为啥说宇宙年龄是150亿？
宇宙年龄是150亿年？这个说法其实并不完全准确。目前科学界普遍接受的宇宙年龄是大约 138亿年。之所以会听到150亿年，可能是由于一些早期的估算或者非专业人士的传播造成的误解。
那么，科学家们是怎么得出宇宙年龄是138亿年的呢？这背后可不是一个简单的数字，而是通过一系列精密的观测和物理理论推导出来的，听起来会有点像侦探破案，每一步都至关重要。
一、 从“膨胀”到“年龄”：宇宙的时光倒流术
首先，我们必须明白一个关键点：宇宙不是静止的，它在不断地膨胀。这就像你往一个气球上画了很多点，然后给气球吹气，这些点之间的距离都在变大。这个发现是由美国天文学家埃德温·哈勃在20世纪20年代通过观测遥远星系的光谱得出的。他发现，几乎所有的星系都在离我们远去，而且距离越远的星系，远离的速度越快。这就是著名的“哈勃定律”。
哈勃定律告诉我们，宇宙在膨胀。那么，如果宇宙在膨胀，是不是意味着在很久很久以前，所有东西都挤在一起，是一个密度极高、温度极高的状态？这就是“大爆炸理论”的核心思想。
科学家们就想，如果知道现在的膨胀速度（也就是哈勃常数），并且假设膨胀速度是恒定的（虽然实际不是），我们就可以把这个过程“倒放”回去，看看需要多长时间才能回到那个“起点”。这个倒放回来的时间，就是宇宙的年龄。
二、 测量宇宙的“膨胀速度”：不是一件容易的事
把宇宙“倒放”的关键在于准确测量它的“膨胀速度”，也就是哈勃常数（H₀）。这就像我们要知道一个正在远去的汽车的速度，才能估算出它是什么时候从你这里出发的。
测量哈勃常数，科学家们主要依赖两种手段：
1. 测量距离和速度：
速度很好测量： 通过观测星系发出的光的红移来测量。当一个物体远离我们时，它发出的光会向光谱的红色端移动，这种现象叫做“红移”。红移的程度越大，物体远离我们的速度就越快。
距离很难测量： 这是最棘手的部分。测量遥远天体的距离，就像是在黑暗的房间里估算你离房间另一头的那盏灯有多远，而且还要知道灯泡的真实亮度。天文学家们使用了各种“宇宙标尺”，也就是已知真实亮度的天体：
造父变星： 这是一种脉动变星，它们的亮度变化周期和真实亮度之间有明确的关系。如果能找到一个星系里的造父变星，就可以根据它的周期推算出它的真实亮度，再和我们观测到的亮度对比，就能算出它的距离。
Ia型超新星： 这是一种特定类型的白矮星爆炸产生的超新星，它们爆炸时释放的亮度非常稳定，几乎是“标准烛光”。通过观测Ia型超新星，可以测量更远的距离。
通过测量大量星系的退行速度和它们到我们的距离，科学家们就绘制出一条“距离速度”的关系图，这条图的斜率就是哈勃常数。
2. 宇宙微波背景辐射 (CMB)：
大爆炸的“余晖”： 大爆炸理论预测，宇宙在早期是一个非常炽热致密的等离子体状态。随着宇宙膨胀冷却，大约在大爆炸后38万年，电子和质子结合成中性原子，宇宙变得透明，光子得以自由传播。这些最古老的光子，经过138亿年的漫长旅程，仍然充满着宇宙，我们称之为“宇宙微波背景辐射”。
CMB的“指纹”： CMB并不是完全均匀的，它在微小的尺度上有温度涨落。这些涨落反映了早期宇宙物质密度的不均匀性，而这些不均匀性是后来形成恒星和星系的“种子”。
