宇宙的年齡－❤ 愛分享 ❤ :: 隨意窩 Xuite日誌

關於宇宙和地球年齡的科學研究 資料來源 : http://www.epochtimes.com/b5/2/8/12/c8459.htm )

目前估計宇宙年齡主要有兩種方法。第一種方法是測定球狀星系中最暗的白矮星的年齡，其基礎是目前的星系演化理論。現在科學家認為球狀星系是宇宙中最古老的星系，白矮星是星系中最古老星體，而且越暗淡的白矮星越古老。白矮星是質量與太陽相當但體積僅與地球相當的一種星體，所以其密度是水的一百萬倍以上。白矮星由於熱輻射發光而逐漸冷卻，通過估算白矮星冷卻的時間，科學家們可以推斷出白矮星的年齡從而估算出宇宙的年齡。

從最新哈勃望遠鏡觀測到的白矮星數據，科學家們推斷宇宙年齡在130-140億年之間。另外一種方法是哈勃常數(H0)法，其基礎是目前流行的宇宙大爆炸理論。現代天文觀測顯示我們的宇宙正在膨脹，所以星系之間的距離在逐漸增加。哈勃定律指出星系之間的退行速度(v)和它們之間的距離(d)有一個簡單的正比關係，v=H0×d，假定哈勃常數(H0)不隨宇宙年齡而變化，測出了兩個星系間的退行速度和距離，1/H0=d/v就給出了自從大爆炸兩個星系分開經歷的時間，也就是宇宙自大爆炸以來的所經歷的時間。目前用這種方法得到的宇宙年齡約為130億年。但是最近的觀測表明宇宙受一種神秘的力量所推動，正在加速膨脹，所以哈勃常數並不是恆定不變的。而且最近的一些天文發現(如古老星系中眾多新星體的產生，星河的重組與更新，大量新星體的暴生，神秘的暗物質，頻繁的ＧＡＭＭＡ爆等等)表明，現代科學對宇宙的認識還很不全面，因此對宇宙的年齡的推斷很可能是有侷限的。

目前層出不窮的天文新發現已經對現有的宇宙學理論提出了強有力的挑戰，科學家們對宇宙的看法也在逐漸改變。普林斯頓大學教授保爾.斯坦哈特(Paul Steinhardt)和英國劍橋大學教授內耳.圖羅克(Neil Turok)最近提出了宇宙循環爆炸重組的模型。該理論認為，宇宙無始無終，不斷處於從生長到消亡的循環過程中。據BBC報導，提出這個理論的宇宙學家們說，宇宙必然是這樣，這才可以解釋宇宙間一個重大的疑團：為什麼星體和各星系都在背道而馳(宇宙膨脹)，越離越遠。宇宙原本已經奇幻莫測，有黑洞、夸剋星，還有不斷從無到有、又從有到無的粒子。斯坦哈特說，這些公式預測宇宙無始、無終，一次次宇宙大爆炸將會永不止息，不斷發生。他說：“我們這幅圖畫所提出的大爆炸並非時間的開端，而只是一連串爆炸循環當中的最新一次而已。在這些循環當中，宇宙經歷加熱、膨脹、冷卻、停滯、空虛，然後再度膨脹。”根據這個理論，宇宙將會繼續膨脹，然後在宇宙某個角落發生另一次大爆炸，一切重新開始。他們指出，如今的宇宙是在上個宇宙的塵埃中誕生的。目前科學家正在地球上和太空中建造新一代的儀器來證實或者否定宇宙無始無終的說法。

