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宇宙论 圖片來自最国学

宇宙论是对宇宙的研究。其亦研究人类在宇宙中的位置。

虽然宇宙学这个词是最近才有的，但人们对宇宙的研究已经有很长的一段历史了，古希腊的托勒密是宇宙学已知的最早先驱。现代宇宙学是物理宇宙学的代名词。它摒弃宗教和纯哲学概念，借助现代物理理论、数学方法和现代天文学观测研究宇宙的成分、结构和演化。

概念

沿革

该词最早由德国沃尔弗使用。黑格尔认为宇宙论的研究包括世界的偶然性、必然性、永恒性、有限性、规律性、人的自由和恶的起源。

马克思主义哲学从唯物主义出发，其认为宇宙论的问题均由哲学世界观决定，没有单独的宇宙论。

现代宇宙学与形而上学中的本体论的区别在于：现代宇宙学通过科学观察探求这个世界什么是真实的，其推理结果是用客观经验数据来证实的。 比如《时间简史》中，霍金详细讨论了宇宙论中的客观经验数据的观察。 而形而上学本体论虽然也研究世界终极真实是什么，但其推理结果是无法用客观经验数据来证实。

现代宇宙学是物理宇宙学的代名词，它摒弃宗教和纯哲学概念，借助现代物理理论、数学方法和现代天文学观测研究宇宙的成分、结构和演化。换句话说，现代宇宙学认为宇宙本身可以在物理学的思维框架内用物理学的语言来描述，可说是人们雄心勃勃地将物理学理论应用到最大尺度上所得到的产物。现代宇宙学成功地预言了令人难以想象的观测结果并解释了令人困惑的现象（例如宇宙膨胀，宇宙微波背景辐射，化学元素丰度，星系和星系团空间分布），是现代物理科学在解释物质世界规律这一任务上的又一次辉煌的胜利。另一方面，现代宇宙学也时时为基础物理理论的研究提供灵感和挑战，例如现代宇宙学中令人困惑的暗物质和暗能量被认为基础物理理论发展的突破口之一。诺贝尔物理学奖曾多次颁发给现代宇宙学中的进展，包括1978年颁发给罗伯特·威尔逊和阿诺·彭齐亚斯（首次观测到宇宙微波背景辐射）、2006年颁发给约翰·马瑟和乔治·斯穆特（COBE卫星的领导科学家，确认微波背景辐射的黑体辐射形式和涨落） [5-6]以及2019年颁发给皮伯斯（物理宇宙学理论的奠基者之一）。

历史沿革

在过往，希腊哲学家认为天是一个天球，当中的机械原理，就成为了现时天体力学的内容。在当时，阿里斯塔克斯、亚里士多德及托勒密曾提出过几个不同的天体学理论，当中以托勒密用来解说天体运作的地心说被广为接受，直到16世纪时为哥白尼所推翻，并得到开普勒及伽利略等人提出的新日心说理论所取代。这事件成为了宇宙物理学的一个最著名的认识论断裂（epistemological rupture）的例子。

随着牛顿及其于1687年出版的《自然哲学的数学原理》的出现，长久以来有关天体的运动问题终于被解决了。牛顿为开普勒定律的机制提供了物理上的解释，而他的万有引力定律使过往难以解释的各种奇特天文现象，例如行星逆行的现象，都可以透过行星间的引力相互作用而解释。牛顿的天体学理论与先前的理论在根本上最大的分别，在于哥白尼原则只提出地球在宇宙里没有特殊地位，而牛顿却更进一步的指出：不论是天体和地球，两者皆遵守着相同的物理法则，这一点在宇宙物理学的进展来说是很重要的。

近代发展

现代宇宙学所使用的物理框架是广义相对论。广义相对论首先继承了狭义相对论的颠覆性的认识，即在物理世界中时间和空间是一个整体，根据观测者的运动状态不同，两件事发生的距离和相距的时间可以相互转化。在此基础上，广义相对论把引力纳入其理论框架，指出引力作用等同于时空的弯曲，也即物质的存在决定时空的形状，而时空的形状反过来告诉物质如何运动。从此，时空不再是物质活动的舞台，而是同样“运动着的”物理对象，它和物质之间通过爱因斯坦场方程相互影响。

