267亿年：宇宙一下子老了130亿年？ | 袁岚峰

流行的童话蹈

大家好，我是中国科学技术大学袁岚峰。你有没有听说过，你的年龄一下子增加了130亿年？如果听说过，说明你对数学和天文学都非常了解。
这个故事首先要从匈牙利传奇数学家保罗·埃尔德什（Paul Erd?s，1913 —1996）说起。他经常说：“当我是个孩子的时候，人们说地球的年龄是20亿年。现在，科学家说地球的年龄是45亿年。所以，我已经活了25亿年了。”

奇妙的是，最近同样的事也发生在了我们所有人身上。一位来自加拿大的科学家Rajendra Gupta发表了一篇文章，说宇宙的年龄是267亿年，而不是现在普遍认为的137亿年。按照埃尔德什的算法，我们所有人的年龄一下子增加了130亿年！

不过，紧接着的问题就是：这个研究可靠吗？或者说，学术界主流接受这个结论了吗？答案非常明确：完全没有接受，这其实还只是他的一家之言，远没到改变教科书的程度。大家要想延年益寿，还是得好好锻炼，而不能指望一夜之间增加130亿岁这样的玄幻情节。
最近，我的科大师妹“弦论世界”周思益博士介绍中山大学物理与天文学院蔡嘉琪同学在我的科普平台“风云之声”写了一篇文章《267亿年：宇宙一下子老了130亿年？ | 蔡嘉琪》。下面，我就来基于这篇文章，向大家介绍一下这是怎么回事。

首先我们需要了解一下，137亿年的主流数据是怎么来的。其实宇宙有个年龄，这本身就是一个出人意料的发现，很多人的默认观点是宇宙无始无终。这个观点好像还挺有哲学意味，例如康德的“二律背反”。但无论再哲学它实际上也是错的，因为它跟一些观测事实不符。

例如一个很基本的问题是“夜晚为什么是黑的”，——这个问题乍看起来完全不是个问题，但仔细思考才会发现是个非常深刻的问题，它叫做“奥伯斯佯谬”（Olbers paradox）。请你仔细想想，为什么夜晚是黑的，就意味着宇宙有个有限的年龄？如果你能想清楚，说明你是个非常有思辨能力的人。

对宇宙年龄最著名的证据，是所有的星系都在离我们远去。下图来自美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble，1889 — 1953）1929年的论文原文，他将对许多星系的观测数据画在同一张图上，其中横轴是星系间的距离，纵轴是星系的退行速度，即离开我们的速度。可以看到，离我们越远的星系，远离我们的速度越快。如果把数据用直线拟合，我们可以定义直线的斜率H = v/d为“哈勃常数”。这就是著名的哈勃定律，它证实了宇宙在膨胀，请仔细想想这是为什么。

那么，哈勃定律和宇宙年龄有什么关系呢？假如把宇宙的时间倒着走，那么最终的结局就会是缩成一个点。而从现在到缩成一个点所需的时间，就是哈勃常数的倒数。我们把它称为哈勃时间（Hubble time），这就是对宇宙年龄的估计值。因此，哈勃常数的大小将是回答宇宙年龄的关键。为了得到更精确的哈勃常数，人们做了大量的观测，例如1990年发射的哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope，HST）。

基于这些事实和观测，科学家们提出了“宇宙大爆炸模型”，得到了绝大多数天文学家的认可。根据这个模型以及多年来的天文观测和数据分析，目前对宇宙年龄最好的估计是137亿年。

那么下一个问题是，加拿大科学家的267亿年是怎么来的？这个问题，就只有读过原始论文的内行才能明白了。基本的回答是，这个非主流的结论建立在非主流的假设上，而且不是一个非主流的假设，而是两个非主流的假设。其实“非主流”是一个比较委婉的修辞，大多数科学家对这些假设的看法应该是：完全不靠谱。
所以如果你明白这个推理过程，你正常的思维就会是：既然这些假设得到如此奇怪的结论，不更说明这些假设不对吗？！而《皇家天文协会月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）居然刊登了这个结果，这个期刊在天文学界的地位还不低，这才是最匪夷所思的。

下面，我们暂且不论为什么《皇家天文协会月刊》要刊登这样的结果，先来看看这两个非主流假设是什么。

第一个假设是瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky，1898 — 1974）的累光理论（the tired light theory）。这个名字“the tired light”就很神奇，直译为“疲惫的光”。累光理论认为，哈勃观测到的红移不是由于宇宙在膨胀，而是光本身的性质造成的。就像一辆汽车在行驶过程中会不断地消耗汽油，光在传播过程中也会不断地失去能量。能量变小，光波就会变长，看起来更红，也就发生了“红移”。

