幾千年來(lái)人類(lèi)一直在觀察星星，并想知道宇宙是如何形成的。但直到第一次世界大戰(zhàn)期間，研究人員才開(kāi)發(fā)出第一批觀測(cè)儀器和理論工具，將這些重大問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)精確的研究領(lǐng)域：宇宙學(xué)。普林斯頓大學(xué)(Princeton University)宇宙學(xué)家保羅斯坦哈特(Paul Steinhardt)說(shuō)：我認(rèn)為宇宙學(xué)是人類(lèi)感興趣的最古老的學(xué)科之一，但也是最新型的科學(xué)之一。簡(jiǎn)單地說(shuō)，宇宙學(xué)研究的是作為一個(gè)整體的宇宙，而不是單獨(dú)分析充滿(mǎn)宇宙的恒星、黑洞和星系。這個(gè)領(lǐng)域提出了一些重大問(wèn)題：宇宙從何而來(lái)？
為什么它有恒星，星系和星系團(tuán)？接下來(lái)會(huì)發(fā)生什么？紐約大學(xué)的粒子物理學(xué)家Glennys Farrar說(shuō)：宇宙學(xué)正試圖為宇宙的本質(zhì)繪制一幅非常大的圖景。因?yàn)檫@門(mén)學(xué)科涉及到許多現(xiàn)象，從真空中粒子到空間和時(shí)間的結(jié)構(gòu)，宇宙學(xué)吸引了大量的領(lǐng)域，包括天文學(xué)、天體物理學(xué)以及越來(lái)越多的粒子物理學(xué)。宇宙學(xué)的某些部分完全屬于物理學(xué)，某些部分完全屬于天體物理學(xué)，還有一些部分是前后往復(fù)的，這是興奮的一部分。
該領(lǐng)域的跨學(xué)科性質(zhì)有助于解釋其起步相對(duì)較晚的原因，直到20世紀(jì)20年代，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論之后不久，我們對(duì)宇宙的現(xiàn)代圖景才開(kāi)始融合在一起。廣義相對(duì)論是一個(gè)數(shù)學(xué)框架，將引力描述為空間和時(shí)間彎曲的結(jié)果。在你理解引力的本質(zhì)之前，你無(wú)法真正解釋為什么事物是這樣的。其他力對(duì)粒子有更大的影響，但重力是行星、恒星和星系領(lǐng)域的主要參與者。艾薩克·牛頓對(duì)引力的描述也經(jīng)常適用于這個(gè)領(lǐng)域，但它把空間(和時(shí)間)當(dāng)作一個(gè)剛性、不變的背景來(lái)衡量事件。
宇宙中充滿(mǎn)了恒星、氣體云、星系、黑洞等等，是為什么呢？圖片：NASA Images
愛(ài)因斯坦的研究表明，空間本身可以膨脹和收縮，把宇宙從舞臺(tái)轉(zhuǎn)移到演員，并把它作為一個(gè)動(dòng)態(tài)的研究對(duì)象帶入戰(zhàn)斗。20世紀(jì)20年代中期，天文學(xué)家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)在加州威爾遜山天文臺(tái)(Mount Wilson Observatory)用最近建成的100英寸(254厘米)胡克望遠(yuǎn)鏡(Hooker telescope)進(jìn)行了觀測(cè)。他試圖解決關(guān)于天文學(xué)家能看到的太空中某些星云位置的爭(zhēng)論。哈勃證明了這些“星云”并不是小的、局部的云，而是巨大、遙遠(yuǎn)的星團(tuán)，類(lèi)似于我們的銀河系——用當(dāng)時(shí)的話(huà)說(shuō)就是“島嶼宇宙”。
今天，我們稱(chēng)它們?yōu)?strong>星系，并且知道它們的數(shù)量有數(shù)萬(wàn)億+。從宇宙的角度來(lái)看，最大的劇變還沒(méi)有到來(lái)。哈勃在20世紀(jì)20年代末的研究表明，各個(gè)方向的星系都在加速遠(yuǎn)離我們，這引發(fā)了數(shù)十年的進(jìn)一步辯論。20世紀(jì)60年代，對(duì)宇宙微波背景輻射(CMB)的最終測(cè)量（宇宙早期遺留下來(lái)的光線(xiàn)，后來(lái)被拉伸成微波）證明了現(xiàn)實(shí)與廣義相對(duì)論提出的一種可能性相符：宇宙從小而熱開(kāi)始，就變得越來(lái)越大，越來(lái)越冷。這個(gè)概念后來(lái)被稱(chēng)為“大爆炸理論”，它讓宇宙學(xué)家感到震驚，因?yàn)樗凳局?strong>即使是宇宙也可能有一個(gè)開(kāi)始和一個(gè)結(jié)束。但至少那些天文學(xué)家可以在望遠(yuǎn)鏡里看到星系的運(yùn)動(dòng)
