宇宙的历史与现代宇宙学的发展

frag86@126.com

来源：科技眼

尽管人类文明已有五千多年历史，但我们对宇宙的理解主要是由过去一百年来的发现决定的。在20世纪20年代，埃德温·哈勃证明了我们的银河系之外存在其他星系，并指出这些星系正以与我们成正比的速度远离我们。这证实了爱因斯坦广义相对论中对宇宙膨胀的预测。

如果宇宙自诞生以来一直在膨胀，这意味着所有我们观测到的能量，包括物质的能量，以极其高温和稠密的状态开始，并逐渐扩展开来。这个理论在1949年被Fred Hoyle形象地称为“大爆炸”。

20世纪60年代，大爆炸理论曾是热议话题，尤其是在贝尔实验室的科学家Penzias和Wilson偶然发现宇宙微波背景辐射（CMB）后，他们的研究揭示了宇宙冷却到约3000开尔文时光线开始自由传播的状态。今日，宇宙温度已降至约2.7开尔文。

到了20世纪70年代，弗里茨·兹威基在上世纪30年代提出的暗物质理论，得到了Vera Rubin的有力证明。她发现几乎所有星系外围的恒星自转速度与其中心恒星的速度一致，这可能是由于星系周围存在看不见的神秘“暗物质”环。

在1980年代，Alan Guth提出的宇宙暴胀理论解决了早期宇宙的一些谜题。而在1990年代，两支国际天文学家小组发现，宇宙的膨胀速度并未因引力而减缓，反而在加速。这种加速由所谓的“暗能量”所驱动。进入21世纪，我们获得了支持这些早期理论的新证据，如首次测量到的引力波，使基础常数测量的精度显著提高。

需要指出的是，现代宇宙学的起源甚至早于哈勃的星系发现。实际上，它始于爱因斯坦的广义相对论，几乎宇宙学所有内容都根植于这一理论。

广义相对论将引力解释为时空几何的结果，而不是一种力。此外，它还引入了时间和空间交织的概念，这一概念在数学上同样重要。这个革命性的观点表明，质量和能量会改变时空本身，而这种变化就是引力。此理论颠覆了之前视空间和时间为静止背景的传统观念。

宇宙学中的许多理论基于解决广义相对论中的爱因斯坦场方程。简化这方程，左侧代表时空曲率，右侧则涉及宇宙中所有物质和能量，即所有物质和能量共同创造了一种被我们感知为引力的曲率，物质和能量还会被这引力影响。正如物理学家约翰·惠勒所说：“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。”

通过将各种已知物质和能量的参数代入这一方程，我们得到了描述宇宙演化的模型。这个模型让我们可以通过逆推时间，探究宇宙过去的状态。我们知道可见宇宙在膨胀，这意味着倒退时间它会缩小，直到集中于一个称为奇点的无限小点。

尽管不少宇宙学家认为奇点并非实际存在，而是模型的极限问题，许多模型仍可通过实验和观察加以验证。忽略无限小点的缺陷，这个模型在解释宇宙的演变上仍可行。

宇宙的历史可以划分为六个主要阶段。第一个阶段始于大约138亿年前的理论奇点，宇宙从此展开。尽管没有关于宇宙一开始规模的共识，我们所认识的一切都发源于“大爆炸”。

第二阶段发生在约10^-36秒，此时宇宙经历了暴胀，从一个极小的体积迅速扩展。这时期持续到10^-32秒，温度约为10^32开尔文。宇宙暴胀有助于解释其同质性、平坦性及大规模结构的来源。

随着宇宙继续膨胀和冷却，进入了第三阶段，大约在10^-11秒时，温度下降到10^18开尔文。那时希格斯场变得活跃，赋予基本粒子质量，同时强相互作用力使夸克组成了质子和中子。

第四阶段是原子核形成时期，约在宇宙诞生三分钟后，温度降至十亿开尔文。许多质子和所有中子结合形成氦核，到这个阶段结束时，宇宙中大部分是氢和氦核。此时，由于电子与光相互作用强烈，宇宙仍然是不透明的。

随着时间的发展，宇宙温度在38万年时降至约3000开尔文，进入下一个阶段。电子开始与原子核结合形成中性原子，此时可观测宇宙的大小已扩展到约8300万光年。这些原子不再与光强烈相互作用，宇宙因此变得透明，释放出了第一道可以观察到的光：宇宙微波背景辐射。

然而，从这个阶段到形成我们的太阳系，宇宙经历了最后的结构形成阶段。尽管大尺度上是均匀和各向同性的，小尺度的温度差异带来了结构的种子。从CMB中的微小温差开始，宇宙逐渐形成了由成千上万个星系组成的巨大星团和细丝。

最终，恒星在由引力束缚的氢氦云中诞生，宇宙中首次出现星光，宣告了黑暗时代的结束。