現在科學界所公認的測定地球年齡的方法是放射性同位素半衰期法。其方法是測定古老岩石中放射性衰變的母元素和一些子元素的含量關係(所謂的等時線)來推斷地球的年齡。這個方法的假設主要有三條：一是地球最初是由星際氣體匯聚而成，慢慢冷卻後形成現在發現的古岩石；二是這些古岩石中的礦物質或結晶基本是與外界隔絕的，也就是自其形成以來沒有與外界發生物質交換；三是用於測定年齡的岩石中的放射性同位素半衰期在漫長的時間裏是基本恆定不變的。用這種方法測定地球上最古老的岩石得到的地球的年齡約是38-39億年，月球上的岩石更古老一些, 約是45億年。現在科學界所認為的地球年齡45.4億年實際上是從太陽系中的最古老的隕石年齡推斷的，因為科學家認為它們應當有相同年齡。

但是用這種方法得到的地球年齡嚴格來說只是構成地球的岩石年齡。如果地球並不是現在科學家們認為的是從星際氣體匯聚而成，而是由太空中的大塊岩石通過某種機制聚合而成，那麼岩石的年齡就可能與地球年齡大相徑庭。就好比我們用測定房子的基石年齡來推斷一座房子的年齡一樣，得到結果肯定比房子的實際年齡要大得多。更好方法也許是通過觀測房子橫樑上集灰的厚度或者房子被侵蝕的程度來推斷房子的年齡。對於地球年齡也一樣。實際上歷史上的確有不少人從地球上沉積物的厚度來推斷地球的年齡而且得到的年齡比放射性同位素法得到的結果普遍要小得多。比較有影響的如A.凱基(A.Keikie)在1868年, 1899年和T.H.胡胥利(T. H. Huxley)在1869年得到的結果一億年；J.約力 (J. Joly, 1908)和W.J.蘇勒士(W.J.Sullas, 1909)的八千萬年；T.M.李德(T.Mellard Reade，1893)的九千五百萬年；以及查爾斯 D.沃爾科特(Charles D. Walcott, 1893)的三千五百萬到八千萬年。在現代同位素半衰期法測定地球年齡佔主導以後這些方法就逐漸被人們遺忘了。主要原因是這些結果比同位素半衰期法得到的結果小很多，科學家們認為地球的年齡應該和地球上的岩石年齡一樣；還有這些方法涉及一些複雜的地球地質演化過程，有些數據難於精確估算等等。

目前的天文研究表明我們的地球在歷史上可能曾經發生過很大的變動。例如：

位於麻省的哈佛--史密蘇年小型行星研究中心 (the Minor Planets Center of the Harvard-Smithsonian Center)的天文學家迪姆.斯帕爾( Tim Spahr )博士認為，從統計上來講，每隔一億年就會有一顆直徑為六英里的小行星與地球相撞，使地球發生劇烈的變化。　

科學家們原來認為元素的半衰變期是不隨時間變化的。但是最近一期8月8日的自然雜誌(第418卷,602頁)發表了一篇文章，澳洲南威爾士大學的一組天文學家通過研究古老星系中的原子光譜發現精細結構常數是隨時間變化的。他們由此推斷光速不是隨時間不變的常數。因為元素的半衰變期和光速有關，因而也可能是隨時間變化的。如果真是這樣，用元素半衰變期測到的岩石的年齡可能都是有疑問的。

資料來源 : http://big5.xinhuanet.com/gate/big5/news.xinhuanet.com/st/2006-05/17/content_4557523.htm

科學家研究宇宙年齡超乎想像———

宇宙始于何時？將止于何時？這是宇宙留給人類最為神秘，也最難解釋的謎題。雖然宇宙大爆炸說已經深入人心，人們已經默認了宇宙誕生于近140億年前的一次大爆炸中，宇宙萬物、星係、地球、生命都是在大爆炸之後逐漸形成的。然而，在這個理論出世之後，很多人也提出了另外一個問題：在宇宙大爆炸之前發生了什麼？5月5 日《科學》雜志上發表的一篇研究論文稱解答了這個讓科學家們為之爭論不休的謎題。美國普林斯頓大學的波爾‧施泰恩加德和英國劍橋大學的尼爾‧圖爾克這兩名理論物理學家在這篇論文裏共同提出了一個理論，即宇宙大爆炸發生了不止一次，宇宙一直經歷著“生死輪回”的過程，而我們所認為的140億年前的宇宙大爆炸並非宇宙誕生的絕對起點，那只是宇宙的一次新生。