如果假设物质均匀且各向同性地分布在宇宙中（即宇宙学原理），爱因斯坦的引力场方程就可以被大大简化，从而得到一组描述宇宙尺度演化的方程，称为弗里德曼方程。所有符合这一组方程的模型均为弗里德曼宇宙模型。历史上有一定影响的宇宙恒稳态理论和现在广为接受的热大爆炸宇宙模型，均是在这一基本物理框架下的模型。另一方面，人们也在发展不严格满足宇宙学原理的宇宙学理论，因为物质分布在宇宙中是有微小变化（涨落）的。

弗里德曼模型（即广义相对论加宇宙学原理）的直接推论就是宇宙的膨胀或者收缩。如果物质的总量不变，随着宇宙的收缩或膨胀，宇宙的密度就会发生改变。一些研究者认为既然时间和空间是统一的，宇宙学原理也应当要求宇宙的密度不随时间改变。稳恒态宇宙论就是为了满足这个所谓的“完美宇宙学原理（perfect cosmological principle）”的要求。这种理论是1948年由海尔曼·邦迪、托马斯·哥尔德和弗雷得·霍伊尔引入的。它假设物质不断地以准确的速率产生出来恰好维持宇宙中各处相同的平均物质密度，从而使得宇宙在一切时代都具有相同的面貌。稳恒态理论（至少它的初始形式）是一个非常大胆的理论。大爆炸理论最薄弱的一环，即初始创生的时刻被暴露出来了。既然大爆炸理论可以断言宇宙是在遥远而有限的过去一瞬间创生的，那为什么不能同样合理地断言任何时刻任何地方都在发生创造呢？

观测证据是任何理论最严格的仲裁者，它终于否定了稳恒态宇宙论的这个大胆断言。在1950年，由于进行了更精巧更有鉴别力的天文观测，稳恒态理论的提倡者逐渐修改了它的形式。因为这个理论变得越来越牵强，只剩下一些最固执的支持者还相信它。最后，稳恒态宇宙论在1965年被宇宙微波背景辐射的发现推翻了，这一发现为宇宙早期的炽热阶段提供了不容置辩的证据。稳恒态宇宙论只不过是在现代宇宙论发展过程中的一个有相当历史意义的插曲而已。 虽然人们一直敦促稳恒态理论的提出者同意宇宙膨胀开始于百亿年前的一瞬，但是关于早期宇宙行为的无数种可能的宇宙模型仍然具有活力。哥白尼宇宙学原理只能用可观测的宇宙来评判，而大爆炸理论对后者提供了极好的描述。不过，在宇宙还很年轻的早期，我们可以想象一种宇宙论和标准大爆炸模型的均匀各向同性膨胀非常不同。这种膨胀是各向异性的：在某个优先的方向上迅速膨胀而同时在另外的方向上坍缩。或者，宇宙也可能是非常不均匀的；在较密的区域可以发生局部的坍缩而形成黑洞。我们没有科学上的理由偏爱简单而规则的大爆炸模型而讨厌宇宙可能有较离奇的开端。这两种可能性同我们的物理规律都不矛盾，而天文观测也还不能鉴别它们。

尽管有无数种可能的开端，我们还可求助于人择宇宙学原理为宇宙挑出唯一的过去。按照这条原理必须承认标准大爆炸模型。因为假若宇宙以一种极不规则的方式演化，即不会有生命及人类进化出现了，其无法承载所有物理定律。所有那些混沌宇宙论经过充分长的时间以后，多半都会发展得不利于生命的存在。只有从无数种选择中挑选出来的标准大爆炸模型才能提供适合生命演化的环境。

否认人择原理的宇宙学者满足于宇宙的混沌起源。显然，这样的宇宙反推回去要花无穷长的时间，因此人们可以认为这种观点只具有学院式意义。相反，求助于人择原理的宇宙学者选择一种从初始至无穷永远保持简单的宇宙。选均匀的宇宙还是选早期混沌的宇宙，取开模型还是取闭模型，这乃是现代宇宙论面临的主要抉择。

