宇宙的年齡

□ 陳冬妮

年齡

同為地球上的智慧生命，各國(guó)人對(duì)年齡的詢(xún)問(wèn)有著不同的看法。按照西方傳統(tǒng)禮節(jié)，初次見(jiàn)面就問(wèn)“您貴庚”是不得體的；但中國(guó)人習(xí)慣以此拉近距離，而且還會(huì)根據(jù)對(duì)方的情況謹(jǐn)慎選擇用語(yǔ)，例如：“您高壽？”當(dāng)我們拋開(kāi)世俗放眼星辰之際，詢(xún)問(wèn)星系的年齡則不再是個(gè)民俗禮節(jié)問(wèn)題，而是個(gè)充滿挑戰(zhàn)的自然科學(xué)問(wèn)題了。

回顧天文學(xué)的發(fā)展歷史不難發(fā)現(xiàn)，天文學(xué)家無(wú)時(shí)無(wú)刻不面對(duì)著有關(guān)天體年齡的尷尬局面：從最原始的認(rèn)為天地永恒，到發(fā)現(xiàn)宇宙大爆炸及其加速膨脹；從相信太陽(yáng)始終如一地送給人類(lèi)光明和溫暖，到發(fā)現(xiàn)恒星內(nèi)部的核聚變過(guò)程；從因數(shù)據(jù)有誤而估算出比地球巖石年齡還小的宇宙年齡，產(chǎn)生“先有兒子后有父親”的佯謬，到精確測(cè)得今天可觀測(cè)宇宙的年齡大約為137億年。這一切都表明天文學(xué)家對(duì)宇宙以及各類(lèi)天體的年齡估計(jì)是多么艱難、復(fù)雜又漫長(zhǎng)的過(guò)程。但我們不是專(zhuān)業(yè)的天文學(xué)家，也無(wú)需了解艱深繁雜的判斷天體年齡的具體過(guò)程，我們只需對(duì)宇宙天體的年齡有概念性的了解就足夠了。

星系光譜發(fā)生紅移示意圖。從上到下第一排為靜止星系的光譜；第二排為遠(yuǎn)離地球運(yùn)動(dòng)的星系光譜，可以看出譜線向光譜紅端移動(dòng)，波長(zhǎng)變長(zhǎng)；第三排為朝向地球運(yùn)動(dòng)的星系光譜，與第二排的情況相反，譜線向光譜藍(lán)端移動(dòng)，波長(zhǎng)變短，稱(chēng)為藍(lán)移

梅西葉天體M51，1845年威廉·帕特森用望遠(yuǎn)鏡看到這對(duì)外形奇特的星系，差不多100年后人們才知道它們是一對(duì)相互作用星系

時(shí)間等于距離

在談?wù)撚钪嫣祗w的年齡之前，我們需要進(jìn)行一個(gè)思維轉(zhuǎn)換——距離等于時(shí)間。這不是多難的事，讓我們先想想身邊的情況。假設(shè)我們?cè)诟咚俟飞闲旭?，每個(gè)人都會(huì)自然想到時(shí)速，沒(méi)錯(cuò)，就是我們掛在嘴邊的時(shí)速120，時(shí)速80，當(dāng)然我們的默認(rèn)單位是千米每小時(shí)。這樣任何距離都可以等效成時(shí)間。例如時(shí)速120千米就意味著2千米等于1分鐘，而相距600千米的兩個(gè)城市，在我們的腦海中就等于5小時(shí)。現(xiàn)在我們把這種時(shí)間距離的轉(zhuǎn)換應(yīng)用到宇宙中，與高速公路上行駛的機(jī)車(chē)相比，惟一的不同是現(xiàn)在我們的速度是光速！120千米每小時(shí)的速度對(duì)于宇宙來(lái)說(shuō)太慢了，我們必須用30萬(wàn)千米每小時(shí)的光速作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，這也是我們的宇宙中最快的速度。如果你聽(tīng)說(shuō)過(guò)愛(ài)因斯坦，聽(tīng)說(shuō)過(guò)相對(duì)論，你會(huì)立刻想到任何物體的速度都不可能超越光速。之所以要進(jìn)行這樣的轉(zhuǎn)換，只是為了更接近專(zhuān)業(yè)天文學(xué)家的思路，在他們的研究中，在宇宙學(xué)尺度上，時(shí)間和距離是一回事，對(duì)宇宙中星系年齡的估計(jì)，就變成對(duì)這個(gè)星系距離的測(cè)量。

電磁波譜

哈勃定律卡通圖

宇宙有多老？

目前主流天文學(xué)家認(rèn)為，宇宙作為一個(gè)整體有確定的年齡——大約137億年，這個(gè)年齡比任何已知的宇宙內(nèi)天體年齡都要大，也就是說(shuō)這個(gè)數(shù)值至少與已有觀測(cè)數(shù)據(jù)不矛盾。

