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TBBT.S05E06:宇宙年龄 6000 岁?  

Sheldon 的老妈再次驾临洛杉矶。作为一名正常的老妈,Cooper 夫人想趁机好好地逛一逛洛杉矶。作为一名超常的儿子(没错,“正常”的反义词不一定就是“反常”),Sheldon 却想拉她一起去听索尔·佩尔穆特(Saul Perlmutter)的演讲。

佩尔穆特(Saul Perlmutter)是今年的诺贝尔物理学奖得主之一,他和布莱恩 · 施密特(Brian Schmidt)及亚当 · 里斯(Adam Riess)通过观测遥远星系中的 Ia 型超新星爆发 (参见下图) ,发现宇宙并非人们之前认为的那样正在减速膨胀,反而是在加速膨胀。如果你想知道这项研究有什么深远影响,请看 果壳网 2011 年诺贝尔科学奖(及搞笑诺贝尔奖)系列文章2011 年诺贝尔奖物理学奖:宇宙加速膨胀完整图文解读.

不过, Sheldon 可不是去捧场的,他想让佩尔穆特当场下不来台。考虑到老妈是一名虔诚的基督徒, Sheldon 邀请她参加演讲时体贴地提醒说:“ He will be stating that the universe is older than 6,000 years, but I thought you could stick your fingers in your ears and hum‘Amazing Grace’during those parts. ” 翻译成中文就是:“ 他[指佩尔穆特]会说宇宙比 6000 年更加古老,不过讲到这几段时,你用手指把耳朵堵起来,哼唱‘奇异恩典’这首基督教圣歌就好。”

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【2005 年美国宇航局雨燕卫星发现的 Ia 型超新星 2005ke 。上图分别为光学(左)、紫外线(中)及 X 射线(右)波长范围观测到的图像。(来源:NASA / Swift / S. Immler )】

年龄问题:天文学家喉咙里的一根刺

6000 年这个数字可不是 Sheldon 随口瞎编的,而是确有出处。直到 20 世纪初,英王钦定版《圣经》的 “创世纪” 章节的栏边注解中,还赫然印着上帝创造我们这个世界的日期——确切来说是时刻:公元前 4004 年 10 月 23 日星期天夜晚来临前的那个傍晚。这是 18 世纪爱尔兰圣公会主教詹姆斯 · 乌舍尔(James Ussher)在《圣经》中所记载的族谱的基础上进行了复杂计算,从一些历史事件发生的时间倒推出来的。照这么算来,上帝创世距今真的不过才 6000 年挂零而已。

或许在当时的人们看来,好几千年的历史对于这个世界来说似乎已经足够悠久。然而没过多久,地质学就找到了证据,表明地层沉积所需的时间远远超过千年量级;达尔文提出的进化论更是对《圣经》中记载的族谱提出了质疑。越来越多的证据表明, 6000 年远远不够形成我们这个世界。到了 20 世纪初,这个日期终于从那个版本的《圣经》中被删去。

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【18 世纪爱尔兰圣公会主教詹姆斯 · 乌舍尔(James Ussher)以《圣经》中记载的族谱为基础,结合历史事件发生的时间推算得出:上帝创造我们这个世界的日期是在公元前 4004 年 10 月 23 日星期天夜晚来临前的那个傍晚。上图为当时发表乌舍尔推算结果的《旧约记事,从创世之初推断起》(Annals of the Old Testament, Deduced From the First Origins of the World)。(来源:wired.com)】

在天文学历史上,类似的年龄问题其实并不罕见。 19 世纪末,天文学家还不知道太阳的如何发光发热。假设太阳就像一颗燃着的巨大煤球,通过物质燃烧这样的化学反应来发光发热,那它最多就只够燃烧几百万年。而地质学证据早已经断言,地球的年龄至少有上亿年了。太阳反倒比地球还要年轻,这让科学家如鲠在喉。直到很久以后,科学家发现为太阳提供能量的是核心处的核聚变,氢燃料足够太阳照耀上百亿年,这根“刺”才被咽了下去。

加速膨胀:让宇宙年龄再古老一些

不过,一波未平一波又起。哈勃发现宇宙膨胀之后,将星系彼此远离的膨胀速度逆着时间倒推回去,便可以推算出宇宙年龄。

1933 年 9 月,大科学家阿瑟 · 爱丁顿爵士(Sir Arthur Eddington)在英国科学促进会举办了一场关于宇宙膨胀的演讲,提到宇宙出现于 “不超过 20 亿年前” 的某一时刻。这一估算还没有考虑到引力对宇宙膨胀的减速作用,如果算上引力的话,宇宙年龄可能更短, “比方说只有 10 亿年” —— 而在当时,人们已经知道地球至少有 30 亿岁了!天文学家再次被郁闷到了,这一次似乎轮到宇宙本身比地球更加年轻了。

问题出在天文学家对星系距离的测定上——当时的测距方法大大低估了星系的距离,由此推算出的宇宙年龄自然也就被低估了。到上世纪 50 年代,随着对距离测定方法的进一步改进,宇宙年龄终于如天文学家所愿那般比地球年龄更加古老了。 (不容易啊……)

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【几种不同的宇宙模型。其中,宇宙加速膨胀模型(最右)的研究获得了 2011 年诺贝尔物理学奖,这在某种程度上更是加长了对宇宙年龄的估算。(编译自 Adam Reiss / Hubblesite.org)】

今年,2011 年诺贝尔物理学奖的获奖研究发现了宇宙在加速膨胀,这在某种程度上更是加长了对宇宙年龄的估算(死理性派可以开动脑筋想想为什么)。结合包括宇宙加速膨胀在内的所有宇宙学观测数据,天文学家如今已经将宇宙年龄限定在了(137.3 ± 1.2 )亿年的范围之内,比已经观测到的所有天体都更加古老,当然也比出自《圣经》的 6000 年古老太多了。(嗯,天文学家终于可以松口气了……)

对于理论物理学家 Sheldon 来说,佩尔穆特凭借观测成果拿到今年的诺贝尔物理学奖,显然太过 “儿戏” 了。难怪他坚持要去听演讲,好提些问题让佩尔穆特答不出来。不过,佩尔穆特的好心情估计不会因 Sheldon 的刁钻问题而受到影响,因为他终于凭借诺贝尔奖,拿到加利福尼亚大学伯克利分校的永久停车位了!

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【2011年诺贝尔物理学奖得主,索尔 · 佩尔穆特展示他在加利福尼亚大学伯克利分校永久停车位的证书。(看他笑得那么开心,加州大学伯克利分校的停车位是有多难抢呀 -_- | | | )】

不知道 Sheldon 有一天拿到诺贝尔物理学奖时,最让他开心的会是什么事情,反正肯定不会是获得永久停车位——他连驾照都没有嘛……

原文发表于果壳网 文艺科学主题站 《TBBT.S05E06:宇宙年龄 6000 岁?

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