Why Can’t Scientists Agree On The Age Of The Universe? with Wendy Freedman
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几十年来,宇宙学和物理学领域存在着一个争论、争议和谜团,让科学家们困惑不已。我们对宇宙的年龄了解得不够精确,误差达两倍之多。宇宙是100亿岁还是200亿岁?这是芝加哥大学天文和天体物理学教授温迪·弗里德曼今年3月在美国自然历史博物馆的一次辩论中所说的话。所以你是......

但事情随后变得复杂起来。几年后,其他科学家进行了不同的测量。

这实际上引发了这场争论。还有一种方法可以测量宇宙的年龄,那就是利用宇宙微波背景辐射,这是宇宙最早阶段的光,对其属性进行统计研究可以告诉你其组成部分......等等,如果你没有使用

微波背景辐射,你是如何得到宇宙年龄的?我们是测量附近的星系,测量它们的距离和运动速度。宇宙的膨胀。那是宇宙的膨胀,你可以利用宇宙模型基本上向后推断,并确定宇宙的年龄。好吧,现在你不会去看星系了。你找到了一条捷径。

通向宇宙年龄?没错,我们实际上是在观察宇宙的另一端,也就是我们所能看到的最远的地方,宇宙中最早的光,这告诉我们宇宙在最早时期的一些特性,这与宇宙模型相结合,也给了我们一个年龄,这个年龄是138亿年,误差只有2000万到2500万年。所以你想让我们关心

她的答案是137亿,你的答案是138亿。我们为什么要关心呢?好吧,这个微小的差异可能是我们对物理学的理解存在问题的证据。一些缺失的东西可以解释我们宇宙的许多奥秘。所以至少有两种可能性,对吧?可能是数据中存在一些误导我们的错误。

或者可能是我们的模型,我们的标准模型中缺少一些东西,我们一直在谈论的暗能量和暗物质,还有一些......

我们尚未发现的物理现象。这可能指向这一点。这可能是你从未听说过的最大的新闻。这种争论悄悄地在大学和学术机构的后室里进行。要么你需要扔掉所有那些旧教科书,要么我们只需要一个更大的望远镜。

美国宇航局探索星辰之外的使命正式启动。该机构在圣诞节成功发射了詹姆斯·韦伯太空望远镜,实现了其愿望。自从自然历史博物馆的那场辩论以来,弗里德曼已经发表了对宇宙年龄的新测量结果。而这个新的计算结果使我们比以往任何时候都更接近于解决这场争议。

嗯,我认为,你知道,我们所有人,包括我自己,都应该对发现一些新的东西感兴趣,对吧?一项发现。关于宇宙,我们有一些未知的东西。而且,你知道,标准模型是不正确的。既然她就在芝加哥大学的校园里......

我们必须让她来参加播客,带我们了解这个令人难以置信的故事。目前的标准模型是我们还不理解的东西。暗能量,宇宙中总物质能量密度的三分之二,是一种我们不理解的形式。对此没有物理学解释。所以我认为有一个......

真正的开放性和兴趣,对这个想法感到兴奋,好吧,我们还不理解标准模型。欢迎来到《大头脑》,我们将把最大的想法和复杂的发现转化为易于消化的脑力食物。来自芝加哥大学播客网络的《大头脑,小点心》。我是你的主持人保罗·兰德。在今天的节目中,我们将测量宇宙的年龄。

谢谢。

你的下一章对你和社会都很重要。访问leadforsociety.uchicago.edu了解更多关于这个独特的奖学金项目的信息。你会如何计算宇宙的年龄?这不像是在某个宇宙档案柜里放着一张出生证明。

有多种方法,但它们都围绕着哈勃常数展开。哈勃常数测量的是宇宙当前的膨胀速度。它是允许我们计算宇宙年龄和宇宙大小的参数。每当有人听到“膨胀”这个词时,我敢肯定,人们的脑海中会立即浮现出一些想法。某些东西超越或超出其参数的范围。

你能谈谈你说宇宙正在膨胀时,它有点难以理解。我们的倾向是去思考我们知道的事情。如果你想到爆炸或海绵在杯子里膨胀,或者类似的东西,某些东西正在膨胀到其他东西中。那是我们日常的经验。

但对于宇宙来说,是空间本身在膨胀。它不是膨胀到其他东西中。空间在宇宙膨胀时确实是在被创造出来。宇宙膨胀最终会停止吗?这取决于宇宙的组成。如果物质密度足够高......