當(dāng)我們談?wù)撚钪娴哪挲g時(shí)，不得不提到一位大名鼎鼎的天文學(xué)家——埃德溫·哈勃。正是他在20世紀(jì)20年代對(duì)銀河系以外星系的觀測(cè)，開(kāi)創(chuàng)了宇宙學(xué)的新時(shí)代，他提出的“哈勃定律”為大爆炸宇宙學(xué)奠定了基石。不要被這些看起來(lái)很?chē)樔说脑~匯所迷惑，我們很快就會(huì)搞清楚所謂的哈勃定律和哈勃常數(shù)。

當(dāng)年哈勃觀測(cè)了幾十個(gè)銀河系之外的星系（稱(chēng)為河外星系，星系是大量恒星——例如我們的太陽(yáng)——通過(guò)引力作用形成的集合體，我們的銀河系就是一個(gè)有大約2千億顆恒星的旋渦星系），發(fā)現(xiàn)幾乎所有的星系都在遠(yuǎn)離我們，而且距離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，離開(kāi)我們的速度越大。為什么哈勃能夠肯定星系在遠(yuǎn)離我們呢？他是通過(guò)測(cè)量星系的光譜，發(fā)現(xiàn)其中的譜線（發(fā)射線或吸收線）都向光譜的紅端移動(dòng)（即紅移，redshift）。譜線的紅移是因?yàn)楣庠丛谶h(yuǎn)離我們，這就好比當(dāng)救護(hù)車(chē)遠(yuǎn)離我們時(shí)，我們聽(tīng)到其發(fā)出的警笛聲越來(lái)越低沉，也就是聲波的波長(zhǎng)被拉長(zhǎng)，這種現(xiàn)象就是多普勒效應(yīng)。習(xí)慣上用一個(gè)沒(méi)有單位的純數(shù)z來(lái)表示紅移的大小，z=（λ觀測(cè)－λ靜止）/λ靜止，λ觀測(cè)為觀測(cè)到的波長(zhǎng)，λ靜止為實(shí)驗(yàn)室里靜止光源的波長(zhǎng)，紅移z的數(shù)值越大，說(shuō)明波向紅端移動(dòng)得越多，也就是光源離觀測(cè)值越遙遠(yuǎn)。哈勃因此提出了著名的“哈勃定律”，即星系遠(yuǎn)離我們的速度與距離成正比，v=H0d，其中v代表速度，d代表距離，而比例常數(shù)H0就是所謂的“哈勃常數(shù)”。哈勃的這一發(fā)現(xiàn)震驚世界，因?yàn)楝F(xiàn)在我們看到所有的星系都在遠(yuǎn)離我們，而且距離越遠(yuǎn)速度越快，那就說(shuō)明，在有限的一段時(shí)間之前，所有的星系是聚集在一處的！這就直接支持了大爆炸宇宙學(xué)。

我們?cè)賮?lái)看哈勃常數(shù)H0，因?yàn)樗俣葀的單位總可以通過(guò)轉(zhuǎn)換為米/秒，而距離d的單位也可以轉(zhuǎn)換為米，顯而易見(jiàn)H0的單位是秒分之一，也就是說(shuō)1/H0的單位是時(shí)間單位。1/H0在宇宙學(xué)中有特別重要的意義，它就是宇宙的年齡！有個(gè)專(zhuān)門(mén)的詞匯來(lái)描述1/H0，即回望時(shí)間（lookback time）。只要能精確地測(cè)得H0的數(shù)值，我們就知道宇宙的年齡了！當(dāng)然，僅用1/H0作為宇宙年齡的表示并不準(zhǔn)確，還依賴(lài)宇宙學(xué)模型等等其他復(fù)雜的條件，但那已經(jīng)超出我們感興趣的范疇，我們只要知道哈勃常數(shù)的倒數(shù)等效于宇宙年齡就足夠了。而現(xiàn)在對(duì)哈勃常數(shù)最好的測(cè)定結(jié)果是H0大約為22千米每秒每百萬(wàn)光年，其對(duì)應(yīng)的宇宙年齡大約為137億年。

歷史上因?yàn)閷?duì)哈勃常數(shù)的測(cè)定差異很大，鬧出過(guò)不少笑話。如果哈勃常數(shù)值是一個(gè)很大的數(shù)，那么它的倒數(shù)就會(huì)很小，使得宇宙的年齡比某顆恒星的年齡還小，即“先有兒子后有爸爸”，大爆炸宇宙學(xué)也因此備受抨擊。但隨著探測(cè)設(shè)備技術(shù)以及宇宙學(xué)的發(fā)展，目前對(duì)哈勃常數(shù)的測(cè)定已經(jīng)達(dá)到了足夠的精度，所謂年齡的佯謬也不攻自破了。

