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科学家如何估计宇宙的年龄?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2021-10-22 08:46:47

早在1900年,科学家就认为宇宙是无限古老的,但随后40年的发展开始让人们开始质疑这一点。

有个叫埃德温·哈勃的人。在20世纪早期,科学才刚刚开始认识到,银河系并不是整个宇宙,你在望远镜里看到的许多物体不是恒星,而是星系。在一个足够大的望远镜里,你可以清楚地看到它们是由数十亿颗恒星组成的。

科学家如何估计宇宙的年龄

问题是这些星系离我们有多远。为了测量起点的距离,你使用了一种叫做视差的技术,它使用地球轨道作为一个大三角形的一边。你每隔6个月测量一次,看看这颗恒星相对于其他恒星移动了多少(提示,不多),然后做一些三角运算就能得出距离。

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你不能对星系这样做。他们太远了。然而,还有另一种技术可以根据遥远恒星的光度来使用。你可以观察一颗恒星的光谱并从中计算出它的亮度,然后观察它从地球上看的亮度来确定它离地球有多远。

现在,有一种叫做造父变星的恒星,顾名思义,随亮度而变化。它们变化的速率告诉你它们有多亮,当它们亮时,从很远的地方就能探测到。哈勃四处寻找星系的照片,他终于找到了一个。

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进一步观察,他发现了其他星系,发现这些星系离我们有数百万光年远。他继续寻找,发现了更远的星系。

但当他观察时,他发现这些遥远的星系有些奇怪的地方。他很快意识到这些光谱线的间距是正确的,但是它们被移到了光谱的红端。他很快意识到这是因为这些星系正以极高的速度远离我们——这是光速的很大一部分。

通过这种方式,光就像声音一样——它的频率在接近你时变得更高,在远离你时变得更低。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。

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哈勃的工作让人们对稳定状态宇宙的概念产生了质疑。比利时牧师乔治·拉梅特(George Lamaitre)是第一个提出宇宙有明确起源和固定年龄的人。

到了20世纪60年代,在贝尔实验室工作的两位名叫彭齐亚斯和威尔逊的美国工程师开始研究为什么在微波传输中会有这么多的干扰。他们建造了一个天线来寻找源头:

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这就是今天。问题是,当他们检查数据时,干扰实际上来自各处。他们把天线指向每一个地方,都发现了相同的微波辐射。膨胀宇宙理论(被一个相信稳态理论的人弗雷德·霍伊尔戏称为大爆炸)的支持者欣喜若狂。他们意识到这可能是宇宙开始时遗留下来的辐射,发生了巨大的红移,以至于再也看不见了。

20世纪70年代的实验使用了一颗装有红外传感器的卫星,带回了更多的数据,显示了大约3开氏度的光度峰值,这正是如果你将哈勃的数据外推到宇宙的边缘,你所期望的。根据辐射的红移程度,我们估算出大约140亿年的时间——物质在宇宙边缘以几乎光速的速度远离我们。

至少我们是这么认为的。2006年,乔治·斯穆特(George Smoot)和约翰·马瑟(John Mather)两位科学家建造了另一颗卫星,对宇宙起源的残留物进行更精确的测量。以下是他们的数据:

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这很微妙,在实验的范围内,但它确实存在——宇宙背景辐射中的红移量的微小差异取决于你观察的位置。这类细节之前的研究人员是无法获得的。这意味着什么呢?这意味着在宇宙开始的时候,它的一部分以比光速还快的速度远离我们,而膨胀的速度不是一个常数(光速),而是一个变量。

我们被这个事实愚弄了,我们认为宇宙和它的古老一样大。我们错了。一旦这些微小的差异在早期出现,它们就会永远将我们与宇宙中那些比光速还快的部分拒之门外。我们无法看到我们现在所说的哈勃球之外的东西,即使它正在以光速膨胀。宇宙之初的微小差异现在造成了巨大的距离。鉴于我们可以大致知道宇宙开始时每个部分膨胀的速度,我们估计它现在的直径约为900 - 1000亿光年,尽管任何人都无法看到比宇宙开始膨胀后的140亿年更远的地方。
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