宇宙學(xué)最具震撼性的轉(zhuǎn)變之一是，宇宙中絕大多數(shù)物質(zhì)是由某種完全看不見(jiàn)的東西構(gòu)成（即暗物質(zhì)和暗能量）。我們能看到的物質(zhì)只不過(guò)是宇宙四舍五入的誤差——只有宇宙中所有物質(zhì)的5%。其他95%的宇宙中的第一個(gè)居民，也就是所謂的“黑暗區(qū)”，在20世紀(jì)70年代抬起了頭。當(dāng)時(shí)，天文學(xué)家維拉·魯賓(Vera Rubin)意識(shí)到，星系旋轉(zhuǎn)的速度如此之快，以至于它們應(yīng)該把自己分開(kāi)。除了難以看見(jiàn)的物質(zhì)，使星系聚集在一起的物質(zhì)必須是物理學(xué)家完全不知道的東西，除了它的引力之外，它完全忽略了普通的物質(zhì)和光。后來(lái)的測(cè)繪顯示，我們看到的星系只是巨大“暗物質(zhì)”暈中心的核。
橫跨宇宙可見(jiàn)物質(zhì)的細(xì)絲懸掛在一個(gè)黑暗框架上，其重量是可見(jiàn)粒子的五倍。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)了一種意想不到的能量變化跡象——宇宙學(xué)家現(xiàn)在說(shuō)，這種能量占宇宙剩余的70%，而暗物質(zhì)(25%)和可見(jiàn)物質(zhì)(5%)則是由這種能量構(gòu)成——“暗能量”，可能是空間本身固有的一種能量，正以比引力把宇宙拉到一起更快的速度把宇宙推開(kāi)。在萬(wàn)億年后，任何留在銀河系的天文學(xué)家都會(huì)發(fā)現(xiàn)自己身處一個(gè)真正的島嶼宇宙，被黑暗所籠罩。我們正處于宇宙歷史上的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，從物質(zhì)主宰宇宙到一種新能量主宰宇宙。暗物質(zhì)決定了我們的過(guò)去，暗能量將決定我們的未來(lái)。
目前宇宙學(xué)將這些具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)納入最高成就——Lambda-CDM模型。這個(gè)方程組有時(shí)被稱(chēng)為宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，它描述了宇宙從第一個(gè)秒開(kāi)始的過(guò)程。該模型假設(shè)了一定數(shù)量的暗能量(lambda，在廣義相對(duì)論中表示)和冷暗物質(zhì)(CDM)，并對(duì)可見(jiàn)物質(zhì)的數(shù)量、宇宙的形狀和其他特征做出了類(lèi)似猜測(cè)，這些都是由實(shí)驗(yàn)和觀察決定。如果把嬰兒時(shí)期的宇宙電影往前推138億年，宇宙學(xué)家就會(huì)得到一個(gè)快照，從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上看，我們可以在一定程度上測(cè)量到一切”。當(dāng)宇宙學(xué)家將對(duì)宇宙的描述推入更深的過(guò)去和未來(lái)時(shí)，這個(gè)模型代表了要突破的目標(biāo)。盡管Lambda-CDM已經(jīng)取得了成功，但它仍有許多問(wèn)題需要解決。
