宇宙的演化历史。宇宙在开始的时候经历一次暴涨，大约40万年形成了我们今天观测到的微波背景辐射。在某一个时期，宇宙由于未知的暗能量的作用开始加速膨胀。（© NASA/WMAP）

上个世纪天文物理学一个非凡成就是通过测量最老恒星得出的宇宙的年龄与通过观测星系退行得出的年龄相似。两个截然不同的方法相吻合让我们有理由相信这两个方法是在正确的道路上。但是得出的两个数字并不是完全一致的，科学家迅速的意识到了一个重大的差异：最老的恒星大约为120亿年，而宇宙的年龄才90亿年。你不可能比你母亲还要老， 在宇宙中的天体也不可能存在于宇宙大爆炸之前。直到1998年，当科学家发现宇宙是在加速膨胀，这个矛盾才得以解决。通过对超新星的观测，宇宙加速膨胀需要引进一个宇宙学常数才能解决这个问题。重新计算表明，宇宙存在的时间要比原先认为的久很多，大约为140亿年，这就解决了最老的恒星的问题。

注：为了使宇宙保持静态，爱因斯坦首次在他的场方程中引进了宇宙学常数。但是当哈勃发现宇宙正在膨胀的时候，爱因斯坦宣称这是他一生中最大的错误。不过，他没想到的是，宇宙加速膨胀使宇宙学常数死灰复燃。宇宙学常数是解释暗能量最自然也最简单的一个选择。

但是这个新发现又给我们出了一个新的难题：宇宙的运动由物质（而物质产生的引力使膨胀变慢）和加速度（使宇宙膨胀变快）支配。随着宇宙的膨胀，平均物质密度也会稳定的减少，随后这个值会变的越来越小。有趣的是，物质的平均密度与宇宙学常数的值在这个时期几乎相等，即所谓的宇宙巧合问题。

宇宙中不同成分的演化。虚线代表辐射密度参数，统治了早期的宇宙；点线则代表物质密度参数，随着宇宙的演化慢慢地取代辐射的统治地位；实现则代表宇宙学常数的密度参数。灰色区域代表了一个短暂的时期（我们正生活在这个时期），物质密度与暗能量密度在今天几乎相等。（© Navin Sivanandam，arXiv:1203.4197）

另一方面，物理学家认为宇宙学常数很可能是量子真空能量。这个想法非常有吸引力，但是，基于量子力学计算的真空能量值要比实际观测的能量密度大的多，要高出120个数量级，这个结果被惊叹为“物理史上最糟糕的理论预测”。这便是宇宙学常数问题，解决这个问题的方法有人择原理或多重宇宙等。

哈佛大学的天文学家Arturo Avelino和Bob Krishner刚刚发表了一篇论文呼吁大家注意另一个谜题。宇宙并不是以恒速膨胀，在宇宙演化的前90亿年间，宇宙是在放慢膨胀的步伐。但是，在过去的50亿年间，宇宙由神秘的暗能量接管，使宇宙加速膨胀。从超新星的观测数据中得出，宇宙的无量纲年龄 H₀t₀ ～ 1（H₀ ≈ 70 km s−1 Mpc−1 为哈勃常数，t₀ 为宇宙现在的年龄）。这很奇怪，因为在宇宙时间的跨度上，H₀t₀可以有广泛的取值，但是它却恰好近似于1。

H₀t(a)随着宇宙标度因子演化。黑线代表的情形是H₀t = 1，而红线对应于宇宙ΛCDM模型的取值。（© A. Avelino and R. Kirshner）

尽管这个问题听起来好像跟巧合问题相似，但作者强调这个新的谜题其实是不一样的：很明显我们生活在一个特殊的时期；其它的谜题并不暗示这一点。对这些问题的解释还未出现。如果有一些特定的新的基本粒子被发现，那么这些新粒子或许可以提供答案。但就目前来说，唯一能确定的是，我们需要更多的观测研究。

参考来源：

【1】"The Dimensionless Age of the Universe: a Riddle for Our Time," A. Avelino and R. Kirshner, ApJ 828, 35, 2016.

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