最后更新：2024年11月15日

宇宙的年龄是如何测量的？

宇宙的年龄：138亿年

宇宙年龄的说法基于多项观测和物理理论，使我们能够估算所谓的"宇宙学年龄"。这一估算主要源于对物理定律、宇宙膨胀特性以及宇宙背景辐射的理解。那么，这个年龄是如何确定的呢？

《生活大爆炸》

宇宙年龄的基本概念基于大爆炸宇宙学模型，该模型认为宇宙约在138亿年前起源于一个极端致密炽热的状态。自那一刻起宇宙的演化，特别是其膨胀过程，由爱因斯坦的广义相对论方程所描述。

$$ R_{\mu\nu} - \frac{1}{2}g_{\mu\nu}R + g_{\mu\nu}\Lambda = \frac{8 \pi G}{c^4} T_{\mu\nu} $$

方程左侧与时空几何相关，而右侧代表宇宙中物质和能量分布对其产生的影响。是否存在与我们的宇宙相匹配的时空解？

广义相对论的方程是非线性偏微分方程，尽管在非常特定的情况下可以求解，但对于所有可能的物质与能量构型，并不存在精确的通用解。

可观测宇宙的正确几何形状是什么？

我们需要选择一个与观测结果一致的近似解，即一个与宇宙描述相符的良好数学模型，这取决于我们测量的精度。

宇宙的膨胀

宇宙膨胀的首批确凿证据之一来自对遥远星系红移的观测。这意味着这些星系正以与距离成正比的速度远离我们，这一现象由1929年发表的哈勃-勒梅特定律描述。星系距离与其退行速度之间的关系，使我们能够回溯到这些星系聚集于一个点的时刻，即宇宙的起源。通过测量这种膨胀（计算中采用的平均值为每兆秒差距每秒70公里），宇宙学家可以推算出大爆炸以来的时间。

宇宙微波背景辐射（CMB）

宇宙微波背景辐射（CMB），又称化石辐射，是大爆炸后约38万年时，宇宙冷却到足以使电子与质子结合形成氢原子后释放的电磁辐射。这种辐射遍布整个宇宙，携带着宇宙早期状态的信息。通过WMAP或普朗克等卫星对CMB的精确测量，可揭示早期宇宙的结构线索，并帮助限定宇宙学参数（如物质与能量密度），从而推算宇宙的年龄。

标准宇宙学模型（ΛCDM）

当前宇宙学模型，即ΛCDM（Lambda冷暗物质）模型，基于物质、暗能量和广义相对论描述了宇宙的演化。通过利用星系红移、宇宙物质分布以及宇宙微波背景辐射（CMB）等观测数据，宇宙学家能够以“高精度”计算宇宙的年龄。这些计算基于求解弗里德曼方程，该方程源自广义相对论，描述了宇宙在大尺度上的演化过程。

间接方法与恒星演化模型

另一种方法涉及研究恒星天体及星团的演化。最古老的恒星（如球状星团中的恒星）为宇宙年龄提供了额外约束。科学家通过分析这些恒星的化学成分并模拟其演化过程来估算其年龄。尽管这些年龄估算的精确度不如基于宇宙微波背景辐射和宇宙膨胀的测算，但它们为宇宙年龄设定了下限。

结论

我们宇宙的时空是广义相对论方程的一个动态解。它并非静态解，而是一个膨胀解，其中时空的性质会随着物质和能量密度的演化而随时间变化。换言之，我们所观测到的时空，是根据广义相对论，由宇宙中物质和能量的分布所决定的一个演化中的解。