宇宙学可能是一门很难掌握的学科，因为它是物理学中涉及许多其他领域的研究领域(虽然，事实上，现在几乎所有物理学领域的研究都涉及到许多其他领域。）什么是宇宙学？研究它的人（称为宇宙学家）实际上做什么？有什么证据支持他们的工作？

宇宙学一瞥

宇宙学是研究宇宙起源和最终命运的科学学科。它与天文学和天体物理学的特定领域关系最为密切，尽管上个世纪也使宇宙学与粒子物理学的关键见解紧密一致。

换句话说，我们实现了一个迷人的认识：

Our understanding of modern cosmology comes from connecting the behavior of the largest structures in our universe (planets, stars, galaxies, and galaxy clusters) together with those of the smallest structures in our universe (fundamental particles).

宇宙学史

宇宙学的研究可能是对自然进行推测性研究的最古老的形式之一，它始于历史上的某个时刻，当时一位古代人类仰望天空，提出了如下问题：

• 我们是怎么来到这里的？
• 夜空中发生了什么？
• 宇宙中只有我们吗？
• 天空中那些闪亮的东西是什么？

你明白了。

古人提出了一些很好的解释。在西方科学传统中，最主要的是古希腊人的物理学，他们开发了一个全面的地心宇宙模型，该模型经过几个世纪的改进，直到托勒密时代，在这一点上，宇宙学实际上在几个世纪内没有进一步发展，除了一些关于系统各部件速度的细节。

1543年，尼古拉斯·哥白尼（Nicolaus Copernicus）在临终前出版了他的天文学著作（预计这将引起与天主教会的争议），概述了他太阳系日心模型的证据，这是该领域的下一个重大进展。促使这种思维转变的关键洞见是这样一种观念：没有真正的理由认为地球在物质宇宙中具有根本上的特权地位。这种假设的变化被称为哥白尼原理。哥白尼的日心模型在第谷·布拉赫、伽利略·伽利略和约翰·开普勒的工作基础上变得更加流行和被接受，他们积累了大量实验证据支持哥白尼的日心模型。

然而，正是艾萨克·牛顿爵士将所有这些发现结合起来，真正解释了行星运动。他凭直觉和洞察力认识到落在地球上的物体的运动与绕地球运行的物体的运动相似（本质上，这些物体不断地围绕地球下落）。由于这个运动是相似的，他意识到它可能是由相同的力引起的，他称之为重力。通过仔细观察和新数学的发展，称为微积分和他的三个运动定律，牛顿能够创建描述各种情况下这种运动的方程。

虽然牛顿的万有引力定律可以用来预测天空的运动，但有一个问题。。。目前还不清楚它是如何工作的。该理论提出，具有质量的物体在空间中相互吸引，但牛顿无法对重力实现这一点的机制做出科学解释。为了解释这种莫名其妙的现象，牛顿依赖于对上帝的一般呼吁，基本上，物体的这种行为是对上帝在宇宙中完美存在的回应。要得到一个物理解释要等两个多世纪，直到一个天才的到来，他的智力甚至可以超过牛顿。

广义相对论与大爆炸

牛顿的宇宙学一直主宰着科学，直到二十世纪初，阿尔伯特·爱因斯坦发展了他的广义相对论，重新定义了对引力的科学理解。在爱因斯坦的新公式中，重力是由4维时空的弯曲引起的，以响应行星、恒星甚至星系等大质量物体的存在。

这个新公式的一个有趣的含义是时空本身并不平衡。在相当短的时间内，科学家们意识到广义相对论预言时空会膨胀或收缩。相信爱因斯坦认为宇宙实际上是永恒的，他在理论中引入了一个宇宙常数，它提供了一个压力来抵消膨胀或收缩。然而，当天文学家埃德温·哈勃最终发现宇宙实际上正在膨胀时，爱因斯坦意识到他犯了一个错误，并从理论中删除了宇宙常数。

如果宇宙在膨胀，那么自然的结论是，如果你要让宇宙倒转，你会看到它一定是从一个微小、致密的物质团开始的。这个关于宇宙起源的理论被称为大爆炸理论。在二十世纪中叶，这是一个有争议的理论，因为它与弗雷德·霍伊尔的稳态理论争夺主导地位。然而，1965年宇宙微波背景辐射的发现证实了一个与大爆炸有关的预测，因此它被物理学家广泛接受。

虽然霍伊尔的稳态理论被证明是错误的，但他被认为是恒星核合成理论的主要发展方向。恒星核合成理论认为氢和其他轻原子在称为恒星的核坩埚中转化为较重的原子，并在恒星死后吐出到宇宙中。这些较重的原子随后形成水、行星，最终形成地球上的生命，包括人类！因此，用许多令人敬畏的宇宙学家的话来说，我们都是由星尘形成的。