精确的“宇宙模型”： 通过高精度测量CMB的温度涨落，科学家们可以建立一个描述宇宙演化过程的“宇宙学模型”。这个模型包含了宇宙的组成（普通物质、暗物质、暗能量）、膨胀速率以及宇宙年龄等参数。最著名的CMB探测任务，如欧洲空间局的普朗克卫星，对CMB进行了极其精密的测量，从而得到了最准确的宇宙年龄估算。
三、 138亿年是如何“算”出来的？
综合以上两种主要方法，我们可以看到它们是如何协同作用来确定宇宙年龄的：
基于哈勃定律的估算： 早期的估算，基于有限的观测数据，哈勃常数的数值存在较大的不确定性，所以算出的宇宙年龄也范围较大，有时可能接近150亿年。但随着观测技术的发展，我们对哈勃常数的测量越来越精确。
基于CMB的精确测量： 普朗克卫星等探测器对CMB的精确测量，为“ΛCDM模型”（LambdaCDM model，即包含暗能量和冷暗物质的标准宇宙学模型）提供了坚实的证据。在这个模型框架下，通过拟合CMB的各种观测数据，可以非常精确地推算出宇宙的膨胀历史和年龄。
目前科学界最被广泛接受的138亿年的年龄，正是来自于普朗克卫星对CMB数据的分析，并结合了其他宇宙学观测（如星系巡天、重子声学振荡等）。
为什么会有150亿年这个说法？
如前所述，这可能源于：
早期不精确的测量： 在哈勃常数和宇宙学模型还没有那么精确的年代，对宇宙年龄的估算确实存在较大的误差范围。
“时间之箭”的理解偏差： 有些时候，人们可能将某些与宇宙年龄相关的其他数值（例如某些天文学家对宇宙中某些最古老恒星的年龄估算）与宇宙本身的年龄混淆了。实际上，宇宙中最早形成的恒星的年龄，也不能超过宇宙的年龄。
口头传播的误差： 在信息传播过程中，数字的变动是常有的事情。
总结来说，138亿年这个数字不是凭空捏造，而是经过了数十年的天文观测、理论计算和模型检验得出的科学结论。 科学家们就像在解一个宏大的数学题，利用宇宙膨胀、星系距离、标准烛光以及大爆炸的“余晖”（CMB）这些“线索”，一点点地拼凑出宇宙从诞生到现在的完整时间线。每当有更先进的观测设备和更完善的理论出现，我们对宇宙的认识就会更进一步，对宇宙年龄的估算也会更加精确。所以，138亿年是目前我们所能给出的最靠谱的答案。
那么，科学家们是怎么得出宇宙年龄是138亿年的呢？这背后可不是一个简单的数字，而是通过一系列精密的观测和物理理论推导出来的，听起来会有点像侦探破案，每一步都至关重要。
一、 从“膨胀”到“年龄”：宇宙的时光倒流术
首先，我们必须明白一个关键点：宇宙不是静止的，它在不断地膨胀。这就像你往一个气球上画了很多点，然后给气球吹气，这些点之间的距离都在变大。这个发现是由美国天文学家埃德温·哈勃在20世纪20年代通过观测遥远星系的光谱得出的。他发现，几乎所有的星系都在离我们远去，而且距离越远的星系，远离的速度越快。这就是著名的“哈勃定律”。
哈勃定律告诉我们，宇宙在膨胀。那么，如果宇宙在膨胀，是不是意味着在很久很久以前，所有东西都挤在一起，是一个密度极高、温度极高的状态？这就是“大爆炸理论”的核心思想。
科学家们就想，如果知道现在的膨胀速度（也就是哈勃常数），并且假设膨胀速度是恒定的（虽然实际不是），我们就可以把这个过程“倒放”回去，看看需要多长时间才能回到那个“起点”。这个倒放回来的时间，就是宇宙的年龄。
二、 测量宇宙的“膨胀速度”：不是一件容易的事
把宇宙“倒放”的关键在于准确测量它的“膨胀速度”，也就是哈勃常数（H₀）。这就像我们要知道一个正在远去的汽车的速度，才能估算出它是什么时候从你这里出发的。
