几千年来人类一直在观察星星，并想知道宇宙是如何形成的。但直到第一次世界大战期间，研究人员才开发出第一批观测仪器和理论工具，将这些重大问题转化为一个精确的研究领域：宇宙学。普林斯顿大学(Princeton University)宇宙学家保罗斯坦哈特(Paul Steinhardt)说：我认为宇宙学是人类感兴趣的最古老的学科之一，但也是最新型的科学之一。简单地说，宇宙学研究的是作为一个整体的宇宙，而不是单独分析充满宇宙的恒星、黑洞和星系。这个领域提出了一些重大问题：宇宙从何而来？
为什么它有恒星，星系和星系团？接下来会发生什么？纽约大学的粒子物理学家Glennys Farrar说：宇宙学正试图为宇宙的本质绘制一幅非常大的图景。因为这门学科涉及到许多现象，从真空中粒子到空间和时间的结构，宇宙学吸引了大量的领域，包括天文学、天体物理学以及越来越多的粒子物理学。宇宙学的某些部分完全属于物理学，某些部分完全属于天体物理学，还有一些部分是前后往复的，这是兴奋的一部分。
一部宇宙史
该领域的跨学科性质有助于解释其起步相对较晚的原因，直到20世纪20年代，阿尔伯特·爱因斯坦提出广义相对论之后不久，我们对宇宙的现代图景才开始融合在一起。广义相对论是一个数学框架，将引力描述为空间和时间弯曲的结果。在你理解引力的本质之前，你无法真正解释为什么事物是这样的。其他力对粒子有更大的影响，但重力是行星、恒星和星系领域的主要参与者。艾萨克·牛顿对引力的描述也经常适用于这个领域，但它把空间(和时间)当作一个刚性、不变的背景来衡量事件。
宇宙中充满了恒星、气体云、星系、黑洞等等，是为什么呢？图片：NASA Images
爱因斯坦的研究表明，空间本身可以膨胀和收缩，把宇宙从舞台转移到演员，并把它作为一个动态的研究对象带入战斗。20世纪20年代中期，天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)在加州威尔逊山天文台(Mount Wilson Observatory)用最近建成的100英寸(254厘米)胡克望远镜(Hooker telescope)进行了观测。他试图解决关于天文学家能看到的太空中某些星云位置的争论。哈勃证明了这些“星云”并不是小的、局部的云，而是巨大、遥远的星团，类似于我们的银河系——用当时的话说就是“岛屿宇宙”。
今天，我们称它们为星系，并且知道它们的数量有数万亿+。从宇宙的角度来看，最大的剧变还没有到来。哈勃在20世纪20年代末的研究表明，各个方向的星系都在加速远离我们，这引发了数十年的进一步辩论。20世纪60年代，对宇宙微波背景辐射(CMB)的最终测量（宇宙早期遗留下来的光线，后来被拉伸成微波）证明了现实与广义相对论提出的一种可能性相符：宇宙从小而热开始，就变得越来越大，越来越冷。这个概念后来被称为“大爆炸理论”，它让宇宙学家感到震惊，因为它暗示着即使是宇宙也可能有一个开始和一个结束。但至少那些天文学家可以在望远镜里看到星系的运动
宇宙学最具震撼性的转变之一是，宇宙中绝大多数物质是由某种完全看不见的东西构成（即暗物质和暗能量）。我们能看到的物质只不过是宇宙四舍五入的误差——只有宇宙中所有物质的5%。其他95%的宇宙中的第一个居民，也就是所谓的“黑暗区”，在20世纪70年代抬起了头。当时，天文学家维拉·鲁宾(Vera Rubin)意识到，星系旋转的速度如此之快，以至于它们应该把自己分开。除了难以看见的物质，使星系聚集在一起的物质必须是物理学家完全不知道的东西，除了它的引力之外，它完全忽略了普通的物质和光。后来的测绘显示，我们看到的星系只是巨大“暗物质”晕中心的核。
横跨宇宙可见物质的细丝悬挂在一个黑暗框架上，其重量是可见粒子的五倍。哈勃太空望远镜在20世纪90年代发现了一种意想不到的能量变化迹象——宇宙学家现在说，这种能量占宇宙剩余的70%，而暗物质(25%)和可见物质(5%)则是由这种能量构成——“暗能量”，可能是空间本身固有的一种能量，正以比引力把宇宙拉到一起更快的速度把宇宙推开。在万亿年后，任何留在银河系的天文学家都会发现自己身处一个真正的岛屿宇宙，被黑暗所笼罩。我们正处于宇宙历史上的一个转折点，从物质主宰宇宙到一种新能量主宰宇宙。暗物质决定了我们的过去，暗能量将决定我们的未来。
