宇宙之外的恐怖世界 [宇宙的年龄]

　　年龄　　同为地球上的智慧生命，各国人对年龄的询问有着不同的看法。按照西方传统礼节，初次见面就问“您贵庚”是不得体的；但中国人习惯以此拉近距离，而且还会根据对方的情况谨慎选择用语，例如：“您高寿?”當我们抛开世俗放眼星辰之际，询问星系的年龄则不再是个民俗礼节问题，而是个充满挑战的自然科学问题了。
　　回顾天文学的发展历史不难发现，天文学家无时无刻不面对着有关天体年龄的尴尬局面：从最原始的认为天地永恒，到发现宇宙大爆炸及其加速膨胀；从相信太阳始终如一地送给人类光明和温暖，到发现恒星内部的核聚变过程；从因数据有误而估算出比地球岩石年龄还小的宇宙年龄，产生“先有儿子后有父亲”的佯谬，到精确测得今天可观测宇宙的年龄大约为137亿年。这一切都表明天文学家对宇宙以及各类天体的年龄估计是多么艰难、复杂又漫长的过程。但我们不是专业的天文学家，也无需了解艰深繁杂的判断天体年龄的具体过程，我们只需对宇宙天体的年龄有概念性的了解就足够了。
　　时间等于距离
　　在谈论宇宙天体的年龄之前，我们需要进行一个思维转换——距离等于时间。这不是多难的事，让我们先想想身边的情况。假设我们在高速公路上行驶，每个人都会自然想到时速，没错，就是我们挂在嘴边的时速120，时速80，當然我们的默认单位是千米每小时。这样任何距离部可以等效成时间。例如时速120千米就意味着2千米等于1分钟，而相距600千米的两个城市，在我们的脑海中就等于5小时。现在我们把这种时间距离的转换应用到宇宙中，与高速公路上行驶的机车相比，惟一的不同是现在我们的速度是光速!120千米每小时的速度对于宇宙来说太慢了，我们必须用30万千米每小时的光速作为衡量标准，这也是我们的宇宙中最快的速度。如果你听说过爱因斯坦，听说过相对论，你会立刻想到任何物体的速度部不可能超越光速。之所以要进行这样的转换，只是为了更接近专业天文学家的思路，在他们的研究中，在宇宙学尺度上，时间和距离是一回事，对宇宙中星系年龄的估计，就变成对这个星系距离的测量。
　　宇宙有多老?
　　目前主流天文学家认为，宇宙作为一个整体有确定的年龄——大约137亿年，这个年龄比任何已知的宇宙内天体年龄都要大，也就是说这个数值至少与已有观测数据不矛盾。
　　當我们谈论宇宙的年龄时，不得不提到一位大名鼎鼎的天文学家——埃德温?哈勃。正是他在20世纪20年代对银河系以外星系的观测，开创了宇宙学的新时代，他提出的“哈勃定律”为大爆炸宇宙学奠定了基石。不要被这些看起来很吓人的词汇所迷惑，我们很快就会搞清楚所谓的哈勃定律和哈勃常数。
　　當年哈勃观测了几十个银河系之外的星系(称为河外星系，星系是大量恒星_例如我们的太阳——通过引力作用形成的集合体，我们的银河系就是一个有大约2千亿颗恒星的旋涡星系)，发现几乎所有的星系都在远离我们，而且距离我们越远的星系，离开我们的速度越大。为什么哈勃能够肯定星系在远离我们呢?他是通过测量星系的光谱，发现其中的谱线(发射线或吸收线)都向光谱的红端移动(即红移，redshifl)。谱线的红移是因为光源在远离我们，这就好比當救护车远离我们时，我们听到其发出的警笛声越来越低沉，也就是声波的波长被拉长，这种现象就是多普勒效应。习惯上用一个没有单位的纯数z来表示红移的大小，z=(λ观测-λ静止)／λ静止，λ观测为观测到的波长，λ静止为实验室里静止光源的波长，红移z的数值越大，说明波向红端移动得越多，也就是光源离观测值越遥远。哈勃因此提出了著名的“哈勃定律”，即星系远离我们的速度与距离成正比，V=Hod，其中v代表速度，d代表距离，而比例常数H。就是所谓的“哈勃常数”。哈勃的这一发现震惊世界，因为现在我们看到所有的星系都在远离我们，而且距离越远速度越快，那就说明，在有限的一段时间之前，所有的星系是聚集在一处的!这就直接支持了大爆炸宇宙学。