星系有多老？

隨著新聞媒體越來(lái)越關(guān)注天文學(xué)新發(fā)現(xiàn)，我們經(jīng)常會(huì)看到“某星系的年齡為多少億年”的說(shuō)法。那么天文學(xué)家如何確定某星系的年齡呢？

其實(shí)這里面存在一種誤解：在天文學(xué)專(zhuān)業(yè)里，是無(wú)法精確定義星系的年齡的。我們知道星系是由各類(lèi)恒星、氣體以及暗物質(zhì)等其他成分構(gòu)成的混合體，各不同部分都有自己的誕生演化歷史，星系中的全部恒星一般不可能是在一個(gè)確定的時(shí)刻同時(shí)產(chǎn)生的，因此無(wú)法定義一個(gè)星系的年齡，只能說(shuō)星系中某一成分的年齡大約為多少年。那么我們經(jīng)?？吹降年P(guān)于星系年齡的報(bào)道，其數(shù)值究竟對(duì)應(yīng)的是天文學(xué)家的科學(xué)研究中哪一部分呢？

上文我們提到了時(shí)間距離轉(zhuǎn)換的思維，也提到了紅移的概念，現(xiàn)在就是揭開(kāi)謎底的時(shí)刻。在實(shí)際觀測(cè)中，天文學(xué)家能夠測(cè)量到星系的光譜，選擇合適的譜線，就可以準(zhǔn)確地測(cè)定這個(gè)星系的紅移值。而在天文學(xué)家眼里，紅移值與距離是完全等價(jià)的概念。只要給出宇宙學(xué)模型，星系的紅移值與距離是惟一對(duì)應(yīng)關(guān)系。知道了距離，就等于知道了時(shí)間。因此，媒體報(bào)道中提及的星系的年齡，實(shí)際上就是天文學(xué)家通過(guò)測(cè)量星系的紅移，轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的距離即時(shí)間，就得到所謂的星系年齡。例如天文學(xué)家觀測(cè)某星系的紅移值為0.1，那么按照宇宙學(xué)模型給出的對(duì)應(yīng)關(guān)系（需要用到哈勃常數(shù)的數(shù)值），其對(duì)應(yīng)的宇宙學(xué)距離為14億光年，我們就可以說(shuō)這個(gè)星系的回望時(shí)間是14億年，也就是新聞中提到的14億年的星系年齡。再考慮到整個(gè)宇宙的年齡為137億年，也可以認(rèn)為這個(gè)星系是在大爆炸之后123億年時(shí)形成的。

其他測(cè)定星系距離的辦法

既然星系的年齡與其距離是惟一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，那么天文學(xué)家就要想盡各種辦法來(lái)測(cè)量星系的距離。由于星系距離我們都十分遙遠(yuǎn)，從星系發(fā)出的光到達(dá)地球時(shí)已經(jīng)非常暗弱，因此說(shuō)來(lái)簡(jiǎn)單，但真正要確定某個(gè)星系的距離是異常困難的工作。

最初天文學(xué)家利用一類(lèi)特殊的恒星（恒星的光度與其光度變化周期有固定的關(guān)系，中文稱(chēng)為造父變星）或者星系的光譜來(lái)推算其所在星系的距離，但由于亮度有限，這種辦法只能測(cè)量距離較近的星系。隨著天文學(xué)以及探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，今天的天文學(xué)家有很多種辦法來(lái)測(cè)量星系的距離，例如Sunyaev－Zel'dovich效應(yīng)、超新星、引力透鏡、塔利·費(fèi)希爾關(guān)系、基本面關(guān)系、星系面亮度等等，其中有些可以直接測(cè)量星系的絕對(duì)距離，有些是通過(guò)測(cè)量星系的相對(duì)距離，再由“距離階梯”逐步推算出星系的絕對(duì)距離。需要特別強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，由于觀測(cè)和理論的局限，各種途徑測(cè)得同一星系的距離并不完全一致。有些方法得到的距離誤差也比較大。這也是天文學(xué)家致力于提高星系距離測(cè)量精度的原因。

越遠(yuǎn)越年輕

正是由于宇宙學(xué)尺度上時(shí)間和距離實(shí)際上是等效的，因此當(dāng)我們看到宇宙中距離越遠(yuǎn)的星系時(shí)，我們就看到宇宙越年輕的樣子。這對(duì)于研究整個(gè)宇宙的歷史、各種天體的演化無(wú)疑都是至關(guān)重要的。

宇宙大爆炸歷史示意圖