1964年羅伯特·威爾遜(Robert Wilson)和阿諾·彭齊亞斯(Arno Penzias)一起發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射(CMB)，為大爆炸理論奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。威爾遜和彭齊亞斯因這一發(fā)現(xiàn)獲得1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)(他們與蘇聯(lián)科學(xué)家彼得·卡皮察(Pyotr Kapitsa)分享了這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng))。圖片：Clive Grainger (CfA)
宇宙學(xué)家在試圖研究宇宙目前的膨脹時(shí)，得到了相互矛盾的結(jié)果，這取決于是直接在附近的星系中測(cè)量膨脹，還是從宇宙微波背景輻射中推斷膨脹。這個(gè)模型也沒(méi)有說(shuō)明暗物質(zhì)或能量的構(gòu)成。然后是存在最初一秒鐘的麻煩，那時(shí)宇宙大概從無(wú)限小的點(diǎn)變成了相對(duì)行為良好的氣泡?！芭蛎洝笔且粋€(gè)試圖處理這一時(shí)期的流行理論，它解釋了一個(gè)更快速膨脹的短暫瞬間，是如何將極小的原始變化變成今天星系的大規(guī)模不均勻性，以及Lambda-CDM輸入值是如何得到它們的值的。然而，沒(méi)有人知道膨脹是如何具體發(fā)生的，也沒(méi)有人知道為什么它會(huì)在它可能發(fā)生的地方停止。
科學(xué)家使用宇宙距離階梯來(lái)測(cè)量宇宙的膨脹率，梯子在這里象征性地顯示，是一系列恒星和星系內(nèi)的其他已知距離的物體。通過(guò)將這些距離測(cè)量數(shù)據(jù)與物體遠(yuǎn)離我們的速度相結(jié)合，科學(xué)家可以計(jì)算出膨脹率。圖片：NASA/JPL-Caltech
膨脹應(yīng)該在空間的許多區(qū)域繼續(xù)存在，這意味著我們的宇宙只是包含所有可能的物理現(xiàn)實(shí)“多元宇宙”的一個(gè)部分——許多實(shí)驗(yàn)主義者發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)令人不安的不可檢驗(yàn)想法。為了在這類(lèi)問(wèn)題上取得進(jìn)展，宇宙學(xué)家們將目光投向了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡(Hubble Space Telescope)和即將推出的詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(James Webb Space Telescope)等太空望遠(yuǎn)鏡的精確測(cè)量，以及美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation)的激光干涉儀引力波天文臺(tái)(Laser Interferometer gravity - wave Observatory)等新興引力波天文學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)。
如果存在多個(gè)宇宙，它們可能會(huì)相互碰撞，并在宇宙微波背景輻射中留下痕跡。圖片：Stephen Feeney/UCL
宇宙學(xué)家也加入了粒子物理學(xué)家和天體物理學(xué)家的跨學(xué)科競(jìng)賽，來(lái)探測(cè)暗物質(zhì)粒子。就像宇宙學(xué)要等到其他物理學(xué)分支成熟后才能開(kāi)始一樣，它也要等到其他領(lǐng)域更加完善后才能揭示宇宙的歷史。為了把事情弄清楚，必須從本質(zhì)上找出所有的物理定律，在所有的能量尺度和所有的條件下。其中任何一個(gè)的改變都可能從根本上改變宇宙學(xué)的故事。不知道這是否會(huì)發(fā)生，但令人驚訝的是，人們已經(jīng)盡可能多地掌握了宇宙的復(fù)雜性，人類(lèi)的大腦已經(jīng)進(jìn)化到這些問(wèn)題可以得到解答的程度，至少有一些人可以，像小編的大腦就不行了，嗚嗚嗚┭┮﹏┭┮
博科園-科學(xué)科普｜文: Charlie Wood/Live Science
參考資料: ESA/Hubble/NASA/CfA/JPL
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