誰讓宇宙加速膨脹

讓科學家們注意到宇宙大爆炸不僅只有一次的是被科學家拋棄後又重新拾起的“宇宙常量”。所謂宇宙常量，是對真空中的能量的數學表述，並用希臘字母的第11個字母“拉姆達”表示，這種能量也被認為是神秘的“暗能量”，而這種神秘能量正在讓宇宙不斷加速膨脹。

美國太空網5月8日對英美科學家這一研究的報道中稱，當初愛因斯坦首次提出宇宙常量時，是想證明在宇宙間存在一種能量抗衡著星體間的重力作用，使得各星體不會因為相互的吸引而合到一起，最終讓整個宇宙的物質都融合成一體，因此他也想證明宇宙是靜止的，沒有生長也沒有萎縮。但沒過多久，愛因斯坦就拋棄了這個理論，他稱自己犯下了一生“最大的錯誤”。因為經他自己的廣義相對論公式的計算，宇宙正在膨脹，而天文學家埃德溫-哈勃經過觀察也證實了宇宙確實在膨脹。

20世紀90年代末期，“拉姆達”被科學家們重新拾起，這時一些天文學家發現宇宙不僅僅在膨脹，而且速度正在加快，科學家們不知道是什麼樣的神秘力量導致了這一結果，于是“暗能量”這個詞便產生了。並且科學家們認為“暗能量”就是宇宙常量“拉姆達”，在宇宙大爆炸後“拉姆達”沒有和重力“平分天下”，保持宇宙的平衡，而是從重力手中奪權，使星體間越來越遠，宇宙不斷膨脹。

宇宙常量應該幾何

宇宙常量該有多大，這是宇宙大爆炸發生次數的關鍵。美英科學家波爾‧施泰恩加德和尼爾‧圖爾克就是在對宇宙常量的大小計算中發現了宇宙大爆炸不應該只發生了一次。

科學界一直都試圖解釋的一個問題是為什麼自然界中的那麼多常量的值都是那麼正好，剛好讓生命存在。如果“拉姆達”太大，那麼宇宙就會在大爆炸後立刻迅速膨脹並撐破，就像吹爆的氣球，那麼生命就不可能在百億年後存在了。波爾教授在接受太空網的採訪中說：“‘拉姆達’的值是物理學中最神秘的事物之一。它讓我們非常的迷惑。”甚至科學界出現了“人擇原理”，即宇宙常量恰當地選擇了人類生存，而人類也恰好選擇了在這樣一個常量條件下出現，而人類又回頭研究著為什麼宇宙常量大小會剛好讓人類生存。這聽起來確實不可思議，尼爾教授稱：“這簡直太糟了，真的該被拋棄了。這個理論就是想說明人類永遠不會了解宇宙的奧秘，這就是我們的生存之道。”

為了找到“人擇原理”之外合理的解釋，兩位科學家利用宇宙大爆炸模型計算宇宙常量，但得到的結果要比實際觀測到的宇宙常量大得多，是實際值的10的100次方倍，也就是根本不適合現在宇宙中的生命生存。宇宙常量的大小說到底還關係到人類的生存。因此波爾教授和尼爾教授認為在宇宙大爆炸後宇宙常量（也就是“暗能量”）都會隨著時間的推移而減弱。但是經過進一步的計算後，他們發現140億年根本不夠將爆炸後的值減弱的現在這個值。劍橋大學的尼爾教授說：“人們認為時間開始于那次大爆炸，但從沒有一個合理的解釋。而我們的推論看起來就非常的激進：在宇宙大爆炸之前是存在時間的。”