如果我们把球扔到空中,球会因为重力而落回地球。但是如果你给球足够的推力,比如火箭,它可以永远膨胀下去。所以这取决于宇宙中存在多少物质。事实上,直到最近几十年,我们......

我们认为宇宙中可能有足够的物质,物质密度可能足够高,它可能会收缩回自身,可能会有一个振荡的宇宙。所以不仅仅是热大爆炸阶段,它会坍缩回自身,也许是大挤压。但是

但最近的观测表明,相对于一项新发现,一种实际上导致宇宙膨胀加速的能量形式,即我们所说的暗能量,物质还不够多。所以从我们在过去几十年中学到的东西来看,宇宙似乎会永远膨胀下去。试图计算这种膨胀的速度有多快,有着悠久的历史。而弗里德曼只是这个故事中最新的主要人物。

这一切都始于一位名叫亨丽埃塔·斯旺·莱维特的人。一个多世纪以前,亨丽埃塔·斯旺·莱维特在哈佛大学天文台工作,她当时正在测量恒星。它们被称为造父变星,她发现它们的外部大气实际上是在运动的。

大气运动的速度与恒星的亮度有关。恒星越亮,变化周期越慢,恒星越暗,脉动越快。如果你可以在附近测量这些造父变星,知道它们的亮度,从而测量它们的距离,你就能得到它们的固有亮度,

然后你就可以测量更远物体中的这些恒星。例如,如果你看远处汽车的车灯或路灯,随着光越来越远,它会越来越暗。这非常有用,因为如果我们可以测量这些造父变星的视亮度,

然后我们已经知道它们的亮度应该是什么,它们的固有亮度是什么,仅仅通过距离的平方反比定律,我们就可以确定到星系的距离。这就是埃德温·哈勃所做的。埃德温·哈勃是芝加哥大学的毕业生,他将成为一位宇宙学偶像,他的名字将以现代历史上最著名的望远镜之一命名。

但这在故事的后面。首先,他将创造哈勃常数的概念。他能够在这些当时被称为星云的其他星云中找到造父变星,并测量它们的距离。他发现它们确实非常遥远

更重要的是,还有一位天文学家维斯托·斯利弗,他已经测量了这些星系的运动速度。哈勃发现它们是相关的。星系越远,运动速度越快。这就是导致宇宙膨胀图景的原因。1929年,埃德温估计哈勃常数的第一次计算结果为每秒500公里每百万秒差距。

具有讽刺意味的是,对于它的名字来说,这将是所谓的常数的许多波动计算中的第一次。弗里德曼将在2001年贡献她自己的第一个估计值。这是一个巨大的新闻,因为当时人们正在争论,哈勃常数是50吗?

还是100?如果是50,那么宇宙就是200亿岁。如果是100,它只有100亿岁。所以在那个时候,我们对宇宙年龄的了解误差达两倍之多。然后哈勃太空望远镜发射了。三、二、一,发现号航天飞机携带着哈勃太空望远镜升空,这是我们观察宇宙的窗口。

就在那之前,我们在天文学中得到了新的探测器。埃德温·哈勃以及直到20世纪80年代的天文学家不得不使用的探测器是

玻璃照相底片。这些底片的精度远不及我们现在用电子固态器件所能达到的精度,事实上,我们现在手机里就有这些器件。但它们在20世纪80年代开始在天文台使用。它们的灵敏度提高了近100倍。

这些被送上了哈勃望远镜。这里是休斯顿任务控制中心。控制室的PDRS官员证实哈勃太空望远镜已经释放。航天飞机现在与太空望远镜保持距离,科学家们在让我们看到有史以来最清晰的图像之前进行最后的调整。

这些探测器不仅可以测量蓝光、光辐射,还可以测量光谱的红色部分。它使我们能够进行更精确的测量,我们第一次能够解决这个误差达两倍的争论。

所以我们测量了哈勃常数的值为72或73。而且,你知道,不知道年龄的误差达两倍,这是一个相当大的差异。你知道,你是35岁还是70岁?这是一个很大的区别。宇宙学和天文学中的许多其他事情都依赖于对哈勃常数的了解。所以最终解决了这个问题,人们对此感到非常兴奋。有一段时间,我们认为我们在宇宙学方面已经完成了。但事实并非如此。

可以测量背景辐射温度的微小差异,这是大爆炸残留的辐射。

然后你可以根据这些观测结果进行预测,这些观测结果非常精确。它们测量的是十万分之一。这是一个惊人的测量结果。他们得到的哈勃常数值与我们通过直接测量哈勃常数得到的某些测量值不同。所以......