不管怎样，回到宇宙的演化上来。随着科学家获得更多关于宇宙的信息，并更仔细地测量宇宙微波背景辐射，出现了一个问题。随着对天文数据的详细测量，很明显，量子物理学的概念需要在理解宇宙早期阶段和演化中发挥更大的作用。这个理论宇宙学的领域，虽然仍然是高度推测性的，但已经变得相当丰富，有时被称为量子宇宙学。

量子物理学表明，宇宙在能量和物质上非常接近均匀，但并非完全均匀。然而，早期宇宙中的任何波动都会在宇宙膨胀的数十亿年中大大膨胀。。。而且波动比人们预期的要小得多。因此，宇宙学家必须找到一种解释早期宇宙不均匀性的方法，但这种不均匀性只有极小的波动。

艾伦·古思（Alan Guth）是一位粒子物理学家，他在1980年随着通货膨胀理论的发展解决了这个问题。早期宇宙中的涨落是微小的量子涨落，但由于超快速膨胀期，它们在早期宇宙中迅速膨胀。1980年以来的天文观测支持了膨胀理论的预测，现在这是大多数宇宙学家的共识。

现代宇宙学之谜

尽管宇宙学在上个世纪取得了很大进步，但仍有一些未解之谜。事实上，现代物理学的两个核心谜团是宇宙学和天体物理学的主要问题：

• 暗物质——一些星系的运动方式无法根据其内部观察到的物质量（称为“可见物质”）来完全解释，但如果星系中存在额外的不可见物质，则可以解释。根据最近的测量，这个额外的物质被称为暗物质，据预测它将占据宇宙的25%。除了天文观测之外，地球上的实验，如低温暗物质搜索（CDMS）也试图直接观测暗物质。
• 暗能量-1998年，天文学家试图探测宇宙减速的速度。。。但他们发现这并没有放缓。事实上，加速速度正在加快。看来爱因斯坦的宇宙常数终究是需要的，但它并没有将宇宙保持为一种平衡状态，反而似乎随着时间的推移，将星系以越来越快的速度分开。究竟是什么导致了这种“排斥引力”尚不清楚，但物理学家给这种物质起的名字是“暗能量”。天文观测预测，这种暗能量约占宇宙物质的70%。

还有一些其他的建议可以解释这些不寻常的结果，如修正牛顿动力学（MOND）和光速变化宇宙学，但这些替代方案被认为是边缘理论，在该领域的许多物理学家中不被接受。

宇宙起源

值得注意的是，大爆炸理论实际上描述了宇宙诞生后不久的演化方式，但无法提供任何有关宇宙实际起源的直接信息。

这并不是说物理学不能告诉我们宇宙的起源。当物理学家探索空间的最小尺度时，他们发现量子物理学产生了虚拟粒子，卡西米尔效应就是明证。事实上，通货膨胀理论预测，在没有任何物质或能量的情况下，时空会膨胀。因此，从表面上看，这为科学家们提供了宇宙最初如何形成的合理解释。如果有一个真正的“无”，没有物质，没有能量，没有时空，那么没有东西是不稳定的，会开始产生物质，能量，和一个扩展的时空。这是《伟大的设计》和《从无到有的宇宙》等书的中心论题，这些书假定宇宙可以在没有提到超自然造物主神的情况下被解释。

人类在宇宙学中的作用

认识到地球不是宇宙的中心这一点在宇宙学、哲学甚至神学上的重要性是很难过分强调的。从这个意义上说，宇宙学是产生与传统宗教世界观相冲突的证据的最早领域之一。事实上，宇宙学的每一项进步似乎都与我们最珍视的假设背道而驰，这些假设是关于人类作为一个物种的特殊性的。。。至少在宇宙史上是这样。斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）和伦纳德·姆洛迪诺（Leonard Mlodinow）的《宏伟设计》中的这一段雄辩地阐述了宇宙学思维的转变：

Nicolaus Copernicus' heliocentric model of the solar system is acknowledged as the first convincing scientific demonstration that we humans are not the focal point of the cosmos.... We now realize that Copernicus' result is but one of a series of nested demotions overthrowing long-held assumptions regarding humanity's special status: we're not located at the center of the solar system, we're not located at the center of the galaxy, we're not located at the center of the universe, we're not even made of the dark ingredients constituting the vast majority of the universe's mass. Such cosmic downgrading ... exemplifies what scientists now call the Copernican principle: in the grand scheme of things, everything we know points toward human beings not occupying a privileged position.