簡(jiǎn)介：宇宙學(xué)是對(duì)宇宙的歷史、結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)的天體物理學(xué)研究。有關(guān)其第一個(gè)問題通常是宇宙何時(shí)開始？何時(shí)結(jié)束？目前宇宙學(xué)剩下的挑戰(zhàn)是確定宇宙膨脹的速度、擴(kuò)張持續(xù)時(shí)間以及擴(kuò)張是否會(huì)停止或逆轉(zhuǎn)。

宇宙學(xué)是研究宇宙歷史、組成結(jié)構(gòu)和天體動(dòng)力學(xué)的天體物理學(xué)科?！坝钪鎸W(xué)”（Cosmology）一詞來源于兩個(gè)希臘單詞，“kosmos”表示世界，“l(fā)ogos”表示知識(shí)或科學(xué)。

宇宙學(xué)作為科學(xué)學(xué)科的一門，在過去的幾個(gè)世紀(jì)里經(jīng)歷了巨大的變化，它從純粹的哲學(xué)道路發(fā)展到依靠精確天文測(cè)量的現(xiàn)代科學(xué)。宇宙學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為一門極其復(fù)雜的科學(xué)，囊括了在比原子還微小的尺度上研究粒子，以及在如同可觀測(cè)宇宙般大的尺度上研究恒星、星系和其結(jié)構(gòu)的形成及演化。

在宇宙學(xué)中常被問到的第一個(gè)問題是：宇宙是何時(shí)開始又將何時(shí)結(jié)束？

直至上個(gè)世紀(jì)，科學(xué)家們才能確定宇宙正在擴(kuò)張。接下來對(duì)宇宙學(xué)的挑戰(zhàn)是要確定以下幾個(gè)問題：

1. 宇宙擴(kuò)張的速度有多快？

2. 這次宇宙擴(kuò)張現(xiàn)象會(huì)持續(xù)多久？

3. 宇宙擴(kuò)張會(huì)不會(huì)停止甚至逆轉(zhuǎn)？

宇宙擴(kuò)張的速度有多快？

要回答第一個(gè)問題，我們可以測(cè)量宇宙的平均質(zhì)量密度，并找出是否有足夠的質(zhì)量以其引力使當(dāng)前的宇宙擴(kuò)張停止。又或是第二種方法，通過觀察遙遠(yuǎn)而古早的星系的擴(kuò)張速度來測(cè)量宇宙膨脹中變化的比例系數(shù)。第二種方法中包含了一種運(yùn)用超新星觀測(cè)和重力鏡使用的有力方案。目前兩個(gè)方案都正在積極推進(jìn)中，并且有希望能在不久的將來取得成果。

宇宙擴(kuò)張論可被理解為，在宇宙中的某一點(diǎn)肯定有著極高的密度和熱量，因其熱量之高而承載了幾乎所有的輻射。隨著宇宙的擴(kuò)張，它逐漸冷卻。這一理論被稱為宇宙熱的大爆炸模型。

宇宙熱的大爆炸模型在幾十年間一直未被驗(yàn)證并飽受爭(zhēng)議。如今，像宇宙背景輻射圖（CBR）和輕元素豐度（比如氦，氘和鋰）等觀察研究數(shù)據(jù)都顯示與宇宙熱的大爆炸模型的預(yù)測(cè)相符合。

Cosmic Background Radiation map from COBE，NASA

美國航天局（NASA）宇宙背景探測(cè)器所繪制出的宇宙背景輻射圖

這次宇宙擴(kuò)張現(xiàn)象會(huì)持續(xù)多久？

第二個(gè)問題也是廣泛研究的主題，還包含了對(duì)什么是暗物質(zhì)和它在宇宙學(xué)中扮演了怎樣的角色的調(diào)查研究。

預(yù)期的宇宙物質(zhì)結(jié)構(gòu)（宇宙中的星系、星系團(tuán)、超星系團(tuán)）的統(tǒng)計(jì)特性取決于宇宙中存在的組團(tuán)質(zhì)量。有強(qiáng)有力的觀測(cè)證據(jù)表明，宇宙中除了能輻射出足以被現(xiàn)代科技技術(shù)檢測(cè)到的能量的發(fā)光物質(zhì)外，還存在大量的不可見物質(zhì)，即所謂的“暗物質(zhì)”。

科學(xué)家們認(rèn)為宇宙中的暗物質(zhì)在宇宙總質(zhì)量的占比可能高達(dá)80%以上。盡管目前已有各種理論模型，宇宙中暗物質(zhì)的特性和確切分布仍然是個(gè)謎。這種暗物質(zhì)最為明顯的候選，是以普通物質(zhì)形式存在的古老且燃盡的恒星，或是一些由于體量過小而無法發(fā)光的恒星。然而，由測(cè)量相當(dāng)數(shù)量的輕元素得到的對(duì)宇宙常規(guī)物質(zhì)豐度的預(yù)測(cè)顯示，這一類只占暗物質(zhì)組成中相當(dāng)小的一部分。暗物質(zhì)中除了宇宙中的常規(guī)物質(zhì)，一定還有其他外來物質(zhì)的存在，即奇異粒子。

奇異粒子可能是早期宇宙中某些變化過程中遺存下來的物質(zhì)。通過直接搜索和加速器實(shí)驗(yàn)，結(jié)合粒子論對(duì)開展實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)，對(duì)宇宙中這種奇異暗物質(zhì)進(jìn)行分辨并發(fā)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)是十分重要的。目前，最廣為被接受的暗物質(zhì)候選有弱相互作用大質(zhì)量粒子(WIMPs)，鈾子及有限質(zhì)量的中微子。這三者中，只有中微子是被驗(yàn)證存在的，其余兩者純屬理論。

宇宙擴(kuò)張會(huì)不會(huì)停止甚至逆轉(zhuǎn)？

當(dāng)前宇宙中的星系分布圖揭示了一個(gè)由準(zhǔn)球面巨洞分隔開的的星系細(xì)絲狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)我們觀察遠(yuǎn)距離的物體時(shí)，由于光到達(dá)我們眼前所需要的時(shí)長，我們其實(shí)是在觀察過去的宇宙。極遠(yuǎn)距離地探測(cè)大規(guī)模的結(jié)構(gòu)物為結(jié)構(gòu)形成模型提供了強(qiáng)力的觀測(cè)限制。正如今天通過宇宙背景輻射圖（CBR）中所測(cè)量的波動(dòng)那樣，早期的宇宙包含著小密度的不規(guī)則體，這些小小隆起利用它們自身的重力增大振幅，從而變成我們今天看到的整體結(jié)構(gòu)。在不斷增加的距離上仔細(xì)測(cè)量宇宙整體擴(kuò)張的變化，因此回望過去，我們可以建立一些宇宙膨脹率的數(shù)學(xué)模型，并依此提出未來宇宙將發(fā)生什么的理論。

宇宙背景探測(cè)器（COBE）和威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP）衛(wèi)星近期觀測(cè)并精確測(cè)量了宇宙背景輻射帶來的觀測(cè)結(jié)果有效地將宇宙學(xué)從一門高度推測(cè)性的科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橐婚T預(yù)測(cè)性科學(xué)。這使得許多人把現(xiàn)代稱為“宇宙學(xué)的黃金時(shí)代”。

在這系列的文章中，我們將更詳細(xì)地介紹上述的各個(gè)主題，并探討早期宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)的物質(zhì)是如何形成的，零點(diǎn)能的特性，亞原子粒子以及其他的種種。

BY:Tim Trott

FY: 墨貓

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