这两个值不匹配。我们用造父变星局部测量膨胀率。好吧,我们用造父变星测量它。这就是发生的事情。当你使用微波背景观测来测量它并来到今天,它们不会

它们不重合。它们相差大约9%左右。9%看起来可能很小,但这个数字的含义是巨大的,因为这种差异意味着测量结果是错误的,或者我们的物理学标准模型存在问题。

现在,可能已经写了超过一千篇论文来解释这个问题,人们称之为哈勃张力,这是微波背景与我们局部测量的结果之间的差异。但没有人能够提出解释。它只是不自然地

标准模型可能存在问题,缺少一些东西,一些我们不知道的基本物理学。直到三年前,我们基本上被困在那里。从热带雨林起飞,前往时间的边缘。詹姆斯·韦伯开始了一次回到宇宙诞生的旅程。

詹姆斯·韦伯望远镜是我们窥探宇宙的最新、最先进的方式,它使弗里德曼最近能够对哈勃常数进行全新的计算,这使我们比以往任何时候都更接近于解决哈勃张力。休息后再说。

你有没有想过自己是谁,但不知道该问谁?那么,加入埃里克·奥利弗教授的行列吧,他会向一些人类最聪明、最有趣的人提出九个了解自己的最基本问题。埃里克·奥利弗的九个问题,芝加哥大学播客网络的一部分。♪

尽管发现我们的物理学标准模型中缺少某些东西可能令人兴奋,但在哈勃张力的整个历史上,始终存在另一种可能性,即我们使用的工具不够先进。这些

测量是否已经达到足够高的精度,以至于你实际上可以说存在显著差异。因此,当JWST发射时,我们着手以更高的精度测量哈勃常数。它是一个更大的望远镜。哈勃的镜面直径为2.5米,而JWST,即詹姆斯·韦伯太空望远镜,的镜面直径为6.5米。

它被优化用于观察光谱的红外部分,而哈勃被优化用于观察光谱的光学部分。它是一台发现造父变星的好机器,因为这些造父变星的大部分变化都在光谱的蓝色部分。

大多数可能影响你测量的东西,例如,在我们和我们正在测量的恒星之间存在尘埃。我们必须考虑这种尘埃的存在。这最好在红外波长下进行,这样你就不会受到尘埃存在的影响。所以......

JWST的分辨率提高了四倍。这就是我们可以测量这些物体的清晰度提高了四倍。而且,某物越远,你知道,

你看远处的东西,它在距离上越小,所以它会被压缩成,你知道,我们用我们的探测器观察它,它会把所有这些恒星挤在一起。它们会彼此拥挤,很难得到造父变星或红巨星分支顶端恒星的精确测量,无论我们使用什么,它离得越远。因此,JWST提供了将这些恒星区分开来的可能性,而这些恒星用哈勃望远镜很难分辨。

它的灵敏度提高了10倍,所以我们从JWST获得了更大的信号。因此,我们的建议不仅仅是依赖造父变星并将所有东西放在一个篮子里。如果我们只使用一种方法,而我们对这种方法还不了解......

我们可以根据需要进行多次测量,但我们仍然会得到同样的答案,而永远不知道有什么问题。因此,我们建议除了造父变星外,还要使用另外两种方法,即红巨星分支顶端恒星和我们开发的一种新方法

这些是JAGB恒星。它们是红碳星,其光度分散度非常小。因此,它们是一个很好的距离指示器。我们将所有三种方法应用于相同的星系。

所以我们使用的是相同的望远镜、相同的滤光片、相同的探测器。一切都一样。我们用三种不同的方法测量它。如果有差异,那么我们可以说,好吧,我们实际上能测量多好的距离?你知道,一种或多种方法中是否存在系统性影响?通过将它们结合起来,我们基本上可以消除任何不确定性,并得到一个更可靠的,

最终通过结合三种测量结果而不是依赖一种类型来进行测量。我们还使用了两种不同类型的遥远天体。这些是超新星,它们是恒星生命结束时的爆炸。

我们可以看到它们更深入宇宙。我们现在看到的是,两种方法非常吻合,而这两种方法受我刚才谈到的尘埃或这种拥挤混合问题的影响最小,因为我们可以在星系的边缘观察它们,在那里这些影响并不重要,事实上,对于红巨星分支的顶端来说,它们是可以忽略不计的。所以

