追溯时间源头：旅行时空边缘

第19章　追溯时间的源头

根据宇宙膨胀的速度，天文学家们可以追溯到宇宙的起源

1654年，爱尔兰一位大主教厄舍尔通过考证《圣经》，得出宇宙创生的时间是在公元前4004年10月26日上午9点。这是怎么来的呢？

《圣经》第一章里记载着上帝用六天时间创造宇宙万物，并且在第六天创造了人的先祖亚当和夏娃。从亚当和夏娃开始的一代代族谱记载得很完整，其中有挪亚、亚伯拉罕、摩西、大卫、所罗门这些耳熟能详的人物，最后是耶稣，而推定的耶稣诞生年份就是公元纪年的起始。这样推出的宇宙无疑是非常年轻的，只有六千多年，在很长的时间里，很多人都持有这样的信念。开普勒曾说上帝等了6000年才遇到了自己这样一个懂他的人，自己的书等它100年再遇到知音也很正常，6000年之说就基于此。

相比较而言，盘古就古老得多，这传说可以把地球的年龄上推到大约3267000年以前。三百多万年对于古代人来说古老得难以想象，但在1862年，英国物理学家开尔文提出，仅仅是地球从早期炽热状态中冷却下来，也需要几千万年，他花了35年时间反复考证，1897年把地球年龄确定为2400万年。

大多数欧洲人觉得这年龄长得离谱，离经叛道，却也有少数科学家还是认为它太短。放射性元素的发现，为测定地球年龄提供了精确方法，铅是铀放射衰变链中的最终产物，岩石中铅和铀的含量比就是一座天然时钟，可以用来测定岩石的年龄，到1950年代，科学家们确信地球的年龄大约为46亿年，太阳的年龄大约为50亿年。

哈勃常数与宇宙年龄

在另一个领域，天文学家们也开始测定宇宙的年龄。这项工作初看起来毫无头绪，无从下手，其实宇宙年龄的奥秘就隐藏在哈勃定律之中。

哈勃定律说，星系的退行速度与距离成正比，比例系数是哈勃常数，就是宇宙膨胀的速率。所以就有一个很简明的思路：

哈勃常数越大，宇宙膨胀得就越快，它从极小的开端膨胀到现在尺度需要的时间就越短，它的年龄就越小；

反之，哈勃常数越小，宇宙膨胀得就越慢，它从极小的开端膨胀到现在尺度需要的时间就越长，它的年龄就越老。

这样，利用哈勃常数就可以求得宇宙的大致年龄。

那么，宇宙现在的尺度如何界定呢？

根据哈勃定律，距离越远的星系，其退行速度越快，远到一定距离，退行速度就达到光速，超过这个距离，退行速度就大于光速，我们也就看不到它了。退行速度达到光速的那个球面，就是我们视线的边界—宇宙视界，宇宙的地平线，就是我们可观测宇宙的尺度，又称为哈勃球。

紧接着，你很可能会产生下面的几点疑惑，可能会觉得有些烧脑：

第一，可观测宇宙之外有没有星系？当然有，可观测宇宙只是宇宙整体的一部分，哈勃球只是我们宇宙的视线边界，真实的宇宙没有边界，也就不会终止于哈勃球处。

第二，哈勃球边界处是不是只有光？当然不是，那里和我们附近并没有任何不同之处，从那里遥望我们这里，我们也处于他们的哈勃球边界上，正以光速远离它们。还记得哥白尼原理吗？宇宙中的任何地方都不特殊，都有相同的定律，都会看到相同的宇宙图景。

第三，哈勃球外面还有无数的星系，它们岂不是比宇宙更古老？并非如此。宇宙自诞生以来的时间，就是光在宇宙中运行的时间，假如宇宙是在138亿年前诞生，那么期间光传播的最大距离就是138亿光年。哈勃球之外的星系我们现在看不到，因为它们的光也只传播了138亿光年，还没有到达我们这里。随着时间的推移，现在位于哈勃球外的星系光芒会逐渐传递到我们这里，我们看到的宇宙也会越来越大。

第四，宇宙怎么可能比可观测宇宙还大？要知道光线自创生以来才走了这么远。答案是，宇宙在创生的最初经历了一次极为快速的暴胀，其速度远远超过了光速。

第五，宇宙视界外的星系，运动速度怎么能超过光速呢？答案是，这并不是星系本身在空间穿行，而是空间膨胀导致的远离运动。空间膨胀不受狭义相对论制约，因而退行速度没有限制，无穷远处星系的退行速度可以是无穷大。常有人把退行的星系想象成射出的子弹一样穿越空间运行，这就误解了退行的本质。

