天之文:宇宙的年龄

2020-08-13 00:39:42   发布:高全归      点击:

       前面两篇里,我们花了较多篇幅讨论了宇宙的空间尺度。下面,该聊一聊宇宙的时间尺度了,也就是说:到现在为止,宇宙的年龄有多么古老呢?

宇宙大爆炸和膨胀(The Big Bang and expansion of the universe) (图片来源/NASA)
       其实,这个问题背后隐含着一个假设:宇宙就像一个人一样,在某个时刻出生,然后逐渐长大,历经一段时间后,“长”成了如今的样子。换句话说:宇宙经历了一个演化的过程。这样,“宇宙年龄多么古老”才是一个有意义的问题。然而,历史上的许多学者(甚至包括爱因斯坦)并不认为宇宙经历过演化的过程,相反,他们认为宇宙亘古以来就是如此,今后的样子也是如此,永远不会变。既然宇宙不变,当然就谈不上演化。如果非要问宇宙的年龄,那么答案就应该是“无限长”。
       以上两种观点,我们可以分别称之为“演化宇宙论”与“稳恒宇宙论”。所以,为了回答宇宙年龄的问题,我们首先需要确定哪一个理论更符合现实。让我们从两个角度来讨论这个问题。
       首先,看看宇宙的现状吧,它似乎已在暗示人类:“我有过一个演化的历程”。为何?我们来看一个简单的类比。我们大概知道鸡蛋变小鸡的过程:首先,蛋壳里有蛋清,蛋黄,还有一个小小的受精卵,这是一个比较简单的结构;然后受精卵吸收蛋黄的营养,慢慢长大,同时内部开始分化,长成了原始的胚胎;随着孵化的进行,胚胎上进一步分化出眼睛等身体各部位的精细结构,最终变成了一只小鸡。从简单的一个鸡蛋,到复杂的一只小鸡,这中间经历了“演化”的过程。所有小鸡都从受精卵而来,没有哪一只小鸡在最开始就是“有鼻子有眼”的。这个例子告诉我们:有着复杂精细结构的东西,往往是从简单的东西逐渐演化来的,而非一开始就如此复杂。

小鸡的完整孵化过程(图片来源/bing.com)
       更进一步,我们可以说“演化”的线索往往就藏在 “结构”之中,例如一棵树,它并非杂乱无章地长成一团,而是树干长在树根上,树枝长在树干上,树叶长在树枝上。即使一片树叶,只要观察其叶脉,也会发现类似的“主脉分出支脉”的现象。这种复杂、精细且有序的结构就促使人们猜测:这棵树的生长也应该遵循着和结构次序相关的某种发育顺序,这个顺序就是它的“演化历程”。发育顺序也许多种多样,但只要有发育,就意味着有演化,很难想象这棵大树从一开始就是枝繁叶茂的参天巨擘。

一棵树的枝干结构(图片来源/摄图网)

树叶的叶脉结构(图片来源/百度)
       宇宙也应该如此。在前面两篇中我们曾表明,宇宙在空间上存在着有序的层次结构:许多行星围绕太阳旋转,组成了太阳系;许多类似太阳系的系统和恒星组成了更大的银河系;许多类似银河系的星系组成了本星系群;而许多星系群又组成了超星系团;最后,许多超星系团组成了宇宙。整个宇宙中数以亿万计的星星们并没有简单地一团散沙胡乱填充在各个角落,而是呈现出如此有序和复杂的空间层级分布结构,这“宇宙之树”的存在本身就暗示着它有一个演化的历程。

宇宙大尺度结构,其样式与叶脉结构有部分相似性(图片来源/百度)
       当然,我们也许会认为以上论述都是某种哲学上的推测,或只是一种粗糙的类比,顶多算是某种演化的迹象,还算不上是真正的证据。除非让我们亲眼看到宇宙整体在运动,在变化,在“生长”,那才算作真正的“演化宇宙论”的胜利。不过,以人类的渺小之躯和短暂寿命,有可能看到宇宙这样宏大存在物的演化过程吗?神奇的是,我们真的看到了。本系列的最后部分将会介绍宇宙学的许多观测和理论研究成果,到那时候,我们会了解到天文学家如何用不可思议的精巧办法来观测宇宙的膨胀。而在这里,我们只需知道这个结论即可:今天,“宇宙是演化而来的”这一点已经成为了天文学界的共识。
       既然如此,宇宙演化了多久呢?这就是宇宙年龄的问题。经过长期测量,人们逐渐得出了一系列比较可靠的数据。宇宙始于约137亿年前的一场大爆炸,然后经历了难以想象的膨胀过程,逐渐演化成了今天的样子。在这个137亿岁的宇宙中,许多星系的年龄也许和宇宙一般古老。而对于组成星系的恒星来说,年龄往往要年轻得多。我们的太阳目前大约有50亿岁了,刚好走过其“人生”的一半,它还会继续稳定地燃烧50亿年左右。我们的地球诞生于约46亿年前,地球上的生命诞生于约38亿年前的原始海洋中。而我们自己——人类这个物种,大约“只有”几百万年的历史,和宇宙年龄相比只是一瞬。

生物演化历程图示,与树的结构相似。达尔文称其为“生命之树”(图片来源/百度)
       这就是目前我们得到的答案,其中包含无数科学家激动人心的努力和天马行空的妙想,今后我们将会一一道来。下面,在搭建好宇宙的时间与空间这个大舞台后,让我们把目光拉回自己的家园地球,回到很久以前,来聊一聊人类的祖先是如何认识到大地是一个球形的。(文/马驹)

我们生活在球形的大地上(图片来源/百度)




 

 

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