另外两种方法彼此一致,而造父变星现在是一个异常值。这很有趣。在这一点上,我认为我们不能说,我不想说,好吧,我们肯定知道一个比另一个更好。

我们只是把它们当作,好吧,这是三个独立的测量结果。让我们看看当我们结合这些测量结果时会得到什么,并得到对哈勃常数的更可靠的估计。这些观测告诉我们的是,嘿,等等。即使在我们测量到星系的距离时,这是测量哈勃常数之前的步骤,我们已经存在分歧。

这种分歧并没有告诉我们关于早期宇宙中基本物理学的任何信息。这告诉我们,我们最好更好地理解距离。话虽如此,你知道,在我们达成一致之前,我们谈论的是一个因素的两倍,在TRGB和JGB的情况下,距离现在在1%的水平上达成一致,这太棒了。了不起。是的。这在,在,在这种测量中,真的是闻所未闻的,但是,

而造父变星的测量结果有些差异,它只在百分之几的水平上有所不同。所以同样,这是一个非常好的迹象,表明我们在测量这些距离方面做得很好。现在我们可以将它们测量到百分之几甚至更好。当我们然后确定哈勃常数时,它们不会

确定存在这种关于缺失物理学的非同寻常的主张,即标准模型存在问题。它们与标准模型非常一致,这很有趣。再说一次,你必须

以数据为导向,对吧?如果有非同寻常的证据,“非同寻常的主张需要非同寻常的证据”。我们所说的意思是,我们没有看到非同寻常的证据。这并不符合非同寻常证据的要求。但也许将来会有更多的数据,会有非同寻常的证据。但在这一点上,它真的看起来不像那样。如果有

在你继续这些事情的时候,你问自己一个问题,如果在我有生之年,我能看到这个问题的答案,或者对这个问题获得一些额外的清晰度,那将更加非同寻常。你梦想什么?

我希望在我有生之年看到宇宙其他地方生命的发现。我认为现在这样做的潜力是,随着未来十年左右即将上线的大型望远镜,我们正在接近。

我认为这将是一个相当壮观的发现,不仅对天文学家来说,我认为对整个人类来说也是如此。绝对的。那些会改变我们对我们所居住的宇宙的视角的事情。所以我非常兴奋。我希望我能活到看到那一天。但我有时也会觉得,你知道,也许如果我可以有两个,我很想在100年后回来。当然,再来两个。我很想在100年后回来看看宇宙学是什么样的。我打赌。你知道,我认为这是一个

我有时仍然会问自己,我们是否走在了正确的道路上?或者会有完全不同的东西吗?一些新的发现将使我们意识到,好吧,你知道,只是视角上的一点点或也许是巨大的变化。我们一直错误地看待这个问题,我们又学到了其他的东西。所以我非常好奇能在一个世纪后回来,也许需要更长的时间。我不知道。但是暗能量是什么?暗物质是什么?我很想看到这些。

我们喜欢一个大谜团,暗能量当然就是其中之一。有各种各样的理论,有些比其他的更奇怪。暗能量本质上是对空间真空的贡献,能量贡献。

我们从量子力学中知道,存在非常非常快地形成的粒子及其反粒子。它们进出真空,并向真空贡献能量。问题是,如果你把这些虚粒子的贡献加起来,那么你最终得到的东西将比我们看到的要大120个数量级。

这根本不可能。这是一个如此巨大的差异。没有人知道如何解释它。没有人知道如何解决这个问题。

所以,再说一次,某个人会在某个地方想出一个非常好的主意。这可能是一个能够解释这一点的理论。也许我们会从观测中得到一些迹象,这再次说明为什么这些观测很有趣,因为它们可能告诉我们我们在标准模型中不理解某些东西的地方。

现在,我们现在的情况是,人们为了试图解释哈勃张力而提出的理论实际上使其他地方的问题变得更糟,它们使其他张力变得更糟。所以没有什么东西出现是明显的解决方案。

所以它,你知道,我希望那里的一些年轻人进入这个领域将会有,你知道,有很多开放和可用的发现空间。有人会在我这个位置上问别人,你现在会对温迪·弗里德曼说什么?所以我们会,你知道,我们会调出100年,看看他们会问你什么。太好了。好的。《大头脑》是芝加哥大学播客网络的制作。

我们的赞助商是格雷厄姆学院。你是一个终身学习者,有着永不满足的好奇心吗?每个季度都可以访问50多门开放注册课程。访问graham.uchicago.edu/bigbrains了解更多信息。如果你喜欢你在我们播客中听到的内容,请给我们留下评分和评论。该节目由保罗·M·兰德主持,由利亚·塞萨里内和我马特·霍达普制作。感谢收听。