作用

宇宙论是研究宇宙的大尺度结构和演化的学科。当我们巡视遥远的太空深处时，也就是在沿着时间上溯。我们所看到的那些最远的星系，它是很久很久以前当它们发出的光开始其漫长的太空旅行时的面貌。既然庞大的星系都曾经是年轻的，故宇宙结构如何产生的问题就同宇宙论不可分割地联系在一起。研究宇宙中可观测的结构（从巨大的星系团到太阳系）的起源属于天体演化学的领域。有待查明的根本问题包括：宇宙是何时和怎样发端的，星系是如何形成并获得我们观测到的形态及尺度分布的，恒星是如何诞生的，行星和生命是如何演化的，等等。

用例

仅仅在20年前，人们还没有什么把握来回答宇宙论和天体演化学的这些根本问题。我们对于遥远宇宙和早期宇宙的知识是如此贫乏，以至于好些很不相同的宇宙学理论似乎都可以解释观测资料。然而天文学家们作出了有关宇宙本性的激动人心的新发现，这些发现提供了压倒优势的证据支持一种宇宙学理论，即大爆炸理论。如今，人们正是在这个理论的框架内探索着宇宙论和天体演化学的根本问题。

尽管大爆炸理论还不能对所有的重大问题作出回答，可它却为我们勾画出了一幅宇宙演化的大致轮廓。在下面几章中，我们将描述那些为大爆炸理论提供了证据的发现，并将追溯宇宙从最初时刻以来的演化。可以看到，当我们试图回答宇宙论和天体演化学的某些基本问题时，新的问题和争议又会不可避免地出现。我们理论的许多细节仍然是不确定的。在这种情况下，我们可以描述一些可供选择的假说，并指出一些方向留待进一步的研究来判明。因此，我们的讨论既包含了宇宙本身的过去和未来，也包含着人类为理解它所作努力的历史和前景。

宇宙学原理

作为开始，我们要介绍一些形成任何科学的宇宙理论基础的原理。

宇宙观

自古以来，人类就不愿放弃我们在宇宙里起着中心作用的想法。先是提出了地心宇宙观，放弃地心宇宙观以后又提出了日心宇宙观。直到20世纪人们才认识到，我们的太阳不过是处在一个普普通通星系边沿的一颗普普通通的恒星。我们的星系是一个大星系团外部的一个松散星系群的一员。甚至这个星系团（即室女座星系团）同我们在宇宙中其他地方看到的真正巨大的星系团相比，也只不过是一个毫不出众的角色而已。我们在宇宙中的地位可以说是平凡到了极点。 这种用最大的光学望远镜观测得来的知识，给宇宙学者留下了一个棘手的难题。我们的观测是从宇宙中的一个特殊位置进行的，而建立一个宇宙学理论却要求一般地了解整个宇宙中物质的性质和分布。宇宙学者需要摆脱这种令人遗憾的限制，他们的办法是假设一个普适原理，这个原理要求宇宙在我们附近的部分同极遥远的区域相比没有什么差别。有很强的哲学理由来为这种普适原理辩护。举个例来说，物理学规律在全宇宙中应当是同样的；因为若不如此，实验就会不可重复，而我们的物理规律就会不成其为规律了。一个更强的要求是，大宇宙应当尽可能地简单。用可以容许的最简单模型来解释现象，这是物理学前进的自然方式。不过，宇宙学原理也有一些不同的说法。

1543年，哥白尼提出地球可能不是宇宙的中心。哥白尼学说的逻辑推广是应将我们的银河系从任何优越的空间位置挪走。于是我们得到了近代宇宙论的重要基石，即哥白尼宇宙学原理。这个原理说，我们在宇宙空间中并不处于特别优越的位置。人们研究了天文底片上的大量星系以后发现，它们的出现频率在不同方向上是颇为相似的。这一迹象表明，宇宙是局域各向同性的，从地球上看来，宇宙在不同方向上显示出相同的面貌。（从中心看一个球是各向同性的，而看一个鸡蛋就不然了。）哥白尼原理要求，宇宙在空间任何一点周围都是各向同性的。矩的反射应足以验证，点点各向同性要求宇宙在空间上也必须均匀。因为，如果宇宙是非均匀的，那么它只能在某些特定位置上显示出各向同性。

