宇宙的年龄是怎么被计算出来的？

春宵一刻你懂刻z

宇宙的年龄是怎么被计算出来的？

下一个秋天1

如图Weinberg《Cosmology》


把宇宙学参数代入1.5.43就出来了。
但是有一个问题，其实我们把红移积分到趋于无限大的时候，能标已经大到推导这个表达式所用的物质和时空模型可能不再适用了，所以原则上我们不能积分到无穷大，只能积分到理论适用的能标。
但是好在这个积分对上限不敏感，所以我们可以靠谱说从标准模型能标到现在，宇宙大概经历了140亿年。
说宇宙年龄的时候，不能以为是从一个什么宇宙开端的时间零点开始算的，我们根本不知道普朗克能标以前的宇宙是什么样子的。

姜小黑61

一颗比宇宙还早2亿年的恒星，是怎样估算出它的年龄的

史剑浇

基础公式很简单，是小学学过的公式，时间等于路程除以速度。
哈勃望远镜观测发现，所有的星球都在远离地球，这似乎是一个很有趣的现象。




有人问，这是不是代表，地球就是宇宙的中心了呢？

于是新时代的地心说建立了……
要回答这个问题，我们得先从身边的例子讲起。


多普勒效应
假设你站在路边，一辆救护车呼啸而过。
是不是会感觉救护车发出的声音，会随着靠近而音调变高？
救护车远离的时候，是不是又会随着远离而变低？

这是由于声波的频率变化导致的，人们把它叫做多普勒效应。




原本声波是一圈圈均匀靠近人的，但是由于救护车的靠近，声波变为加速靠近人。频率变高，于是音调变高。
而在救护车远离人们的时候，声波减速靠近人，频率变低，就会感觉音调变低。

是不是感觉很简单？我们继续延伸一下。


红移与蓝移
之前说过，所有的星球都在远离地球。那在地球上看，同样应该有多普勒效应。
不过宇宙之间声音无法传播，所以听不到声音……
但没有关系！我们还能看到光！




爱是一道光，绿得你发慌
光的颜色也和频率有关，频率改变，光的颜色也会随之改变。
可见光的频率，按红橙黄绿青蓝紫的顺序增大




电磁波波谱，可见光只占一小部分
如果星球在远离地球，那地球接收到的光的频率就会下降。
红色光的频率最小，所有的光的颜色都会靠向红色，所以被称为红移。

如果星球在靠近地球，那地球接收到的光的频率就会上升。
但是，人类肉眼对紫色不敏感，一般只能看出蓝色。
比如天空同时有蓝光和紫光，但你只看到了蓝色。




蓝天其实是蓝紫光的结合，用力看还是能看到一丢丢紫色的
蓝色光的频率第二大，所有的光的颜色都会靠向蓝色，所以被称为蓝移。

救护车声音和宇宙光线居然是一个原理，是不是很神奇？


元素分析
我们无法靠近太阳，也无法获取太阳上的物质，那我们是怎么知道太阳的元素组成的呢？
这是因为，每种元素能发出的光的频率是特定的。
所以我们可以根据光的频率，反推物质的组成。




氢原子光谱，氢原子只能发射这几种光
我们测定太阳光的频率，于是反推出它的组成是氢和氦。

只知道颜色（频率）就能知道元素组成，是不是很神奇？

另外，我们可以根据金属的颜色，判断它的温度。
只要知道颜色，就能判断温度，这在金属冶炼中有重要作用。
所以我们说打铁要打到红色，这样温度刚刚好。




计算速度
我们知道了元素组成，也知道了其特定频率，那紧接着，我们就可以计算速度了
这里有个公式，是相对论中的多普勒效应




f是地球测到的频率，f0是元素本身特定的频率，v是速度
f0已知，f是测出来的，这样就求出了星球远离地球的速度v。

简单的乘法开根号，按按计算器的事情。

哈勃定律
哈勃在观测各个星球的时候发现了这样一个定律





V是速度，H是距离，D是哈勃常数
通过这个公式，再加上上面的相对论多普勒效应，就可以计算出宇宙的年龄！

想要知道宇宙的年龄，也就是时间t，只要用小学学过的知识，时间=路程x速度。
路程H可观测出，已知。
速度V可由相对论多普勒效应的f和f0求出， 你刚刚拿计算器按过。
于是倒推可得时间t，就求出了宇宙的年龄，137亿年。

顺带一提，宇宙年龄正好等于哈勃常数的倒数。



通过小学就学过的公式，再加了几个辅助公式，我们求出了宇宙的年龄，是不是很神奇？

另外我们再仔细看看这个公式




由于D是常数，很明显，H越大，V越大。
这说明离地球越远的星球，远离地球的速度越快
（好像说了一句废话……）

但这其实是宇宙大爆炸理论的一个证明




崩沙卡拉卡!
宇宙大爆炸的时候，所有星球被炸出了一个初速度，有的星球快，有的星球慢。
同样的时间，137亿年下来，那速度慢的星球运动距离就短，速度快的星球运动距离就长。
所以地球越远的星球，远离地球的速度越快，近的速度就慢。

通过计算，所有星球的H÷V都是定值，说明大家的时间t都一样，都是从大爆炸开始的。
这也是宇宙大爆炸的一个证据。


没有中心的宇宙

现在你已经知道了宇宙的年龄了，但开头的问题还是没解决：
所有的星球都在远离地球，这是不是说明地球是宇宙的中心呢？

从生活经验来看，这个观点确实没问题，但是宇宙可没那么简单。
因为无论从哪个星球上看，其他星球都是在远离自己。
换言之，如果这么想，每个星球都是宇宙的中心，这明显不对。