测量哈勃常数，科学家们主要依赖两种手段：
1. 测量距离和速度：
速度很好测量： 通过观测星系发出的光的红移来测量。当一个物体远离我们时，它发出的光会向光谱的红色端移动，这种现象叫做“红移”。红移的程度越大，物体远离我们的速度就越快。
距离很难测量： 这是最棘手的部分。测量遥远天体的距离，就像是在黑暗的房间里估算你离房间另一头的那盏灯有多远，而且还要知道灯泡的真实亮度。天文学家们使用了各种“宇宙标尺”，也就是已知真实亮度的天体：
造父变星： 这是一种脉动变星，它们的亮度变化周期和真实亮度之间有明确的关系。如果能找到一个星系里的造父变星，就可以根据它的周期推算出它的真实亮度，再和我们观测到的亮度对比，就能算出它的距离。
Ia型超新星： 这是一种特定类型的白矮星爆炸产生的超新星，它们爆炸时释放的亮度非常稳定，几乎是“标准烛光”。通过观测Ia型超新星，可以测量更远的距离。
通过测量大量星系的退行速度和它们到我们的距离，科学家们就绘制出一条“距离速度”的关系图，这条图的斜率就是哈勃常数。
2. 宇宙微波背景辐射 (CMB)：
大爆炸的“余晖”： 大爆炸理论预测，宇宙在早期是一个非常炽热致密的等离子体状态。随着宇宙膨胀冷却，大约在大爆炸后38万年，电子和质子结合成中性原子，宇宙变得透明，光子得以自由传播。这些最古老的光子，经过138亿年的漫长旅程，仍然充满着宇宙，我们称之为“宇宙微波背景辐射”。
CMB的“指纹”： CMB并不是完全均匀的，它在微小的尺度上有温度涨落。这些涨落反映了早期宇宙物质密度的不均匀性，而这些不均匀性是后来形成恒星和星系的“种子”。
精确的“宇宙模型”： 通过高精度测量CMB的温度涨落，科学家们可以建立一个描述宇宙演化过程的“宇宙学模型”。这个模型包含了宇宙的组成（普通物质、暗物质、暗能量）、膨胀速率以及宇宙年龄等参数。最著名的CMB探测任务，如欧洲空间局的普朗克卫星，对CMB进行了极其精密的测量，从而得到了最准确的宇宙年龄估算。
三、 138亿年是如何“算”出来的？
综合以上两种主要方法，我们可以看到它们是如何协同作用来确定宇宙年龄的：
基于哈勃定律的估算： 早期的估算，基于有限的观测数据，哈勃常数的数值存在较大的不确定性，所以算出的宇宙年龄也范围较大，有时可能接近150亿年。但随着观测技术的发展，我们对哈勃常数的测量越来越精确。
基于CMB的精确测量： 普朗克卫星等探测器对CMB的精确测量，为“ΛCDM模型”（LambdaCDM model，即包含暗能量和冷暗物质的标准宇宙学模型）提供了坚实的证据。在这个模型框架下，通过拟合CMB的各种观测数据，可以非常精确地推算出宇宙的膨胀历史和年龄。
目前科学界最被广泛接受的138亿年的年龄，正是来自于普朗克卫星对CMB数据的分析，并结合了其他宇宙学观测（如星系巡天、重子声学振荡等）。
为什么会有150亿年这个说法？
如前所述，这可能源于：
早期不精确的测量： 在哈勃常数和宇宙学模型还没有那么精确的年代，对宇宙年龄的估算确实存在较大的误差范围。
“时间之箭”的理解偏差： 有些时候，人们可能将某些与宇宙年龄相关的其他数值（例如某些天文学家对宇宙中某些最古老恒星的年龄估算）与宇宙本身的年龄混淆了。实际上，宇宙中最早形成的恒星的年龄，也不能超过宇宙的年龄。
口头传播的误差： 在信息传播过程中，数字的变动是常有的事情。