这样，测定宇宙年龄，就转变为测定哈勃常数，由此得到的年龄称为宇宙的哈勃年龄。

退行速度达到光速的那个球面，就是可观测宇宙的视界，也称“哈勃球”。

哈勃1929年给出的常数值是500。其含义是，星系的距离每增加100万秒差距（326万光年），星系的远离速度就增大500千米每秒。以这样的速率，增加到可视宇宙边缘的光速（每秒30万千米），需要600个距离单位，即600个326万光年，由此得出可观测宇宙半径约19.6亿光年，宇宙哈勃球处的光旅行到我们这儿花费的时间就是19.6亿光年，这就是宇宙年龄。

哈勃常数的测量说起来很简单，因为它只和两个量相关：

一是星系远离速度（红移量）；

二是星系的距离。

红移量是相对容易测定的，拍下星系的光谱就可以了，天文学家可以把红移值测得非常精确。但测量远方星系的距离却是一件很难的事情。哈勃就因为大大低估了星系的距离，因而给出的常数值太大，得到的宇宙年龄太小。此后的半个多世纪里，精确测定哈勃常数，成为天文学家们的伟大目标，帕洛马山的200英寸海耳望远镜，成为继威尔逊山胡克望远镜之后，天文学家们最有力的测量武器。

帕洛马山的星空

在1920年代的时候，要建造一台200英寸（约5.08米）口径的望远镜超出了几乎所有人的想象，但雄心勃勃的海耳把它付诸实施。望远镜的建造历时20年之久，1948年6月3日举行落成典礼。海耳未能亲睹这一伟大杰作，他于1938年离世，望远镜被命名为海耳望远镜以纪念他。望远镜本身自重达500吨，但由于极其精密，用一个大小和功率类似于电风扇的马达就能使它轻松转动。

这一年哈勃已过60岁，脸上刻满了线路图般的纹路，但依然工作勤奋，即便暴风雨来临，他还是按计划向山上前进，因为天空总是有变晴的可能。有一次大雪封山，哈勃在帕洛玛山坡底下把汽车装上防滑链强行通过刺眼的积雪到达山顶，发现铁大门锁着，看守人没有想到这时候会有天文学家上山，年迈的哈勃敏捷地爬上一个巨大的雪堆，越过2米高的围墙进入院内。就在哈勃雄心勃勃地继续向宇宙深处遨游时，却在1953年9月28日突发心脏病离世，28岁的阿伦·桑德奇继承了他的事业。

阿伦·桑德奇于1926年生于美国的依阿华城，小时候笃信宗教，对自然充满敬畏之情，周日他的父母往往起得晚，他就独自早起去教堂。9岁那年，桑德奇在一位朋友家用望远镜观看了星空，从此立志成为天文学家。1948年大学毕业后，桑德奇成为加州理工天文系录取的五个研究生之一，帕洛马的海耳望远镜就归属加州理工。

那是一个激动人心的时代。宇宙学无论在理论上还是观测技术上，都有了突飞猛进的发展，科学有望揭示宇宙巨大的甚至是最终的奥秘，阿伦·桑德奇成为有史以来第一个从事测定宇宙的年龄乃至未来命运的人。

海耳望远镜的观测条件比威尔逊山100英寸（2.54米）胡克望远镜舒服了许多，观测者可以待在200英寸（5.08米）望远镜的主焦点上—在反射镜面上方的一个“笼子”之中。在漫长的冬夜里，笼子里相当冷，桑德奇这一代有了二战期间为飞行员研制的电加热飞行服。在笼子里的主要问题是上厕所不方便，因此观测者们都得能憋尿，桑德奇以此著称，他可以待在主焦笼里14小时不下来，那是整整一个冬夜的时间。

观测者胸前是固定照相底板的地方，装上底片后观测者小心地转动着控制旋钮，把望远镜指向预先选好的观测目标。每个观测者都有一个目标清单，在宁静的暗夜里，观测者会选择一些最难观测的暗弱目标，比如一个远方的星系，进行长时间的曝光，这期间除了偶尔调整一下瞄准外，观测者不做什么事情。观测助手会打开音乐，观测者看着星空，听着音乐。到预定的曝光时间后，观测者取下底片放入盒中，把望远镜指向下一个目标，换上新底片，如此循环，直到曙光初现。