　　我们再来看哈勃常数H0，因为速度v的单位总可以通过转换为米／秒，而距离d的单位也可以转换为米，显而易见H0的单位是秒分之一，也就是说1／H0的单位是时间单位。1／H0在宇宙学中有特别重要的意义，它就是宇宙的年龄!有个专门的词汇来描述1／H0，即回望时间(Iookback time)。只要能精确地测得H0的数值，我们就知道宇宙的年龄了!當然，仅用1／H0作为宇宙年龄的表示并不准确，还依赖宇宙学模型等等其他复杂的条件，但那已经超出我们感兴趣的范畴，我们只要知道哈勃常数的倒数等效于宇宙年龄就足够了。而现在对哈勃常数最好的测定结果是H0大约为22千米每秒每百万光年，其对应的宇宙年龄大约为137亿年。
　　历史上因为对哈勃常数的测定差异很大，闹出过不少笑话。如果哈勃常数值是一个很大的数，那么它的倒数就会很小，使得宇宙的年龄比某颗恒星的年龄还小，即“先有儿子后有爸爸”，大爆炸宇宙学也因此备受抨击。但随着探测设备技术以及宇宙学的发展，目前对哈勃常数的测定已经达到了足够的精度，所谓年龄的佯谬也不攻自破了。
　　星系有多老?
　　随着新闻媒体越来越关注天文学新发现，我们经常会看到“某星系的年龄为多少亿年”的说法。那么天文学家如何确定某星系的年龄呢?
　　其实这里面存在一种误解：在天文学专业里，是无法精确定义星系的年龄的。我们知道星系是由各类恒星、气体以及暗物质等其他成分构成的混合体，各不同部分部有自己的诞生演化历史，星系中的全部恒星一般不可能是在一个确定的时刻同时产生的，因此无法定义一个星系的年龄，只能说星系中某一成分的年龄大约为多少年。那么我们经常看到的关于星系年龄的报道，其数值究竟对应的是天文学家的科学研究中哪一部分呢?
　　上文我们提到了时间距离转换的思维，也提到了红移的概念，现在就是揭开谜底的时刻。在实际观测中，天文学家能够测量到星系的光谱，选择合适的谱线，就可以准确地测定这个星系的红移值。而在天文学家眼里，红移值与距离是完全等价的概念。只要给出宇宙学模型，星系的红移值与距离是惟一对应关系。知道了距离，就等于知道了时间。因此，媒体报道中提及的星系的年龄，实际上就是天文学家通过测量星系的红移，转换为对应的距离即时间，就得到所谓的星系年龄。例如天文学家观测某星系的红移值为0.1，那么按照宇宙学模型给出的对应关系(需要用到哈勃常数的数值)，其对应的宇宙学距离为14亿光年，我们就可以说这个星系的回望时间是14亿年，也就是新闻中提到的14亿年的星系年龄。再考虑到整个宇宙的年龄为137亿年，也可以认为这个星系是在大爆炸之后123亿年时形成的。
　　其他测定星系距离的办法
　　既然星系的年龄与其距离是惟一对应的关系，那么天文学家就要想尽各种办法来测量星系的距离。由于星系距离我们都十分遥远，从星系发出的光到达地球时已经非常暗弱，因此说来简单，但真正要确定某个星系的距离是异常困难的工作。
　　最初天文学家利用一类特殊的恒星(恒星的光度与其光度变化周期有固定的关系，中文称为造父变星)或者星系的光谱来推算其所在星系的距离，但由于亮度有限，这种办法只能测量距离较近的星系。随着天文学以及探测技术的发展，今天的天文学家有很多种办法来测量星系的距离，例如Sunyaey—Zerdovich效应、超新星、引力透镜、塔利-费希尔关系、基本面关系、星系面亮度等等，其中有些可以直接测量星系的绝对距离，有些是通过测量星系的相对距离，再由“距离阶梯”逐步推算出星系的绝对距离。需要特别强调的一点是，由于观测和理论的局限，各种途径测得同一星系的距离并不完全一致。有些方法得到的距离误差也比较大。这也是天文学家致力于提高星系距离测量精度的原因。
　　越远越年轻
　　正是由于宇宙学尺度上时间和距离实际上是等效的，因此當我们看到宇宙中距离越远的星系时，我们就看到宇宙越年轻的样子。这对于研究整个宇宙的历史、各种天体的演化无疑都是至关重要的。