总结来说，138亿年这个数字不是凭空捏造，而是经过了数十年的天文观测、理论计算和模型检验得出的科学结论。 科学家们就像在解一个宏大的数学题，利用宇宙膨胀、星系距离、标准烛光以及大爆炸的“余晖”（CMB）这些“线索”，一点点地拼凑出宇宙从诞生到现在的完整时间线。每当有更先进的观测设备和更完善的理论出现，我们对宇宙的认识就会更进一步，对宇宙年龄的估算也会更加精确。所以，138亿年是目前我们所能给出的最靠谱的答案。
网友意见
题主的疑问都是宇宙学中很常见的疑问。
按照我所知道的说法，是科学家根据可观测的距离来判断的，但为什么可以观测到是470亿光年？
现在宇宙学的主流模型是ΛCDM模型，我们说宇宙年龄大约是150亿年（实际上是137.87亿年），是基于观测数据和ΛCDM模型计算出来的，而不是根据可观测距离推断的。
哈勃曾经发现所谓的哈勃定律：星系退后的速度与星系距我们的距离成正比，比例系数就是哈勃常数。如果哈勃常数不随时间变化的话，很容易知道宇宙的年龄应恰为哈勃常数的倒数。所以我们只需要测量哈勃常数，再取倒数即可估算出宇宙的大致年龄。（当然，哈勃常数事实上是随时间变化的，所以取倒数的方法只是粗略估计，还需要宇宙各成分的占比。）
题主可能对“可观测”三字有所误解。“可观测”给人的感觉就像是由于人类技术所限，只能探测到这么多地方，随着技术的进步，可观测宇宙就会越来越大。但这个想法是误解！可观测宇宙真正的含义是：可观测宇宙是与我们有因果联系的范围，其半径等于光子从宇宙诞生那一时刻运动到现在，刚好被我们接收到所经过的距离。也就是说，可观测宇宙完全是理论上的概念，与人类技术无关，其大小在ΛCDM模型可以被计算出来。
就算地球是宇宙的边缘，观测到另一个边缘也才是300亿光年吧？
很多人会误以为“可观测宇宙半径=光速×宇宙年龄”，这就导致题主以为可观测宇宙直径是300亿光年。实际上，这是一种宇宙静态的观念。由于宇宙在膨胀，这就必然导致可观测宇宙半径>光速×宇宙年龄。根据哈勃定律v=HD，在足够远的地方星系的退行速度就超光速了，但这是由于空间本身膨胀导致的超光速（星系的局域速度没有超光速），没有传递信息，所以不违反相对论。
另外问下，150亿是指宇宙最少是在150亿年前出现，更遥远的时间我们的科学还无法断定。还是指宇宙年龄最多也就是150亿年？
在ΛCDM模型下，宇宙的picture其实是很清晰的。宇宙有一个开端，然后在各种成分的作用下不断膨胀，并永远膨胀下去。这里的150亿年就是宇宙开端到现在的时间间隔。宇宙开端之前的时间并不是well-defined的，没有讨论的必要。（当然，ΛCDM模型不一定就是正确的，但现在看来这个模型很好。）
简单介绍一下ΛCDM模型
光从字面上，这个模型就已经揭示了宇宙的主要成分是暗能量（宇宙学常数Λ）和冷暗物质（CDM，cold dark matter）。在该模型下，决定宇宙的方程主要有以下三个：
FLRW度规
弗里德曼方程
状态方程
这些方程可以由广义相对论和宇宙学原理（cosmological principle）推导出。
在ΛCDM模型下计算宇宙年龄
使用弗里德曼方程的密度参数形式
因为 ，故
故
代入数据 ， ， ， 便可计算出宇宙年龄大约就是138亿年。
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