海耳望远镜犹如一个巨大的时光穿梭机，那大大张开的镜头在星光下放射着珍珠般的光彩，指向遥远的太空深处和古老的宇宙早期，望远镜的主焦笼就像驾驶室，桑德奇坐在里面，徜徉在时空的海洋中。

这实在是极为奇妙的体验。所有的灯光熄灭，望远镜的巨大反射镜就在下方，它反射出的灿烂星空与头顶的灿烂星空互相辉映，使观测者仿佛悬浮在寰宇之中，独处在宇宙的中心。世界隐去，天地间只剩下星星和自己，歌剧的音乐从望远镜的传声系统轻轻传来，那是一种空灵的禅的境界，卑微的个体生命在这时空点上与宏伟宇宙融为一体。

如今，无论是哈勃还是桑德奇的经历，早已成为过去时。现在世界各地的大天文望远镜，都用计算机控制，CCD替代了照相底片，会自动把记录的信号传到计算机中。天文学家不再守候在望远镜旁，而是待在温暖明亮的计算机控制室内，这也使他们少了许多亲密接触宇宙星空的宝贵经历。

几年后，桑德奇获得了几百个星系和26个星系团的红移数据，把哈勃当年测量的最远距离又推远了好几倍，从而可以获得更精确的哈勃常数值。1958年，桑德奇得到了一个惊人的哈勃常数值—75，按照这个数值，宇宙的年龄是130亿年。接下来的20世纪60年代和70年代，桑德奇和他的合作者持续不断地测量星系的距离，改进哈勃常数的数值。他后来测定的数值常在50左右变动，这个较小的数值表明宇宙的膨胀速度较慢，因而宇宙是年老的，接近200亿年。

激烈论战

精确测定哈勃常数相当困难，注定了这是一个容易引起巨大争论的焦点。参与此项工作的天文学家们如同勇猛的战士，为哈勃常数互相攻击长达几十年之久。以下这段历史表明，科学探索虽然靠事实和数据说话，但决非平静的世外桃源。

1976年，奥斯汀得克萨斯大学的法裔天文学家吉拉德·德沃古勒抨击桑德奇的结果，打响了哈勃常数论战的第一枪。德沃古勒采用精心设计的方法测定远方星系的距离，得出的距离值只有桑德奇宣布的一半远，这导致其哈勃常数值是桑德奇的两倍，即在100左右，从而暗示宇宙要年轻一倍，约100亿年。

德沃古勒提出挑战后，其他天文学家也相继投入论争，有些人得到了支持桑德奇的低数值，另一些人得到支持德沃古勒的高数值。在20年的冲突中，双方的战线都有所变化，但一倍之差仍然是双方分歧所在。数值相差如此巨大的原因，是双方使用了不同的测距方法。在桑德奇眼里，所有可靠的方法都给出了低的哈勃常数值；在德沃古勒眼里，所有可靠的方法都给出了高的数值。

每一次战争都有一个最为著名的战场，哈勃常数论战使猎犬座一个不起眼的黯淡星系IC4182在天文界声名鹊起。这是一个介于旋涡星系和不规则星系之间的混合型星系，双方都对这个黯淡星系发起攻击并力图俘虏它。

IC4182只是一个同小麦哲伦星系差不多大的侏儒星系，看起来毫不起眼，不值得为它花力气。但是，1937年IC4182中爆发了一颗超新星，这颗超新星后来被证认为Ia型超新星，这是参与哈勃常数论战的一些天文学家心目中的圣物，因为这类超新星都有相似的亮度，可以当做“标准烛光”用来测距，问题是不知道Ia超新星的本身亮度，因为没有在已知距离的星系中发现过这类超新星。但IC4182相当近，算是比较容易测距的，如果能知道它的距离，也就知道了1937年超新星的本身亮度，也就知道了这一类超新星的亮度。测定IC4182距离的最好方法是观测它的造父变星，但是整个20世纪80年代都没有找到它的造父变星。

1982年，桑德奇和合作者利用IC4182中明亮的红超巨星，估计出这个星系的距离约为1400万光年，用这个距离可以计算出1937年超新星的本身亮度，然后再应用到更遥远星系中的Ia型超新星，最后导出的哈勃常数是约50。