　　大爆炸不止一次發生宇宙年齡超乎科學家想像

兩位科學家的理論顛覆了人們的“常識”，在人們常常猜想時間將止于何時的時候，他們又告訴了人們時間沒有起點。既然“拉姆達”的值在近140億年中減弱到現在這個適合生命存在的值，那麼，兩位科學家就想到了宇宙大爆炸也許發生了不止一次，每一次的大爆炸都讓宇宙常量有所減弱。在產生了現在我們生活的這個宇宙之前，很可能是在萬億年中宇宙大爆炸發生了很多次。尼爾教授說：“我想，宇宙的年齡可能遠遠大于萬億年。時間沒有開始，根據我們的理論宇宙的年齡是無限大的，而宇宙范圍也是無限大的。”

在2002年，這兩位科學家就提出了宇宙進化經歷著“生死輪回”這個觀點。宇宙就是在一次次大爆炸後重生，在每一次的“輪回”中，宇宙都在膨脹中消耗原有的物質，在宇宙常量減弱的同時也產生了一些新的粒子，直到另一次的大爆炸到來，然後新的粒子又形成了新的物質、天體乃至生命。

如果這兩位科學家的假設是正確的，那麼下一次的大爆炸將在什麼時候到來？尼爾教授說：“不論計算多麼準確，我們都無法預料下一次大爆炸的時間，但我們可以說的是，下一次的大爆炸不會在之後的100億年內發生。”

■知識鏈接

宇宙大爆炸

宇宙大爆炸理論是俄裔美國科學家伽莫夫在1948年提出來的。這個理論認為，宇宙開始是個高溫致密的火球，它不斷地向各個方向迅速膨脹。當溫度和密度降低到一定程度，這個火球發生了劇烈的核聚變反應。隨著溫度和密度的降低，宇宙早期存在的微粒在引力作用下不斷聚集，最後逐漸形成今天宇宙中的各種天體。

這一理論體係被稱為“宇宙大爆炸模型”，與DNA雙螺旋模型、地球板塊模型、誇克模型一起，被認為是20世紀科學中最重要的四個模型。

資料來源 : http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%AE%87%E5%AE%99%E7%9A%84%E5%B9%B4%E9%BE%84

物理宇宙學

宇宙 · 大爆炸
宇宙的年齡
大爆炸年表
宇宙的終極命運显示▼早期宇宙

显示▼膨脹宇宙

显示▼結構形成

显示▼成分

显示▼時間表

显示▼實驗

隐藏▲科學家

愛因斯坦 · 霍金 · 弗里德曼 · 勒梅特 · 哈柏 · 彭齊亞斯 · 威爾遜 · 伽莫夫 · 狄基 · 澤爾多維奇 · 馬瑟 · 魯賓 · 斯穆特

查 • 論 • 編 • 歷

宇宙的年齡是指自大爆炸開始至今所流逝的時間，當今理論和觀測認為這個年齡在一百三十六億年到一百三十八億年之間^[1]。這個不確定的區間是從多個科研項目的研究結果的共識中取得的，其中使用的先進的科研儀器和方法已經能夠將這個測量精度提升到相當高的量級。這些科研項目包括對宇宙微波背景輻射的測量以及對宇宙膨脹的多種測量手段。對宇宙微波背景輻射的測量給出了宇宙自大爆炸以來的冷卻時間，而對宇宙膨脹的測量則給出了能夠計算宇宙年齡的精確數據。

解釋

ΛCDM模型認為宇宙是從一個非常均一、熾熱且高密度的太初態演化而來，至今已經過約一百三十七億年的時間。ΛCDM模型在理論上已經被認為是一個相當有用的模型，並且它得到了當今像威爾金森微波各向異性偵測器（WMAP）這樣的高精度天文學觀測結果的有力支持。但與之相反地，對於宇宙的太初態的起源問題，相關理論還都處於理論猜測階段。此間的主流理論——暴漲模型——以及最近興起的Ekpyrotic模型，則認為我們所處的大爆炸宇宙有可能是一個更大的並且具有非常不同的物理定律的宇宙的一部分，這個更大的宇宙的歷史則有可能追溯至比一百三十七億年前更久遠的年代。

