宇宙的年龄是如何测量的？

宇宙的年龄：138亿年

来自宇宙学的估计

关于宇宙年龄的主张基于若干观测和物理理论，这些观测和理论允许我们估计所谓的“宇宙学年龄”。这一估计主要来自对物理定律的理解、宇宙膨胀的性质以及宇宙微波背景辐射。这个年龄是如何确定的？

大爆炸理论

大爆炸模型

宇宙年龄背后的基本思想基于大爆炸宇宙学模型，该模型表明宇宙在大约138亿年前始于一个极其致密和炽热的状态。自那一刻以来宇宙的演化，特别是其膨胀，由爱因斯坦的广义相对论方程描述。

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

方程的左边与时空的几何有关，它受到方程右边所表示的宇宙中物质和能量分布的影响。这个方程的所有解都是可能的时空几何（宇宙）。是否存在一个对应于我们宇宙的时空？

广义相对论方程是复杂的非线性偏微分方程，虽然在某些非常特殊的情况下可以求解，但对于物质和能量的所有可能配置，不存在精确的一般解。

可观测宇宙的正确几何是什么？

选择一个与观测兼容的模型

必须选择一个与观测一致的近似解，即一个与宇宙描述相对应的良好数学模型，取决于我们测量的精确度。

宇宙的膨胀

哈勃-勒梅特定律

宇宙膨胀的第一个坚实证据来自对遥远星系红移的观测。这意味着这些星系以与其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追溯到这些星系集中在一个点时的时代，标志着宇宙的开端。通过测量这种膨胀（计算中使用的平均值：70公里/秒/百万秒差距），宇宙学家可以计算自大爆炸以来经过的时间。

宇宙微波背景辐射（CMB）

化石辐射

CMB，即化石辐射，是一种电磁辐射，在大爆炸后约38万年发出，当时宇宙已经冷却到足以让电子和质子结合形成氢原子。这种在整个宇宙中观测到的辐射包含了关于那些早期时代宇宙状态的信息。对CMB的精确测量，特别是由WMAP或普朗克等卫星获得的测量，提供了关于原始宇宙结构的线索，并允许约束宇宙学参数，如物质和能量的密度，从而约束宇宙的年龄。

标准宇宙学模型（ΛCDM）

ΛCDM模型

当前的宇宙学模型称为ΛCDM模型（Lambda Cold Dark Matter），描述了宇宙根据物质、暗能量和广义相对论的演化。利用星系红移、宇宙中物质分布和CMB等观测，宇宙学家可以以“高精度”计算宇宙的年龄。这些计算基于弗里德曼方程的解，这些方程源自广义相对论方程，描述了大尺度上宇宙的演化。

间接方法和恒星演化模型

古老恒星作为约束

另一种方法是研究恒星物体和星团的演化。最古老的恒星，如球状星团中的恒星，为宇宙的年龄提供了额外的约束。科学家可以通过研究这些恒星的化学组成并模拟其恒星演化来估计它们的年龄。这些年龄估计虽然不如基于CMB和宇宙膨胀的估计精确，但提供了宇宙年龄的下限。

结论

动态的时空

我们宇宙的时空是广义相对论方程的动态解。它不是一个静态解，而是一个膨胀的解，其中时空的性质随着物质和能量密度的演化而随时间变化。 换句话说，我们的时空（我们所观测到的）是一个演化解，它源于宇宙中物质和能量的分布，符合广义相对论。