三分钟带你了解宇宙学

简介：宇宙学是对宇宙的历史、结构和动力学的天体物理学研究。有关其第一个问题通常是宇宙何时开始？何时结束？目前宇宙学剩下的挑战是确定宇宙膨胀的速度、扩张持续时间以及扩张是否会停止或逆转。

宇宙学是研究宇宙的历史、结构和动力学的天体物理学。宇宙学一词来源于两个希腊单词，“ kosmos”表示世界，“ logos”表示知识或科学。

在过去的几个世纪中，宇宙学作为一门科学经历了广泛深刻的变化，从纯粹的哲学道路发展到了依靠精确的天文测量的现代科学。 它已经发展成为一门极其复杂的科学，包括研究比原子更小的粒子，以及研究星体、星系，甚至大到我们看得见的宇宙的形成和演化。

在宇宙学中人们通常会问到的第一个问题是：

宇宙始于何时，又将如何走向终结？

宇宙膨胀说是科学家在上个世纪才得以证明，而宇宙学的其他疑难点是仍待探讨：

1. 宇宙膨胀的速度有多快？

2.宇宙膨胀将持续多久？

3. 宇宙膨胀是否会中止或者逆转？

宇宙膨胀的速度有多快？

要回答这第一个问题，我们可以通过测量宇宙的平均质量密度，从而找出是否有足够的质量使宇宙停止当前的膨胀；其次，或者通过观测遥远星系的膨胀速度，从而提前测量出宇宙膨胀的速度是否在发生变化。

第二种方法是使用超新星和引力透镜来观测，这个方法十分有前景。这两种方法都在积极地推进，并有望在不久的将来取得结果。

宇宙膨胀可以解释为在某一时刻，宇宙密度极大、温度极高。温度极高的宇宙几乎全部由辐射物组成。 在宇宙膨胀的过程中，它慢慢冷却下来。 这个想法被称为热大爆炸模型。

宇宙背景探测器拍摄的宇宙背景辐射图

美国国家航空航天局

数十年来，宇宙膨胀的速度一直未得到测验，也备受争议。如今，观测的数据（如宇宙背景辐射(CBR)）和大量的轻元素（如氦、氘和锂）与热大爆炸模型的预测一致。

宇宙膨胀会持续多久?

这第二个问题也是被广泛研究的主题，涉及到调查暗物质是何物以及它在宇宙中扮演着何种角色?

预期结构(宇宙中的星系、星系团、超星系团)的统计特性的细节取决于宇宙中所存在的质量的大小。强有力的观测证据表明，除了有可以放射出足够多能量让现代技术探测到的发光天体之外，还有大量的不可见天体，即所谓的暗物质。

科学家认为，暗物质可能占宇宙总质量的80%以上。尽管科学家提出了一系列的模型，暗物质的本质和确切分布仍然是一个谜。暗物质最有可能是以前燃尽的恒星或者小到无法发光的恒星的普通物质。但是，这个猜测是通过大量光元素的测量而验证，它表明，大量的普通物质只能形成少部分暗物质。因此除了普通物质以外必然还有其他某些物质存在，即外来粒子。

外来粒子可能是宇宙进化最早期过程中所遗留下来的物质。鉴定这个外来暗物质是何物极为重要，可以通过直接调查或者在粒子理论的指导下开展加速器实验。目前，最为接受认可的外来暗物质候选者是弱相互作用粒子、轴粒子和质量有限的中微子。而这些粒子中，只有中微子的存在为人所知，其他粒子只存在于理论中。

宇宙膨胀会中止或者逆转吗?

宇宙目前的星系分布图是一幅由准球面空洞隔开的薄的细丝状的星系结构图。当我们观察远处的天体时，我们观察到的是宇宙的过去，因为光到达我们这里需要时间。因此，远距离探测大型天体结构的形成会受到严重的观测约束。宇宙早期含有分布不均的小型天体沉积物，如今天用宇宙背景辐射的波动所测量到的那样，随着它们自身重量的增加，这些小型天体之间碰撞的幅度和频率也增加，从而形成了今天所看到的宇宙。我们通过仔细测量正在不断远离我们的宇宙膨胀的变化，来探知过去，从而为宇宙的膨胀率建立一些数学模型，并提出能够预知未来会发生什么的理论。

这一通过观测COBE和WMAP卫星和精确测量宇宙背景辐射有效地将宇宙学从一个高度猜测性科学变成了一个预测性科学。许多人因此将现代称为“宇宙学的黄金时代”。

在本系列中，我们将更详细地讨论上述主题，并研究宇宙早期大规模结构的形成、以及零点能量物质和亚原子粒子的性质等等。

作者: Tim Trott

FY: 苏米

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