宇宙的年龄究竟有多大？一项新的研究理论表明，它存在的时间是人们认为的两倍

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2023-09-03 11:26发布于辽宁牧夫天文论坛官方账号

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原作者：Rajendra Gupta

翻译：宋丽

校对：周奕宏、李宜骅

编排：简稚珉

后台：李子琦

原文链接：https://phys.org/news/2023-08-universe-theory-believed.html

图注：这个与银河系相邻的NGC 6822星系，正在被进行研究，以了解更多关于早期宇宙中的恒星和尘埃。

图源：NASA/James Webb Space Telescope

詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）对于早期宇宙观测结果无法用当前的宇宙学模型来解释。根据暴胀理论，这些模型估计宇宙的年龄为 138 亿年。

我的研究提出了一个模型，该模型确定宇宙年龄为 267 亿年，这解释了 JWST 的 “不可能的早期星系”观测结果。

不可能的的早期星系指的是，宇宙大爆炸后5亿到8亿年宇宙黎明时期的星系，其星系盘和星系的核球与那些经历了长期演化的星系相似。体积较小的星系显然比体积较大的星系质量更大，这与人们的预期恰恰相反。

频率和距离

这个年龄估计是通过测量遥远星系发出的光线中光谱线的红移，根据宇宙膨胀率推算出来的。早期对红移的解释是基于光在宇宙中传播时会失去能量的假设。这种 “疲劳光” 的解释被否定了，因为它无法解释许多观测结果。

光的红移类似于声音的多普勒效应：声音接近时频率（音调）较高，远离时频率（音调）较低。红移，即较低的光频，表示天体正在远离我们；星系距离越大，退行速度和红移越高。

红移的另一种解释是多普勒效应：遥远的星系正以与其距离成正比的速度从我们身边退去，这表明宇宙正在膨胀。1964 年，为贝尔实验室工作的两位天文学家阿诺-彭齐亚斯和罗伯特-威尔逊意外地发现了宇宙微波背景辐射（CMB），稳态的宇宙模型无法对此做出令人满意的解释，此后，宇宙膨胀模型开始受到大多数天文学家的青睐。

膨胀率基本上决定了宇宙的年龄。在 20 世纪 90 年代哈勃太空望远镜发射之前，由于膨胀率的不确定性估计宇宙的年龄在 70 亿年到 200 亿年之间。通过其他观测，目前公认的年龄值为 138 亿年，从而将大爆炸模型推上了宇宙学的神坛。

以往模型的局限性

去年发表的一项研究报告尝试用疲劳光理论来解决不可能的早期星系问题。然而，疲劳光无法令人满意地解释其他宇宙学观测结果，如超新星红移和宇宙微波背景的均匀性。

我尝试过将标准大爆炸模型与疲劳光理论结合起来，看看它是如何拟合超新星数据和 JWST 数据的，但它并没有很好地拟合后者。不过，它确实将宇宙的年龄增加到了 193 亿年。

接下来，我又尝试创建了一个混合模型，其中包括疲劳光和我根据英国物理学家保罗-狄拉克（Paul Dirac）1937 年提出的不断变化的耦合常数而开发的宇宙模型。这个模型很好地拟合了两个数据，但宇宙年龄几乎增加了一倍。

新模型将星系形成时间延长了到了标准模型的10到20倍，为观测到的 “不可能的早期星系”的形成提供了足够的时间。

与任何模型一样，它需要为标准宇宙学模型所能满足的所有观测提供令人满意的解释。

混合模型

以混合两种模型来解释新的观测结果并不新鲜。艾萨克-牛顿在他的光理论中认为光是以粒子的形式传播的，这一理论一直沿用到 19 世纪被光波理论取代，为了解释单色光的衍射模式。

图注：据估计，这个星系只有5亿年的历史，是我们所看到的最年轻的星系之一。

图源：NASA/ESA Hubble Space Telescope

爱因斯坦重提了光的粒子性，以解释光电效应--即光具有双重特性：在某些观测中是粒子状的，而在另一些观测中则是波状的。从那时起，所有粒子都具有这种双重特性，这一点已得到公认。

另一种测量宇宙年龄的方法是估算银河系球状星团中恒星的年龄。球状星团包括多达一百万颗恒星，它们似乎都是在宇宙早期同时形成的。

假设所有星系和星团都是同时开始形成的，那么星团中最古老恒星的年龄就应该是宇宙的年龄（减去星系开始形成的时间）。对于某些恒星，比如被认为是银河系中最古老的恒星玛土撒拉，天体物理模型得出的年龄比用标准模型测定的宇宙年龄要大，但这是不可能的。

爱因斯坦认为，在任何时间的任何一点观测到的宇宙都是一样的--均质、各向同性和永恒。为了解释在这样一个稳态宇宙中观测到的遥远星系的红移现象（红移似乎与其距离成正比增加（哈勃定律）），瑞士天文学家弗里茨-兹威基于 1929 年提出了疲劳光理论。