没有测量就没有科学

天文学家哈勃的观测表明：宇宙正在膨胀。那么，宇宙到底膨胀了多久？我们有没有办法知道宇宙的年龄呢？办法当然是有的。

如果你看到一个正在匀速膨胀的面团，例如烤箱中的一只面包，你有没有办法测算出这个面团已经膨胀了多久呢？

这应该难不倒你，只需要测量出面团的膨胀速度即可，具体的操作过程是这样的：先记录下开始测量的时刻面团的体积。过一段时间后，我们再次测量面团的体积。把两次测量得到的体积相减，就得到了这个面团每小时会膨胀多少的速度值。知道了这个速度值，只需要用面团现在的体积除以面团膨胀的速度值，就能得到面团已经膨胀了多长时间。

那我们能不能用这个方法来计算宇宙的年龄呢？把宇宙想象成一个面团，测量一下宇宙的体积。很遗憾，我们没办法测量出宇宙的体积，因为我们自己本身就在这个面团中，我们不可能跳到面团外面来测量面团的体积。

其实，我们不需要知道面团的体积，还有一个更加聪明和简单的办法来测量面团膨胀了多久。这个办法是这样：先在面团的表面撒上一些芝麻，然后测量一下任意两颗芝麻之间的距离，过一小时后，我们再测量一下这两颗芝麻之间的距离。把两次测量得到的距离相减，就得到了这两颗芝麻每小时会远离多少的速度值。知道了这个速度值，我们同样可以计算出这个面团膨胀了多少时间。为什么？因为我们假设面团是从一个点膨胀而来的，所以，这两颗芝麻在膨胀开始前必然是重合的。

你看，这个简单而又聪明的办法就避免了去测量整个面团的体积。那么问题来了，在我们的宇宙中，有没有这样可以供测量距离用的芝麻呢？答案是有，不但有，而且还很多很多。这就是宇宙中无数个大大小小的星系，这些星系均匀地分布在全宇宙中，距离银河系近的几百万光年，远的有100 多亿光年。在宇宙这个尺度上，我们就可以把星系看成是一颗一颗的芝麻，我们只要测量出芝麻之间互相远离的平均速度，就能通过刚才讲的方法计算出宇宙的年龄。

讲到这里你可能会奇怪，前面用的是面团表面的芝麻，而星系是在面团内部的，好像不一样啊。其实，你把芝麻想象成是均匀地分布在整个面团中，不论是在表面还是在内部，这个原理都是相通的。

上世纪二三十年代，在美国加州的威尔逊山天文台，成天叼着一根大烟斗的天文学家哈勃就在痴迷于测量不同的星系到银河系的距离，他率先通过这个方法计算出了宇宙的年龄大约是2 亿多岁。为了纪念哈勃的贡献，我们今天把宇宙膨胀的速度值叫做哈勃常数，把通过这个数值推算出来的宇宙年龄称为哈勃时间。

当然，限于哈勃那个年代的观测精度，他的测量数值误差还很大，但是意义却极为重大，这可是人类第一次用科学的方法推算出了宇宙的年龄。方法一旦找到，离真相的发现就已经不远了。今天，随着太空望远镜的上天，哈勃常数已经被测量得越来越精确，宇宙的年龄逐步被锁定在了138 亿岁左右，上下的误差不超过 4000 万年。

除了哈勃常数的测定，还有没有其他证据可以验证宇宙的年龄呢？

当然还有。不知道你有没有意识到，每当我们在夜晚仰望星空的时候，其实就是在回望宇宙的过去。比如说，我们测出某个星系距离我们1 亿光年，也就意味着，我们现在看到的光差不多就是它 1 亿年前发出来的。请注意，在这里我加了“差不多”三个字。为什么还要加这三个字呢？因为宇宙在膨胀。我们有时候会在资料中看到一个古老的星系距离我们 400 亿光年，但是我们宇宙的年龄不是才 138 亿岁吗？显然这个古老星系不可能有 400 亿岁，它的年龄一定是小于 138 亿岁的。

这是因为，这些古老星系的光子在飞向地球的同时，它们身后就会不断地冒出新的空间，当这些光子飞行了130 亿年，终于到达地球时，古老星系离地球的距离早就超过了 130 亿光年。你可以把我们的宇宙想象成一块有弹性的布，当光子在这块布上前进时，这块布也在不断地拉伸变长，所以我们在测量星系的距离时，必须还要考虑到宇宙的整体膨胀。

理解了上面这些基本概念，我就可以告诉你宇宙年龄的另一项重要证据了。天文学家们发现，不论我们把望远镜指向宇宙的何处，我们能观测到的最遥远的星系距离都不超过465 亿光年。注意，这不是因为我们的望远镜能力不够，假如还有更遥远的星系，我们的望远镜也一样能发现。扣除掉宇宙膨胀所产生的额外距离后，结果就是，我们所能观测的所有星系，都没有超过 132 亿岁的，这与哈勃常数计算出来的结果一致，这就是非常过硬的证据了。

有些人可能会奇怪，为什么是不超过132 亿岁，前面不是说宇宙的年龄大约是 138 亿岁吗？那是因为，在宇宙诞生的最初 6、7 亿年，星系还没有形成呢。

希望今天我讲的知识能让你记住的科学精神是：测量是一切科学研究的基础，没有测量就没有科学。著名的开尔文勋爵曾经说过这样的话：如果你不能用测量数据说话，那你就没有资格谈科学。天文学家们之所以敢说宇宙的年龄是138 亿岁，那是有实实在在的测量数据的，而不是仅仅依靠理论推测。请记住，科学中的任何结论都有测量数据的支撑，无一例外。

    转自科普训练营汪洁老师