關於宇宙和地球年齡的科學研究

【明慧網二零零二年八月十一日】（明慧通訊員報導）目前估計宇宙年齡主要有兩種方法。第一種方法是測定球狀星系中最暗的白矮星的年齡，其基礎是目前的星系演化理論。現在科學家認為球狀星系是宇宙中最古老的星系，白矮星是星系中最古老的星體，而且越暗淡的白矮星越古老。白矮星是質量與太陽相當但體積僅與地球相當的一種星體，所以其密度是水的一百萬倍以上。白矮星由於熱輻射發光而逐漸冷卻，通過估算白矮星冷卻的時間，科學家們可以推斷出白矮星的年齡從而估算出宇宙的年齡。

從最新哈勃望遠鏡觀測到的白矮星數據，科學家們推斷宇宙年齡在130-140億年之間。另外一種方法是哈勃常數(H0)法，其基礎是目前流行的宇宙大爆炸理論。現代天文觀測顯示我們的宇宙正在膨脹，所以星系之間的距離在逐漸增加。哈勃定律指出星系之間的退行速度(v)和它們之間的距離(d)有一個簡單的正比關係，v=H0×d，假定哈勃常數(H0)不隨宇宙年齡而變化，測出了兩個星系間的退行速度和距離，1/H0=d/v就給出了自從大爆炸兩個星系分開經歷的時間，也就是宇宙自大爆炸以來的所經歷的時間。目前用這種方法得到的宇宙年齡約為130億年。但是最近的觀測表明宇宙受一種神秘的力量所推動，正在加速膨脹，所以哈勃常數並不是恆定不變的。而且最近的一些天文發現(如古老星系中眾多新星體的產生，星河的重組與更新，大量新星體的暴生，神秘的暗物質，頻繁的ＧＡＭＭＡ爆等等)表明，現代科學對宇宙的認識還很不全面，因此對宇宙的年齡的推斷很可能是有侷限的。

目前層出不窮的天文新發現已經對現有的宇宙學理論提出了強有力的挑戰，科學家們對宇宙的看法也在逐漸改變。普林斯頓大學教授保爾.斯坦哈特(Paul Steinhardt)和英國劍橋大學教授內耳.圖羅克(Neil Turok)最近提出了宇宙循環爆炸重組的模型。該理論認為，宇宙無始無終，不斷處於從生長到消亡的循環過程中。據BBC報導，提出這個理論的宇宙學家們說，宇宙必然是這樣，這才可以解釋宇宙間一個重大的疑團：為甚麼星體和各星系都在背道而馳(宇宙膨脹)，越離越遠。宇宙原本已經奇幻莫測，有黑洞、夸剋星，還有不斷從無到有、又從有到無的粒子。斯坦哈特說，這些公式預測宇宙無始、無終，一次次宇宙大爆炸將會永不止息，不斷發生。他說：「我們這幅圖畫所提出的大爆炸並非時間的開端，而只是一連串爆炸循環當中的最新一次而已。在這些循環當中，宇宙經歷加熱、膨脹、冷卻、停滯、空虛，然後再度膨脹。」根據這個理論，宇宙將會繼續膨脹，然後在宇宙某個角落發生另一次大爆炸，一切重新開始。他們指出，如今的宇宙是在上個宇宙的塵埃中誕生的。目前科學家正在地球上和太空中建造新一代的儀器來證實或者否定宇宙無始無終的說法。

現在科學界所公認的測定地球年齡的方法是放射性同位素半衰期法。其方法是測定古老岩石中放射性衰變的母元素和一些子元素的含量關係(所謂的等時線)來推斷地球的年齡。這個方法的假設主要有三條：一是地球最初是由星際氣體匯聚而成，慢慢冷卻後形成現在發現的古岩石；二是這些古岩石中的礦物質或結晶基本是與外界隔絕的，也就是自其形成以來沒有與外界發生物質交換；三是用於測定年齡的岩石中的放射性同位素半衰期在漫長的時間裏是基本恆定不變的。用這種方法測定地球上最古老的岩石得到的地球的年齡約是38-39億年，月球上的岩石更古老一些, 約是45億年。現在科學界所認為的地球年齡45.4億年實際上是從太陽系中的最古老的隕石年齡推斷的，因為科學家認為它們應當有相同年齡。

但是用這種方法得到的地球年齡嚴格來說只是構成地球的岩石年齡。如果地球並不是現在科學家們認為的是從星際氣體匯聚而成，而是由太空中的大塊岩石通過某種機制聚合而成，那麼岩石的年齡就可能與地球年齡大相徑庭。就好比我們用測定房子的基石年齡來推斷一座房子的年齡一樣，得到結果肯定比房子的實際年齡要大得多。更好方法也許是通過觀測房子橫樑上集灰的厚度或者房子被侵蝕的程度來推斷房子的年齡。對於地球年齡也一樣。實際上歷史上的確有不少人從地球上沉積物的厚度來推斷地球的年齡而且得到的年齡比放射性同位素法得到的結果普遍要小得多。比較有影響的如A.凱基(A.Keikie)在1868年, 1899年和T.H.胡胥利(T. H. Huxley)在1869年得到的結果一億年；J.約力 (J. Joly, 1908)和W.J.蘇勒士(W.J.Sullas, 1909)的八千萬年 ；T.M.李德(T.Mellard Reade，1893)的九千五百萬年；以及查爾斯 D.沃爾科特(Charles D. Walcott, 1893)的三千五百萬到八千萬年。在現代同位素半衰期法測定地球年齡佔主導以後這些方法就逐漸被人們遺忘了。主要原因是這些結果比同位素半衰期法得到的結果小很多，科學家們認為地球的年齡應該和地球上的岩石年齡一樣；還有這些方法涉及一些複雜的地球地質演化過程，有些數據難於精確估算等等。

目前的天文研究表明我們的地球在歷史上可能曾經發生過很大的變動。例如：

位於麻省的哈佛--史密蘇年小型行星研究中心 (the Minor Planets Center of the Harvard-Smithsonian Center)的天文學家迪姆.斯帕爾( Tim Spahr )博士認為，從統計上來講，每隔一億年就會有一顆直徑為六英里的小行星與地球相撞，使地球發生劇烈的變化。　

科學家們原來認為元素的半衰變期是不隨時間變化的。但是最近一期8月8日的自然雜誌(第418卷,602頁)發表了一篇文章，澳洲南威爾士大學的一組天文學家通過研究古老星系中的原子光譜發現精細結構常數是隨時間變化的。他們由此推斷光速不是隨時間不變的常數。因為元素的半衰變期和光速有關，因而也可能是隨時間變化的。如果真是這樣，用元素半衰變期測到的岩石的年齡可能都是有疑問的。

參考資料：
1.https://oposite.stsci.edu/pubinfo/PR/2002/10/pr.html
2.https://www.nature.com/cgi-taf/DynaPage.taf?file=/nature/journal/v418/n6898/full/418602a_fs.html
3.Webb, J. K. et al. Phys. Rev. Lett. 87, 091301 (2001).
4.Murphy, M. T. et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. 327, 1208-1222 (2001).
5.https://science.nasa.gov/newhome/headlines/ast25may99_1.htm　
6.Dalrymple, G. Brent, 1991, The Age of the Earth: Stanford, Calif., Stanford University Press.
7. https://oposite.stsci.edu/pubinfo/PR/2002/10/index.html