当谈论宇宙学时，我们在探究什么？

zhangzijun

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。
宇宙学是研究宇宙历史、组成结构和天体动力学的天体物理学科。“宇宙学”（Cosmology）一词来源于两个希腊单词，“kosmos”表示世界，“logos”表示知识或科学。
宇宙学作为科学学科的一门，在过去的几个世纪里经历了巨大的变化，它从纯粹的哲学道路发展到依靠精确天文测量的现代科学。宇宙学已经发展成为一门极其复杂的科学，囊括了在比原子还微小的尺度上研究粒子，以及在如同可观测宇宙般大的尺度上研究恒星、星系和其结构的形成及演化。

在宇宙学中常被问到的第一个问题是：宇宙是何时开始又将何时结束？
直至上个世纪，科学家们才能确定宇宙正在扩张。接下来对宇宙学的挑战是要确定以下几个问题：
1.        宇宙扩张的速度有多快？
2.        这次宇宙扩张现象会持续多久？
3.        宇宙扩张会不会停止甚至逆转？
宇宙扩张的速度有多快？
要回答第一个问题，我们可以测量宇宙的平均质量密度，并找出是否有足够的质量以其引力使当前的宇宙扩张停止。又或是第二种方法，通过观察遥远而古早的星系的扩张速度来测量宇宙膨胀中变化的比例系数。第二种方法中包含了一种运用超新星观测和重力镜使用的有力方案。目前两个方案都正在积极推进中，并且有希望能在不久的将来取得成果。

宇宙扩张论可被理解为，在宇宙中的某一点肯定有着极高的密度和热量，因其热量之高而承载了几乎所有的辐射。随着宇宙的扩张，它逐渐冷却。这一理论被称为宇宙热的大爆炸模型。
宇宙热的大爆炸模型在几十年间一直未被验证并饱受争议。如今，像宇宙背景辐射图（CBR）和轻元素丰度（比如氦，氘和锂）等观察研究数据都显示与宇宙热的大爆炸模型的预测相符合。

CosmicBackground Radiation map from COBE，NASA
美国航天局（NASA）宇宙背景探测器所绘制出的宇宙背景辐射图
这次宇宙扩张现象会持续多久？
第二个问题也是广泛研究的主题，还包含了对什么是暗物质和它在宇宙学中扮演了怎样的角色的调查研究。

预期的宇宙物质结构（宇宙中的星系、星系团、超星系团）的统计特性取决于宇宙中存在的组团质量。有强有力的观测证据表明，宇宙中除了能辐射出足以被现代科技技术检测到的能量的发光物质外，还存在大量的不可见物质，即所谓的“暗物质”。

科学家们认为宇宙中的暗物质在宇宙总质量的占比可能高达80%以上。尽管目前已有各种理论模型，宇宙中暗物质的特性和确切分布仍然是个谜。这种暗物质最为明显的候选，是以普通物质形式存在的古老且燃尽的恒星，或是一些由于体量过小而无法发光的恒星。然而，由测量相当数量的轻元素得到的对宇宙常规物质丰度的预测显示，这一类只占暗物质组成中相当小的一部分。暗物质中除了宇宙中的常规物质，一定还有其他外来物质的存在，即奇异粒子。

奇异粒子可能是早期宇宙中某些变化过程中遗存下来的物质。通过直接搜索和加速器实验，结合粒子论对开展实验的指导，对宇宙中这种奇异暗物质进行分辨并发展相关实验是十分重要的。目前，最广为被接受的暗物质候选有弱相互作用大质量粒子(WIMPs)，铀子及有限质量的中微子。这三者中，只有中微子是被验证存在的，其余两者纯属理论。

宇宙扩张会不会停止甚至逆转？
当前宇宙中的星系分布图揭示了一个由准球面巨洞分隔开的的星系细丝状结构的网络。当我们观察远距离的物体时，由于光到达我们眼前所需要的时长，我们其实是在观察过去的宇宙。极远距离地探测大规模的结构物为结构形成模型提供了强力的观测限制。正如今天通过宇宙背景辐射图（CBR）中所测量的波动那样，早期的宇宙包含着小密度的不规则体，这些小小隆起利用它们自身的重力增大振幅，从而变成我们今天看到的整体结构。在不断增加的距离上仔细测量宇宙整体扩张的变化，因此回望过去，我们可以建立一些宇宙膨胀率的数学模型，并依此提出未来宇宙将发生什么的理论。

宇宙背景探测器（COBE）和威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）卫星近期观测并精确测量了宇宙背景辐射带来的观测结果有效地将宇宙学从一门高度推测性的科学转变为一门预测性科学。这使得许多人把现代称为“宇宙学的黄金时代”。
在这系列的文章中，我们将更详细地介绍上述的各个主题，并探讨早期宇宙中大尺度结构的物质是如何形成的，零点能的特性，亚原子粒子以及其他的种种。
BY:Tim Trott
FY: 墨猫
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