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宇宙的年齡
Age of the Universe
Recently I saw a vision in a dream
There were beauty and shining stars
Underneath the endless dark
Hearing tender words with a sad story
Of a truth not easy found deep in all our hearts
——但丁之舟《A Divine Decision》
在開啟今天的討論之前，請大家先做一道初中物理題。
機翼是如何獲得升力的？
初中物理告訴我們，機翼的橫截面的上部分和下部分並不對稱，氣流在此一分為二，上面空氣在相同時間內走過的路程更長一些，因此流動的速度比較快，而下面空氣流動的速度則比較小。這樣就有一個壓強差，升力也就這樣產生了。
在初中物理裡，這麼回答，你肯定能拿滿分。
而事實上呢？這裡有一個巨大的漏洞——把空氣當做理想氣體處理了。
理想氣體，意味著，我們將完全不考慮氣體分子之間的相互作用。這也意味著，空氣是毫無黏滯性的。
而事實上，無論是空氣還是水，都不可能完全沒有黏性，否則氣體和液體都將無法流動。
那麼這和宇宙的年齡又有什麼關係呢？
我們的宇宙從誕生的一刻開始，經歷了暴脹、輻射為主、物質為主等多個階段。所謂的暴脹，指的是宇宙在極短的時間內迅速膨脹。而輻射和物質為主，則指的是在宇宙膨脹中起著主要作用的宇宙組成成分。
關於宇宙演化的細節，我們將在之後詳細討論。
我們知道，引力，顧名思義，與電磁力最大的不同在於，引力只有吸引，而電磁力除了吸引還可以排斥。如果這個假設沒有錯誤，那麼只有吸引沒有排斥的引力，是不可能讓宇宙加速膨脹的。（當然引力和電磁力的區別還有很多，例如相對而言，引力要弱很多。）
根據推算，如果當今宇宙仍然是處於物質主導的時期的話，那麼宇宙的年齡將是80到100億年。而觀測表明，有些古老的星團，其年齡要達到110億年。顯然，比宇宙還要老的天體是不可能存在的。這就引發了宇宙年齡問題。
隨著宇宙加速膨脹的觀測證據越來越多，人們意識到可以通過引入暗能量來使得宇宙加速膨脹。根據假設，暗能量的壓強為負，也就是說，暗能量在推動著宇宙的加速膨脹。
引入了暗能量後，理論推導的宇宙年齡大約是135億年左右，宇宙年齡問題也就得以解決。然而，輕易就被解答的問題，往往沒那麼簡單。不久之後，又有天體大於宇宙年齡的發現，例如，類星體08279+525。這時候又該如何解決呢？
理論物理學家們給出的答案之一是——黏性流體。
回到一開頭我們提到的問題上。事實上，飛機之所以有升力，與氣體的黏性也是分不開的。而現實中是沒有理想流體或者氣體的，因此，在考慮宇宙學問題的時候，我們也可以引入黏性流體。引入黏性意味著，物質的衰減速度也被延緩，這樣計算起來，宇宙年齡問題就可以得到緩解。
天文愛好者經常把暗物質和暗能量放在一起，但是實際上，這兩位除了都姓“暗”之外，並沒有多少直接聯繫。但是這不代表科學家們不會把他倆聯繫到一起，就好比兩個同姓的人套近乎，經常說“五百年前是一家”這樣的話，有一些模型認為，暗物質和暗能量在早期的宇宙裡是統一的，隨著宇宙演化才逐漸變成今天的樣子；另外有些模型則認為，這兩者之間存在著微弱的相互作用。
我們今天通過宇宙年齡的問題，引入了黏性流體、暗能量、宇宙加速膨脹、宇宙的演化等很多概念。從後面的推送開始，我們將從大爆炸出發，討論一下宇宙演化的細節。由於今天所講的東西需要用很多公式來解釋，因此我們點到為止，大家也不必深究背後的計算細節。
除了黏性流體之外，科學家們還有很多方法來解決這些問題，例如引入修改引力理論，或者引入暗物質和暗能量彼此之間的相互作用等等。
科學的發展往往也是如此，提出一個有意義的問題，往往比解決問題更有價值。
講到這裡，小編想起了一個牛頓的故事。我們不妨簡單討論一下牛爵爺。
在牛頓已經成為公認的科學界領袖之後 ，曾經有人問他：“牛大爺，請問地球的年齡是多少呀？”
牛頓的回答是，他根據《聖經》推算，地球大概是6000歲。
這個荒謬的回答如果放在今天，那麼估計只能出自瘋子或者傻子之口。顯然，問牛頓宇宙多少歲，他也沒法回答，只能利用《聖經》估計。
但是我們需要承認一點，在牛頓那個年代，無論是物理、天文知識，還是考古研究，都遠不及今天。這並不妨礙牛頓成為科學史上最偉大的人，無論是作為數學家還是物理學家，他都做到了頂尖中的頂尖。
和愛因斯坦相比，老愛在研究廣義相對論的時候，由於大學時候經常曠課，以至於不得不求助於好哥們格羅斯曼，後來又和大數學家希爾伯特共同研究引力場方程。而牛頓則是逢山開路遇水填橋，沒有數學工具，就乾脆自己造一個（跨時代對比難免有吹黑哨的嫌疑，這裡僅僅舉個例子）。
時至今日，牛頓的三大定律依然用途廣泛。而研究天體物理時候，依然有“後牛頓近似”、“牛頓極限”等向老牛致敬的研究方法。
古代的諡法裡，最美的諡號是“文”。
《論語·先進篇》裡也提到“文學，子游，子夏”。這裡的“文學”和今天所理解的“文學”不一樣，而“文”是一個通假字，通“紋”。
《易經》雲：“河出圖，洛出書，聖人則之。”牛頓在這裡就好比這位聖人，通過觀測，實驗等，總結出最精美，最簡練，卻幾乎能夠描述世間萬物的自然規律。他是一代宗師，他是奠定了整個物理學研究方向的人。如果英國佬也按照中國古代諡法給牛頓諡號的話，必是“文”。
話說回來，牛頓對宇宙學又有哪些貢獻呢？我們之前提到了弗裡德曼方程，這是一組描述宇宙膨脹規律的方程。而實際上，不用廣義相對論，僅用牛頓力學，也可以推導出這些方程（儘管應用價值沒有廣義相對論那麼大）。
讀到這裡，胡克、惠更斯等人含淚點了舉報。
往期回顧
（一）前言 心平氣和說宇宙（1）
（二）膨脹的宇宙心平氣和說宇宙（2）
（三）宇宙學原理心平氣和說宇宙（3）
（四）FRLW度規 心平氣和說宇宙（4）
（五）視界 心平氣和說宇宙（5）
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排版：王紀堯
『天文溼刻』 牧夫出品
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