但在1992年，美国基特峰国家天文台皮尔斯领导的小组用更为灵敏的CCD技术，发现IC4182中的红超巨星其实没有桑德奇以为的那样亮，于是IC4182的距离被降低到800万光年。这个较小的距离意味着1937年超新星没有那样明亮，从它测定的星系距离其实也没有以前远，从而哈勃常数应是约86。

桑德奇一方立即进行反攻，利用威力更厉害的哈勃太空望远镜，桑德奇及其同事终于探测到IC4182的造父变星，利用造父变星给出的星系距离是1600万光年，说明Ia型超新星是很亮的，从它测出的星系距离是很远的，由此导出的哈勃常数是约45。

皮尔斯一方又很快提出，IC4182中的尘埃减弱了造父变星的光芒，使它们看起来远，但实际并没有那么远，从而又给出了约80的数值。

这种激烈的论战搞得普通人一头雾水，很难分清楚谁对谁错。有人引用马克·吐温的一段话来嘲讽天文学家：“很多时事评论员的调查已经给这个论题蒙上了重重阴影，如果他们继续干下去，我们很快就会对它一无所知。”

物质对宇宙年龄的影响

哈勃常数只是求解宇宙年龄的第一步。

利用哈勃常数直接得出宇宙年龄有一个前提：宇宙自始至终都是均匀膨胀的，这样哈勃定律在任何尺度上都是成立的，哈勃常数永远是一个常数。

但这实际上是不可能的，因为它要求宇宙中没有物质，也就是零引力宇宙。

　　宇宙膨胀的不同模式：物质越多，膨胀减速就越快，宇宙膨胀到现在的尺度用的时间就越短，宇宙的年龄越年轻。如果宇宙的哈勃年龄是100亿年，那么临界膨胀的宇宙年龄是其67％—67亿年。

宇宙中有物质，就有了引力，引力会引起空间收缩，从而减慢宇宙的膨胀速度。这样，宇宙的膨胀就有了不同的模式。这和在地球上抛起一个球很相似：如果球的速度不太大，地球引力就会把它再拉回来；如果它的速度很大，超过每秒11.2公里，它就会脱离地球引力而逃逸出去。

宇宙的膨胀也有三种情形：

如果膨胀速度足够快，星系就会永远相互远离开，膨胀将会永远持续下去，这样宇宙就是开放的；

如果膨胀速度太低，膨胀最终会停下来，接着宇宙便开始收缩，星系将反过来互相靠近，整个宇宙坍缩下来，这样的宇宙就是闭合的。

介于开放宇宙和闭合宇宙之间还有一个平坦宇宙，它在数学上最优雅也最简单，其中的宇宙膨胀处于临界状态，会越来越慢，无限地逼近停止但却永远不会停止。

无论宇宙膨胀是何种模式，物质引力引起的作用都是使膨胀减速。这意味着，宇宙在过去膨胀得要比现在更快，它膨胀到现在尺度花的时间比均匀膨胀要短，因此有物质的宇宙年龄要年轻一些；物质越多，宇宙实际年龄就越小。

给宇宙称重

于是，测定宇宙年龄，除了哈勃常数外，还要进行另一个工作—给宇宙称重，确定宇宙物质总量，进而确定物质引力给宇宙带来的减速效应有多大。

给宇宙称重？这看起来简直是开玩笑，其实不算太难，天文学家们有办法。首先利用太阳对地球的引力估算太阳的质量，约是2×10³³克；银河系的发光天体质量大约有1000亿个太阳，可见宇宙中星系的质量大约100亿倍于银河系，于是可得出宇宙总重量约为10²¹个太阳，或者说约10⁴⁸吨，或者1，000，0 00，000，000，000，000，000，000，000，000，000，000，000，000，000，000，000，000克。误差肯定是有的，但1后面零的个数大致是不差的。

这些质量对宇宙的膨胀起什么作用呢？它太少了，如果这是宇宙质量的全部，那宇宙就是开放的，会永远膨胀下去，它的实际年龄将很接近零引力膨胀下的宇宙哈勃年龄。

然而，天文学家们发现，宇宙中的发光物质，仅仅是全部物质的一小部分，似乎有大量看不见的物质，隐藏在星系及其外围的空间里。