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在一篇发表于《皇家天文学月刊》的文章中，研究人员提出了一种新模型：他们把如今宇宙的年龄从 138 亿岁直接提高到了 267 亿岁，几乎翻了一倍。 对于这个结果，有人觉得这是科学的新发现，属于见证历史了；也有人觉得它就和先前那个“大爆炸没有发生过”的观点一样，只是“反大爆炸”人士的哗众取宠罢了。那究竟该如何看待这篇文章呢？ 1 意料之外 自从韦伯（韦布）望远镜投入使用以来，关于早期宇宙的研究如雨后春笋般涌现。其中最出人意料的新发现，就是早期的星系看起来意外的成熟，它们几乎和我们身边这些宇宙晚期的星系一样明亮，同时也有着成熟的星系结构。 按理来说，星系是通过“大鱼吃小鱼”的方式慢慢长大的，早期宇宙理应遍布着正处于合并中的不规则星系。但是实际上我们看到，那里的星系十分规则整齐，也有着光滑的盘面，和我们周围的星系没什么两样。总之就是，原本该是孩童模样的星系表现出了异常的成熟特征。 类似的还有那个困扰科学界已久的问题：超大质量黑洞是如何形成的。如果同样是通过“大鱼吃小鱼”的方式，那早期宇宙中应该不会有如此巨大的类星体；包括那些拥有着上百亿倍太阳质量的星系中心黑洞，它们也不该存在于我们的宇宙之中。毕竟对于合成一个如此巨大的黑洞来说，138 亿年的时间根本不够用。 此外天文学家还发现，某些恒星竟然出奇的老。比如著名的“玛土撒拉”星，当时研究人员计算出它的年龄大约在 145 亿岁左右，比宇宙本身还要老。儿子比亲爹早出生，这里面铁定有问题。虽然这颗恒星的岁数上下浮动有 8 亿年，可能仍在 138 亿岁的宇宙年龄范围内，但是以上这些现象共同指向了一个地方 —— 宇宙的年龄似乎出了问题。假如宇宙没有我们想的那么年轻的话，那这些问题不就都迎刃而解了吗？ 2 宇宙年龄 要想知道宇宙年龄对不对，首先要知道它是怎么算出来的？ 根据各种观测数据，宇宙在膨胀这已是不争的事实，而非纯理论的预言。假如我们能知道宇宙从开始到现在一共膨胀了多少倍，以及在这期间具体的膨胀速度，那么我们就能算出它一共花费的时间，也就是宇宙的年龄。 宇宙的膨胀速度，它主要反应在天体远离我们的速度上，也叫退行速度。天体（比如说遥远的星系）它的退行速度与它到我们的距离成线性关系（v=HD），距离我们越远的天体，它远离我们的速度就越快，这被称为哈勃-勒梅特定律，也叫哈勃定律。 我们如何知道天体远离我们的速度呢？这个可以从它发出的光的红移来判断。红移现象的存在，说明这些天体要么在远离我们，也就是多普勒红移；要么它周围存在强引力场，也就是引力红移。  多普勒红移  引力红移 显然这两者都不可能：怎么可能四面八方所有的天体都在逃离我们，我们是瘟神吗？那难道宇宙外围有一圈未知的强大引力场，把整个宇宙包裹着，这更是离谱。 既然两种情况都不可能，那光的波长为什么会变长呢？为此兹威基曾提出过一种“光子疲劳”假说，就是路途太远了光子跑着跑着没劲了，所以波长变长出现了红移。 “光子疲劳”这种假说因为无法解释宇宙微波背景的各项同性问题，后来人们觉得还是从空间膨胀的角度来解释更合适，于是这种由于宇宙膨胀导致的红移被称为“宇宙学红移”。  通过宇宙学红移的大小，我们可以计算出这个天体距离我们有多远。距离越远，光要走的路程就越长，到达我们的时间就要越久，所以我们看到的景象其实是它很久之前发出时的样子。因此我们通过观察不同时期的天体，就能了解宇宙在不同时期的演化情况。 像背景辐射，它的红移值有 1100，也就是大爆炸后大约 38 万年，这也是传统大爆炸模型中宇宙的“起点”。注意：这里不是“奇怪”的“奇”，是“起跑”的“起”，“开始”的意思。 