打个比方，你在吹一个气球，气球上的花纹是红色斑点。
那我们把气球看做宇宙，把斑点看做星球，没吹的气球看做奇点，现在开始吹气球
这就是大爆炸




随着气球的膨胀，是不是每个斑点都在互相远离？这代表了每个星球都在互相远离。

那你能说这个斑点是气球中心吗？
显然不行。

虽然宇宙的模型不是如此，但和这个例子的效果非常类似。

宇宙也是这样，每个星球都在互相远离。
但是由于宇宙奇怪的模型，所以宇宙没有中心！

如果时间倒流，那所有的星球就会回到一个奇点。
这个点集中了全宇宙的质量，有着无限的密度。
这就是奇点。

宇宙的神奇脑洞

虽然宇宙不像气球有中心，但是宇宙和气球一样正在膨胀。

我们知道气球的承载力有限，膨胀到一定程度就会爆炸。但宇宙就不一样了，宇宙可不会炸。

于是有科学家在研究，宇宙膨胀的尽头是什么？是无限膨胀？还是会开始收缩？还是达到某种均衡？




霍金，著名宇宙物理学家
如果宇宙坍缩，那会发生很神奇的事情。

相对论指出，时间和空间是一体的，无法独立存在。
换言之，时间和空间是一起变化的。
宇宙的膨胀导致了现在时间的流逝。
而宇宙的坍缩，则会导致时间的倒流。

哇！时间倒流，是不是很开心？人人都可以预测未来了！

不，你想多了……
没有人知道“过去”发生了什么，因为一旦时间倒流，曾经的过去就会变成未来。

我上述这行文字，会变成下面这样，并且没有人觉得奇怪，因为人们一直都是这么阅读的。

。来未成变会就去过的经曾，流倒间时旦一为因，么什了生发” 去过“道知人有没但

而且，每个人都会在坟墓中出生，在母亲的肚子中去世。

这正是刘慈欣的科幻小说中《坍缩》所描写的场景。

是不是听起来有点恐怖？
所幸目前没有证据表明宇宙会坍缩。

宇宙很神奇，让无数的天才将毕生的精力投入其中。而且这一切，只是起源于路程=速度x时间这个简单的公式。
认真的思考和推导，加努力的研究，人们最终算出了宇宙的年龄
物理是不是很神奇？是不是很有趣？

有人说，这既无法应用到生活中，也不影响买菜，学他干嘛呢？

或许这确实与我们的生活无关，但是你要知道：
“当我们拘泥在生活的阴沟里时，总有人在仰望星空。”




部分图片来自网络，侵删




白驹映月
热爱文科的理科生，分享有趣的文理科知识，每天讲一个好玩的故事

一网湖水沧

用核纪年法测宇宙年龄可信吗？

放射性元素在放射出各种射线的同时，会变成另一种元素。衰变前的元素称为母体（parent element），衰变后的元素称为子体（daughter element），在一个封闭体系内，随着时间的推移，母体含量逐渐减少，子体含量则逐渐增加，如果测定出母体、子体元素的含量和比例以及半衰期，就可以计算出被测定的东西的年龄。根据已知长寿命放射性元素的半衰期，以测定银河系中最古老恒星的年龄，从而定出银河系的年龄。这种放射性年龄测定方法称为“核纪年法”。例如，钍-232的半衰期是140.5亿年。用当代最大的天文望远镜，加上高分辨率光谱仪，已经能够检测到恒星的钍-232含量，并作出相应的年龄估计。


但是，仅仅从钍-232的含量推导宇宙的最低年龄并不十分可靠，科学家又在恒星上发现了半衰期为44.5亿年的铀238的谱线。由于超新星爆发时产生的钍元素和铀元素含量比例是固定的，而两种元素的半衰期不同，由此测定恒星上的钍、铀含量比例来计算恒星年龄就更加可靠。
2001年，天文学家利用欧洲南方天文台的甚大望远镜，对一颗距离地球约1万光年的球状星团中编号为CS31082-001的恒星，进行了高精度光谱观测。根据光谱，第一次得到太阳系外天体的放射性同位素钍-232和铀-238含量之比，从而计算出该恒星的年龄是125亿岁，据此认为宇宙年龄差不多是125亿岁。
问题是，用核纪年法测宇宙年龄可信吗？因为有不少因素会改变元素比例，甚至达到某一动态平衡，如宇宙中目前的氢与氦的丰度。就像化学反应中的合成氨，在一定条件下，氮、氢和氨的比例会达到某一动态平衡。因此，衰变掉的元素也有可能在恒星中再生出来，例如，来自宇宙射线或恒星中的核聚变产生的快中子，击中氮原子，就会转化为碳14。镄是重元素，可以用中子撞击较轻元素而来产生镄。因此，恒星中某种元素一旦达到某一动态平衡，测定的年龄都会保持恒定不变，哪怕实际年龄是150亿岁或350亿岁。
譬如，高能的宇宙射线会通过称为“宇宙射线散裂”的方式，对宇宙中的各种元素进行核分裂和核合成，从而改变母体、子体元素的含量和比例；还有，恒星中的放射性元素与核聚变都会释放中子，这也会改变母体、子体元素的含量和比例。例如，每个氘氚聚变都会产生一个14MeV能量的快中子。由于铀238会吸收快中子后变为铀239，铀239再经过2次β衰变后变为钚239。没有被利用的快中子会变成慢中子，而钍-232正好会吸收慢中子而变成铀-233。恒星外部的钍-232和铀-238会通过热传输的对流带到内部吸收核聚变释放的中子。
综上所述，我认为用核纪年法测宇宙年龄不可信。-原创，作者：黄必录，欢迎转载