跟这个累光理论对比一下，我们就会对主流的大爆炸模型加深理解。在主流模型中，宇宙学红移不是由于光在失去能量，而是由于宇宙膨胀。
为了理解这个概念，你可以把宇宙想象成一个正在膨胀的气球，星系就像是气球表面的点。如果在两点之间画一条波浪线代表光波，那么随着气球的膨胀，很自然的，这条波浪线就会被拉长。

这意味着，随着空间膨胀，光在传播的过程中，它的波长会被拉长，发生红移，同时，星系之间的距离也在增大。因此，宇宙学红移和光本身的性质无关，但和空间的性质有关。
有一个我们日常生活中就经常见到的频率移动现象，叫做多普勒效应（Doppler effect），例如朝我们驶来的车船汽笛声会变得尖锐一些，而离我们远去的汽笛声会变得低沉一些。

多普勒效应跟宇宙学红移是什么关系呢？两者有相似之处，也有不同。多普勒频移的原理是相对运动，而在宇宙学红移中不存在相对运动，因为是空间整体在膨胀。仍然用气球来比喻，虽然气球上两点之间的距离增大了，但这些点在气球表面上并没有移动，因此并没有相对运动。

由于人们可以通过测量红移得到哈勃常数，从而得到宇宙的年龄，所以我们如何定义红移是很重要的一件事。如果用累光理论来定义红移，就会得到不同的哈勃常数。然而，有一些观测事实不能用累光理论来解释，如星系的表面亮度随距离的变化、宇宙微波背景辐射的热谱等，而宇宙膨胀的理论可以很好地解释它们。更基本的问题是，累光理论无法合理地解释为什么光子会失去能量。因此，累光理论从来没有得到过物理学家的认同。

第二个假设是英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac，1902 — 1984）提出的耦合常数非恒定不变，简而言之就是物理常数不是真正的常数，而是会随时间变化。耦合常数是描述粒子之间相互作用的基本物理常数，例如电子电荷、光速、普朗克常数等都是耦合常数。1937年，为了解决物理学中的一些难题，比如为什么宇宙中的物质和反物质的数量不相等，以及为什么宇宙中引力和电磁力的强度相差如此之大，狄拉克提出了大胆的假设，认为耦合常数可能并不是恒定不变的，而是会随着时间而变化的。

这些常数随时间变化会造成什么后果呢？如果电子电荷是随时间发生变化的，那么电磁相互作用就会发生改变，我们可能就没法稳定地上网了。如果引力常数发生变化，那么地球绕太阳的运动轨迹可能发生改变，进一步的，宇宙的结构都可能受到影响。变化的耦合常数可能带来不稳定的世界，很难想象在这样的世界里的物理规律会是什么样。
这样的世界看起来不太符合物理直觉，毕竟我们并没有感知到“变化的引力”，地球还是在稳定地绕太阳运行。实验观测也表明，基本常数是非常稳定的，至少还没有测到变化。所以，这依然是个非主流的假设。
总之，在这两个非主流假设的基础上，这位加拿大科学家Gupta重新计算了宇宙的哈勃常数，得到了一个比目前观测值更小的结果。由于宇宙年龄和哈勃常数成反比，所以宇宙一下子变老了一百多亿年！这就是我们“长寿”的由来。
你可能想问了，既然这两个假设并不可靠，为什么他仍要用这两个假设得到看起来更不可靠的结果，而且还发在了权威杂志上？
这是因为大爆炸理论并不完美，它还存在一些难以解释的矛盾和悖论。例如人们观测到，在宇宙形成后不久，就出现了一些非常大、非常亮、非常成熟的星系。如果早期宇宙年龄过短，就难以形成这些发达星系。而如果引入狄拉克的耦合常数可变的概念，那么这些早期星系形成的时间就可以从数亿年延长到数十亿年，为其处于更高发展水平提供了更可行的解释。

GN-z11星系，人类已知的最古老的星系之一，距今大约134亿年 | 维基百科

所以，我们应该为非主流理论留下空间。如果这个结论是正确的，不但意味着我们的年龄一下子增加了130亿岁（划掉），还意味着我们对宇宙历史的认识将大幅改写。
不过——如果有人告诉你，他的祖先是恐龙，而且他有证据证明，但是他的证据只是一张画着恐龙的纸，你会选择相信吗？

顺便说一句，由于开头提到的数学家埃尔德什经常说那个自己的年龄增加了25亿年的笑话，所以就有学生画了一张他骑着恐龙的漫画，还有人问他：“恐龙怎么样了？”他的回答是：“我不记得了，因为老人只记得很早之前的事，而恐龙就像是昨天诞生的，仅仅一亿年前而已。”

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■ 作者简介
袁岚峰
中国科学技术大学科技传播系副主任
中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员
科技与战略风云学会会长