知道了宇宙学红移的“极限”，就相当于知道了宇宙膨胀了多少倍，接下来要找到每个时期具体的膨胀速度。 要求空间膨胀速度，需要一个重要的参数 —— 哈勃参数（H）。这就牵扯到复杂的理论计算了。简而言之，根据 FLRW 度规、广义相对论等可以推导出描述膨胀宇宙的弗里德曼方程，从而可以得到哈勃参数和物质密度的关系。 3H² = 8πGρ 宇宙中的物质主要是由重子物质、暗物质、电磁波等辐射，以及暗能量组成。除了神秘的暗能量，其他物质都会随着宇宙的膨胀而被稀释，所以它们的密度与红移息息相关。 有了物质密度，再经过如此这般这般如此地一顿换算，于是我们就知道了哈勃参数会如何随红移变化，这就相当于知道了宇宙在各个时期的膨胀速度。 H = f(z) 如今宇宙膨胀速度对应的哈勃参数就是哈勃常数（H0）。 H = f(0) = H0 可以看出，哈勃常数虽然叫“常数”，但在宇宙时间尺度来看并不是完全不变的，它更多说的是在宇宙各处的空间上是一样的。 通过把弗里德曼方程进行适当变换，可以看到宇宙的年龄几乎就是哈勃常数的倒数，所以知道了哈勃常数也就知道了宇宙的年龄。这就是目前计算宇宙年龄的大致方法。 t = 1 / H0 3 新模型 为了解决星系的“早熟”问题，研究人员原本并没有直接拿宇宙年龄开刀，而是先引入了一个假设：假设基本的物理常数并不是常数，而是像哈勃常数那样会随时间变化而变化。 这看似逆天的假设，人家可不是拍脑袋随便说的。这个假设最早是由量子力学奠基人之一、预言了反物质存在的保罗・狄拉克提出的，所以也算是“出身名门”了。  研究人员等于是拿狄拉克大佬来做“背书”，然后在之前的 FLRW 度规里加了一个因子，让引力常数等基本物理常数可以随时间变化。 然后通过修改后的 FLRW 度规，在新的弗里德曼方程中出现了一个动态的宇宙学常数，它预示着暗能量也不再是一个常数，而是会随时间变化，研究人员称该模型为“协变耦合常数模型（CCC）”。 这个模型最大的好处是：根据它预测的哈勃常数，我们的宇宙被拉长到了 267 亿年，这就解决了开篇提到的一系列时间不够的问题。 但是这个模型也有缺点：就是我们看到的处于宇宙早期星系，它们的个头应该非常大才对，不应该像观测到的那么小。 为了解决这个问题，研究人员又引入了另一个假说，就是之前提到的“光子疲劳”假说。 研究人员认为疲劳的光子会导致图像发生畸变，使图像变得更小、更暗，也更模糊。这就和我们观测到的早期星系样貌对应上了，该模型被称为“疲劳光子模型（TL）”。 虽然光子疲劳假说本身存在一些问题，但把它和先前的耦合常数模型结合起来后，这个新的模型（CCC+TL）就可以解释很多现象了。 4 个人观点 现如今宇宙学遭遇的这种困境，要么是星系、黑洞这些演化模型有问题，要么是宇宙演化模型本身存在问题。 通常情况下，大部分人会把关注点放在前者。毕竟相较于给宇宙模型打补丁，给星系或黑洞模型打补丁可行性高得多。或许现有的模型仅适用于中晚期宇宙，只需要再为星系或黑洞找一个适用于早期宇宙的模型就好。 不同于他们，这项研究着眼于后者，选择直接挑战宇宙模型，这就是首先值得肯定的地方。它不局限于旧模型，而是能够跳出条条框框从新的视角来思考，为今后的研究提供了新思路。 但是这项研究偏理论，属于为了迎合观测数据而“补丁套补丁”得到的“弱理论”。虽然类似的弱理论有很多，但这种在已有理论中引入“常量可变”和“光子疲劳”假设，本身风险会很高。 目前该理论还很粗糙，比如它能否很好地拟合普朗克数据，并解释其他天体物理和宇宙学的观测结果，都还有待观察。毕竟还是那句话：非同寻常的观点需要非同寻常的证据！ |
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