如果將ΛCDM模型中的宇宙追溯到最早的能夠被理解的狀態，則在宇宙的極早期（10^-43秒之前）它的狀態被稱為大爆炸奇異點。一般認為奇異點本身不具有任何物理意義，因此雖然它本身不代表任何一個可被測量的時間，但引入這個概念能夠方便地界定所謂「自大爆炸開始後」的時間。舉例而言，所謂「大爆炸10^-6秒之後」是宇宙學上一個有意義的年代劃分。雖然說這個年代用所謂「一百三十七億年減去10^-6秒之前」表達起來可能會更有意義，但由於「一百三十七億年」的不準確性，這種表達方式是行不通的。

總體而言，雖然宇宙可能會有一個更長的歷史，但現在的宇宙學家們仍然習慣用ΛCDM模型中宇宙的膨脹時間，亦即大爆炸後的宇宙來表述宇宙的年齡。

觀測下限

宇宙顯然需要具有至少和其所包含的最古老的東西一樣長的年齡，因此很多觀測能夠給出宇宙年齡的下限，例如對最冷的白矮星的溫度測量，以及對紅矮星離開赫羅圖上主序星位置的測量。

宇宙學參數

圖1. 宇宙的年齡可以通過對哈柏常數以及所含成分的密度參數的測量決定。在暗能量概念提出之前，人們普遍認為宇宙是物質主導的，因而此圖中密度參數

Ω

近似為

Ω m

。注意到一個加速膨脹的宇宙具有最長的年齡，而具有大擠壓的宇宙具有最短的年齡。

圖2. 宇宙年齡的修正因子

F

值，這裡表現為兩個宇宙學參數的函數：重子密度

Ω m

和暗能量

Ω Λ

。這些參數的最佳符合值用左上角的方形表示，而一個不存在暗能量的物質主導宇宙由右下角的星形表示。

測定宇宙年齡的問題與測量宇宙學參數的問題密切相關，當今能夠包含這一問題解答的即是ΛCDM模型，它認為宇宙包含有通常的重子物質、冷暗物質、輻射（包括光子和微中子）以及一個宇宙學常數（暗能量）。其中每一種物質所佔的比例由 $\Omega_{m}\,$ （重子+暗物質）、 $\Omega_{r}\,$ （輻射）、 $\Omega_{\Lambda}\,$ （宇宙學常數）分別表示。完整的ΛCDM模型包含有一系列其他參數，但對於測定宇宙年齡的問題而言，這三個參數以及哈柏常數 $H_0\,$ 是最重要的參數。

如果能夠精確測量這些參數，則能夠進一步通過弗里德曼方程式確定宇宙的年齡，方程式描述了宇宙中物質的組成成分如何影響宇宙度規的尺度因子 $a(t)\,$ 的變化。將這一方程式倒過來，我們能夠得到單位尺度因子變化引起的單位時間變化率，進一步對整個方程式積分就能得到宇宙至今的年齡。宇宙的年齡 $t_0\,$ 由下式給出：

$\text{[math]}$

其中函數 $F\,$ 取決於宇宙中不同組成成分在總能量中所佔的比例。可以看到在公式中制約宇宙年齡的重要參數是哈柏常數，而物質、輻射和暗能量所佔的比例則是對這一結果加以修正。因此對宇宙年齡的最粗略估計能通過哈柏常數的倒數得到：

