或許把宇宙的年齡多算了10億年

最近的研究表明，宇宙學家可能把宇宙的年齡多算了10億年——這一認知令人驚訝——他們不得不重新梳理從宇宙大爆炸到現在的這部分科學故事。

失去的時間尤其令人煩惱，因為在充滿神秘色彩的宇宙中，它的年齡被看做是為數不多的近乎確定的事實之一。到2013年，歐洲普朗克太空望遠鏡對宇宙輻射經過詳細的測量，似乎得出了最終的答案：138億年。剩下要做的就是通過對其它星系中明亮恆星的獨立觀測來驗證這一數字。

然而，發生了意想不到的事。

一些團隊，包括由諾貝爾獎得主Adam Riess領導的巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所，開始進行獨立觀察，卻沒有證實普朗克的測量結果，而是得到了截然不同的東西。

「我們說，"等一下，我們沒有通過測試——我們沒有通過測試！"」Riess說。

他估計，按他們的表面結果，物質世界只有125億到130億年的歷史。

起初，合理的猜測是，Riess和其他觀察者犯了錯誤。但隨著研究繼續進行，結果依然不一致，而對普朗克數據的再分析也沒有顯示出任何問題。

如果兩邊的數字都正確，那麼問題必然出在更基礎的層面上。也就是說，在我們宇宙的基本模型里。「這種差異表明宇宙學模型中存在一些我們無法正確理解的東西，」Riess解釋說。什麼東西都可以，反正現在沒人知道。

宇宙的歷史

當前的矛盾可以追溯到1929年，當時天文學家Edwin Hubble埃德溫·哈勃發現星系正從各個方向遠離地球。更令人震驚的是，哈勃發現，星系離我們越遠，速度就越快。這意味著星系之間也在遠離彼此。「所有這一切唯一合理的解釋就是，空間在擴張。」Riess說。

「空間擴張，對我來說也很難想像。」Riess說。「但這就是所有數據所顯示的，也是理論所預測的。」甚至哈勃本人也從未完全接受自己的發現的全部含義。

一個不斷擴張的宇宙意味著宇宙具有明確的年齡，因為你可以回溯整個過程，當宇宙中的所有東西都擠在一起，形成一個極其密集、炎熱的狀態——我們稱之為大爆炸——就不得不停止回溯，這裡就是宇宙的起點。

「對於人們來說，這是另一個難以理解的概念。」芝加哥大學的宇宙學家Wendy Freedman說，並補充說別把大爆炸的過程想像成房間里的炸彈。她說：「大爆炸是空間本身的爆炸，而不是在空間里的什麼東西爆炸。」

換句話說，空間本身在星系之間延展，使星系遠離彼此——從大爆炸開始一直持續的過程。因此，追問大爆炸發生在哪裡毫無意義。正如Freedman所說，「爆炸沒有中心或邊緣。」

但在不斷擴大的宇宙中，時間具有起點——至少是我們所理解的時間。天文學家通過測量星系分離的速度，他們可以找出宇宙誕生的時刻。他們所要做的就是保證在銀河系尺度上的測量結果足夠準確。

為宇宙計時

Freedman三十多年來一直在研究這個問題，其難度遠遠超過她的預期。「這是令人難以置信的挑戰，」她說，「想像一下，測量範圍達數億光年，誤差精度要求達到1％！」

哈勃本人也用手邊的數據估算過宇宙的年齡。最初的計算結果顯示，地球比宇宙更加古老，因為他大大低估了與其他星系的距離。

科學家創造普朗克太空望遠鏡的原因之一，就是應對直接觀測其他星系所帶來的難題。它可以探測到大爆炸留下的背景輻射。如果知道如何解碼，可以從輻射模式中還原早期宇宙的確切的物理狀態。原則上，普朗克上的儀器應該能夠告訴我們宇宙的成分和年齡。

普朗克望遠鏡取得了巨大成功。它表明，26％的宇宙由暗物質構成——將星系固定在一起的隱形物質。同時證實了一個驚人的事實，即宇宙是由暗能量控制的——驅動空間膨脹的未知力量。(檢測到暗能量使Riess獲得了2011年諾貝爾物理學獎。)

上述發現的可能意蘊是，宇宙將不停地，更快地，越來越快地擴展到更深的熱寂黑暗中。這是一個令人不安的想法，Riess寧願不再贅述：「時間的尺度超出了人類理解的範圍，不要用人類的方式來理解。」

也許最令人滿意的是，普朗克最終完成了哈勃的工作，確定了宇宙的膨脹速度以及存在時間。或者看起來如此。

缺失的環

幸運的是，Freedman和Riess及其同事並沒有放棄確定宇宙年齡的替代方法。他們不斷改進觀察結果，現在正接近雄心勃勃的目標，即1％的精度。這就是當前爭議的背景——科學家們禮貌地稱之為「緊張局勢」。

最新研究表明，宇宙的擴張速度比普朗克給出的數值大9％左右。可能聽起來不無關緊要，但在宇宙的歷史上，它相當於差了數十億年。

鑒於存在失誤風險，每個人都在反覆檢查他們的結果，以找出可能的錯誤來源。但是，問題可能不是出在觀察結果上，而是支撐它們的宇宙學理論。如果理論本身是錯誤的或不完整的，普朗克的讀數也將是有缺陷的。

普林斯頓大學的天體物理學家Jo Dunkley說：「目前還沒有找到一個一致的，適用於所有宇宙學數據的故事。」他對普朗克的結果進行了廣泛的分析。「這意味著還需要更多令人著迷的工作，看看是否可以解釋所有。」

當前的「緊張局勢」提醒科學家，他們其實仍不了解大自然的基本規律。Dunkley懷疑問題出在中微子上，它們在整個太空中都非常豐富。「我們在實驗室中測量中微子並將它們置於我們的宇宙學模型中，(想當然地)假設它們的行為與我們期望相符，但我們根本不知道這是否屬實。如果暗物質變得比我們想像的更複雜，我也不會感到驚訝。」

然後是暗能量之謎。「對它們，我們還沒有令人滿意的想法。也許模型中完全缺失了某種元素，有待發現。」Freedman說。理論物理學家們倒不乏新想法：新型暗能量、新場、新粒子。

弄清楚哪種解釋是正確的——如果有的話——將需要對測量方式進行巨大改進，好弄清宇宙實際上在做什麼。Freedman對於我們無知的嚴重程度直言不諱：「問題是，我們還有什麼尚未了解？我希望能在一百或一千年後找出答案！」

本文譯自 nbcnews，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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