推广

某些宇宙学者曾试图把宇宙学原理推广到包括沿时间不变的概念。根据这个原理，至少在最大的尺度上宇宙是永恒不变的。于是，完美宇宙学原理说，从空间和时间中的任何一点看去，宇宙都呈现出相似的面貌。由这个假设导出的稳恒态宇宙论已被观测排除。因而，宇宙学者一般只接受宇宙学原理的较弱的形式，而我们也乐于承认，宇宙在空间（而不是时间）中是近似均匀且各向同性的。

原理

为了完备起见，我们还得谈谈人择宇宙学原理。这个原理采取的观点同完美宇宙学原理正好相反，宣称人类是在一个特定时期观察着宇宙的，尽管宇宙从空间任何点看去显得一样。假设这个特定时期是因为需要产生那些有利于生命演化的特殊条件，比方说，宇宙炽热得多或稠密得多，星系就不能形成；假如引力的强度和我们的观测值大不相同，行星系统就不能形成，或不适合于我们所知的生命形式存在。现已查明，地球的年龄和天文学家发现的最老恒星或星系的年龄相仿（顶多差4倍），这毕竟是一个惊人的符合。人择宇宙学原理用“许可”来解释这种相似性。宇宙本来可以比它实际的情形不规则和无序得多。人择宇宙学原理断言，若是那样的话，各种条件就不能容许生命存在了。因此，作为观察者，我们是生活在一个非常特殊的宇宙中，并且这个宇宙必须是均匀各向同性的。“人择”是一个非常基本的论据，因为它试图对哥白尼宇宙学原理作出解释，而后者几乎是所有有生命力的宇宙论的核心。

哈勃定律

大爆炸宇宙论认为：宇宙是由一个致密炽热的奇点于150亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。

1929年，美国天文学家哈勃提出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律，并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。宇宙并非永恒存在而是从虚无创生的思想在西方文化中可以说是根深蒂固。虽然希腊哲学家曾经考虑过永恒宇宙的可能性，但是，所有西方主要的宗教一直坚持认为宇宙是上帝在过去某个特定时刻创造的。像历史学家一样，宇宙学家意识到开启未来的钥匙在于过去。

早在1929年，埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现，即不管你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在不断膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。

1950年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向四周的空气传播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从一开始就充满整个空间的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其他每一个粒子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。"整个空间"可以指的是整个无限的宇宙，或者指的是一个就像球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。根据大爆炸宇宙论，甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志，因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低，使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。

宇宙历史

从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史：

大爆炸开始时：

150－200亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。

大爆炸后：

10-43秒 宇宙从量子背景出现。

10-35秒 同一场分解为强力、电弱力和引力。

10-5秒 10万亿度，质子和中子形成。

0.01秒 1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。

0.1秒后 300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。

1秒后 100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。

13.8秒后 30亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。

35分钟后 3亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。

大爆炸后30万年后 3000度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。

理论意义

大爆炸理论揭示了宇宙演化的壮阔景象。宇宙膨胀大约开始于200亿年前。这个初始时刻及其以前的条件纯属猜测的范畴。早期宇宙非常炽热、非常致密，同时也许还是很不规则的。这种不规则性和各向异性逐渐消失了。在大爆炸后数分钟内出现了一些核反应，宇宙中几乎所有的氦就是在那时合成的。随着膨胀的进行，宇宙逐渐变冷，就像热空气边膨胀边冷却一样。宇宙背景辐射就是这个早期时代的遗迹。人们一直恰当地把它称为原始火球的剩余辐射。根据一种宇宙演化的方案，随着宇宙中物质的冷却，它终将凝聚为原星系。原星系分裂为恒星并聚在一起成为范围广阔的巨大集团。随着头几代恒星的诞生和死亡，逐渐合成了碳、氧、硅、铁这类重元素。当恒星演化为红巨星时，它们便抛出凝结为尘粒的物质。从气体和尘埃云中形成了新一代的恒星。至少在一个这样的星云里，冷的尘埃坍缩成一个环绕恒星的薄盘。尘粒通过合并彼此附着并累积成较大的物体，这些物体在彼此引力的吸引下长大，形成从小行星到大行星的形形色色天体，这些天体就构成了太阳系。

大爆炸理论引导我们追溯整个宇宙的演化，从时间的头几毫秒到地球的形成和生命的出现，再走向可能是无限的未来。