$\text{[math]}$

若要得到更精確的年齡測量值，需要計算函數 $F\,$ 的值，而這在當前只能通過數值方法得到，圖2中表示了在不同物質-宇宙常數比例下的 $F\,$ 值。可以看到根據在左上角方形中表示的威爾金森微波各向異性偵測器的當前結果（0.266 0.732）， $F=0.996\,$ 近似為1；而如果平直宇宙中不存在宇宙常數項，由右下角的星號表示的 $F\,$ 值為 $0.667\,$ ，從而在給定哈柏常數的情形下這樣的宇宙要更年輕。這張圖假定了宇宙中輻射所佔比例是常數（粗略等價於認為微波背景輻射的溫度是常數），而宇宙中曲率所佔比例 $\Omega_{k}\,$ 則由其他三個密度參數給定。

對於上面描述的參數，威爾金森微波各向異性偵測器對微波背景輻射的測量能夠很好地確定物質比例 $\Omega_{m}\,$ ^[2]和曲率比例 $\Omega_{k}\,$ ^[3]，但不能直接靈敏地測量宇宙學常數 $\Omega_{\Lambda}\,$ ^[3]，部分原因是宇宙學常數在低頻紅移中才顯示重要影響。而當前對哈柏常數的最精確測量來自於Ia型超新星。

在其他參數給定的前提下，宇宙學常數能夠使宇宙的年齡更古老。這在宇宙學中的意義相當重要，因為在宇宙學常數被廣泛接受之前，在大爆炸理論以及宇宙中僅有物質這一假設下，大爆炸模型難以解釋為什麼銀河系中的球狀星團測定的年齡要遠比宇宙年齡更古老^[4]^[5]。引入宇宙學常數能夠使宇宙的年齡變得更合理，並能解釋很多僅有物質的宇宙模型所不能解釋的問題^[6]。

WMAP

美國國家航空暨太空總署的威爾金森微波各向異性偵測器計劃中所估計的宇宙年齡為

(1.373 ± 0.012) × 10¹⁰ 年

也就是說宇宙的年齡約為一百三十七億三千萬年，不確定度為一億兩千萬年^[1]。不過，這個測定年齡的前提依據是威爾金森微波各向異性偵測器所基於的宇宙模型是正確的，而根據其他模型測定的宇宙年齡可能會很不相同。例如若假定宇宙存在有相對論性粒子構成的背景輻射，威爾金森微波各向異性偵測器中的局限條件的誤差範圍則有可能會擴大10倍^[7]。

測量通過判斷微波背景輻射能譜中的第一個聲學峰值的位置來確定退耦表面的大小（在表面複合時宇宙的大小），光到達這一表面的時間（取決於宇宙的時空幾何結構）能夠給出一個可靠的宇宙年齡值。在假設所用模型的正確性的前提下，觀測中的剩餘誤差上限在1%左右^[8]。

這個宇宙年齡值是最常被天文學家們引用的值。

強前提條件的假設

計算宇宙年齡的準確性高度依賴於模型中所包含參數及假設的準確性，這經常被稱作強前提條件。這時往往要通過對模型中其他方面的潛在誤差進行消除，從而提高應用到最終結果中的參數的準確性。雖然在任何情況下這都不應是正確的做法，但它有效地將年齡測定的準確性提升到預計的誤差範圍內。

如果僅依賴於威爾金森微波各向異性偵測器所得的數據，最佳符合的宇宙年齡值是(1.369 ± 0.013) × 10¹⁰ 年^[1]（而(1.373 ± 0.012) × 10¹⁰ 年這一結果是參考了其他參數結果），這是第一個「直接」精確測定的宇宙年齡值（其他方法則結合了哈柏定律以及最古老的球狀星團的年齡測量值，等等）。測量中通常將不確定度劃分為兩類：實際的測量誤差和所用模型的系統誤差。從而測量中的一個很重要的數據分析方法是使用貝葉斯統計分析，其中將基於前提條件（即模型）的測量結果歸一化^[8]。由於特定模型的使用，這種方法能夠量化測量精確性中的任何不確定度^[9]^[10]。