准确的测量。这是他们的数据发现的

这是微妙的,在实验的范围内,但它就在那里——宇宙背景辐射的红移量的微小差异取决于你看的地方。以前的研究人员无法获得这种细节。那么这是什么意思呢?这意味着在宇宙的一开始,它的一部分离开我们的速度超过了光速,并且膨胀率不是一个常数(光速)而是一个变量。

我们被这样一个事实愚弄了:我们认为宇宙和它一样大。我们错了。一旦这些微小的差异在早期出现,它们就永远将我们排除在宇宙膨胀速度超过光速的那些部分之外。我们无法看到我们现在所说的“哈勃球体”之外,即使它以光速膨胀。宇宙开始时的这些微小差异现在造成了巨大的距离。鉴于我们可以大致判断宇宙的每个部分在开始时膨胀的速度有多快,我们估计它现在的直径约为 90-1000 亿光年,尽管任何观察者都无法看到自宇宙开始膨胀。