现代和未来宇宙学
目前宇宙学将这些具有里程碑意义的发现纳入最高成就——Lambda-CDM模型。这个方程组有时被称为宇宙学的标准模型，它描述了宇宙从第一个秒开始的过程。该模型假设了一定数量的暗能量(lambda，在广义相对论中表示)和冷暗物质(CDM)，并对可见物质的数量、宇宙的形状和其他特征做出了类似猜测，这些都是由实验和观察决定。如果把婴儿时期的宇宙电影往前推138亿年，宇宙学家就会得到一个快照，从统计数据上看，我们可以在一定程度上测量到一切”。当宇宙学家将对宇宙的描述推入更深的过去和未来时，这个模型代表了要突破的目标。尽管Lambda-CDM已经取得了成功，但它仍有许多问题需要解决。
1964年罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)和阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)一起发现了宇宙微波背景辐射(CMB)，为大爆炸理论奠定了坚实的基础。威尔逊和彭齐亚斯因这一发现获得1978年诺贝尔物理学奖(他们与苏联科学家彼得·卡皮察(Pyotr Kapitsa)分享了这个奖项)。图片：Clive Grainger (CfA)
宇宙学家在试图研究宇宙目前的膨胀时，得到了相互矛盾的结果，这取决于是直接在附近的星系中测量膨胀，还是从宇宙微波背景辐射中推断膨胀。这个模型也没有说明暗物质或能量的构成。然后是存在最初一秒钟的麻烦，那时宇宙大概从无限小的点变成了相对行为良好的气泡。“膨胀”是一个试图处理这一时期的流行理论，它解释了一个更快速膨胀的短暂瞬间，是如何将极小的原始变化变成今天星系的大规模不均匀性，以及Lambda-CDM输入值是如何得到它们的值的。然而，没有人知道膨胀是如何具体发生的，也没有人知道为什么它会在它可能发生的地方停止。
科学家使用宇宙距离阶梯来测量宇宙的膨胀率，梯子在这里象征性地显示，是一系列恒星和星系内的其他已知距离的物体。通过将这些距离测量数据与物体远离我们的速度相结合，科学家可以计算出膨胀率。图片：NASA/JPL-Caltech
膨胀应该在空间的许多区域继续存在，这意味着我们的宇宙只是包含所有可能的物理现实“多元宇宙”的一个部分——许多实验主义者发现这是一个令人不安的不可检验想法。为了在这类问题上取得进展，宇宙学家们将目光投向了哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)和即将推出的詹姆斯-韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)等太空望远镜的精确测量，以及美国国家科学基金会(National Science Foundation)的激光干涉仪引力波天文台(Laser Interferometer gravity - wave Observatory)等新兴引力波天文学领域的实验。
如果存在多个宇宙，它们可能会相互碰撞，并在宇宙微波背景辐射中留下痕迹。图片：Stephen Feeney/UCL
宇宙学家也加入了粒子物理学家和天体物理学家的跨学科竞赛，来探测暗物质粒子。就像宇宙学要等到其他物理学分支成熟后才能开始一样，它也要等到其他领域更加完善后才能揭示宇宙的历史。为了把事情弄清楚，必须从本质上找出所有的物理定律，在所有的能量尺度和所有的条件下。其中任何一个的改变都可能从根本上改变宇宙学的故事。不知道这是否会发生，但令人惊讶的是，人们已经尽可能多地掌握了宇宙的复杂性，人类的大脑已经进化到这些问题可以得到解答的程度，至少有一些人可以，像小编的大脑就不行了，呜呜呜┭┮﹏┭┮
博科园-科学科普｜文: Charlie Wood/Live Science
参考资料: ESA/Hubble/NASA/CfA/JPL
发表于 2019-5-3 13:58
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