基本介紹
- 中文名：宇宙學
- 外文名：Cosmology
- 名詞起源：德國沃爾弗
概念,歷史沿革,近代發展,作用,用例,宇宙學原理,宇宙觀,推廣,原理,大爆炸理論,哈勃定律,宇宙歷史,理論意義,
概念
沿革
宇宙論與本體論的區別在於：宇宙論探求這個世界什麼是真實的，而本體論則探求對任何世界都有效的關係與原則。
現代宇宙學是數學和物理的代名詞，早已摒棄宗教和純哲學概念，藉助大型物理實驗和超級望遠鏡，依託現代天文學，數學研究宇宙深層次的原理。如美國國家航空暨太空總署（NASA）協同國際夥伴建造的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡將能觀察太空約2億年的景象。如耗資6億美元的克卜勒太空望遠鏡於2009年3月發射升空，是世界上首個專門用於搜尋太陽系外類地行星的太空飛行器。美國國家航空暨太空總署（NASA）協同國際夥伴建造的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡將能觀察太空約2億年的景象。為了研究宇宙學，宇航局需要一個更為強大的觀測設備，讓自己回到宇宙誕生之初。這個觀測設備便是詹姆斯-韋伯太空望遠鏡，將於2018年發射升空。
現代宇宙學模型
霍金在書中完全否定了“上帝”創造宇宙一說。在《時間簡史》中，霍金對於宗教的態度相對比較模糊，而《大設計》在開篇宣布“哲學已死”之後，也對“上帝”的存在作出了自己毫無保留的判斷。霍金的結論，宇宙不是“上帝”創造的，很明確地寫道：“宇宙創造過程中，“上帝”沒有位置。沒有必要藉助“上帝”來為宇宙按下啟動鍵。”霍金認為支持“宇宙大爆炸”理論的物理學定律向傳統宗教信仰發起了挑戰，“由於存在萬有引力等定律，因此宇宙能夠，而且將是從無到有自己創造了自己。自然發生說是有物而非無物存在的原因，這是宇宙和人類存在的原因。沒必要藉助“上帝”引燃藍色導火線，讓宇宙誕生。”《大設計》是霍金在《時間簡史》之後的最重要的著作，它凝結了霍金20多年來對科學和哲學的思考成果。
在該書其他著作中霍金推崇利用數學和物理手段尋找一個大一統理論，並且證明“宇宙是偶然誕生的，不需要上帝”，“宇宙的數學模型是有限無界”。
霍金在演講中說道：宇宙起源的問題有點像這個古老的問題：先有雞呢，還是先有蛋。換句話說，即是何物創生宇宙，又是何物創生該物呢？也許宇宙，或者創生它的東西已經存在了無限久的時間，並不需要被創生。直到不久之前，科學家們還一直試圖迴避這樣的問題，覺得它們與其說是屬於科學，不如說是屬於形上學或宗教的問題，然而，人們在過去幾年發現，科學定律甚至在宇宙的開端也是成立的。在那種情形下，宇宙可以是自足的，並由科學定律所完全確定。
1983年詹姆·哈特爾和我提出，宇宙的狀態應由對一定種類歷史的求和給出。這類歷史由沒有奇性的，而且具有有限尺度卻沒有邊界或邊緣的彎曲空間組成。它們像是地球的表面，只不過多了兩維。地球的表面具有有限的面積，它不具有任何奇性、邊界或邊緣。我曾經用實驗驗證過這一點。我作過環球旅行，而沒有落到外面去。
哈特爾和我所做的構想可以被重新表達成：宇宙的邊界條件是它沒有邊界。只有當宇宙處於這個無邊界狀態時，科學定律自身才能確定每種可能歷史的機率。因此，只有在這種情形下，已知的定律才會確定宇宙應如何運行。如果宇宙處於任何其他的狀態，則歷史求和中的彎曲空間的種類就要包括具有奇性的空間。人們必須求助於已知科學定律以外的某種原理，才能確定這種奇性歷史的機率。這種原理就會是外在於我們宇宙的某種東西。我們不能從我們宇宙之中將其推導出來。而另一方面，如果宇宙是處於無邊界狀態，在原則上，我們就能在不確定性原理容忍的限制之仙完全確定宇宙應如何運行。
物理學家吳忠超評論：無邊界量子宇宙學已經把“造物主”或“上帝”從宇宙創生的場景中祛除，而這新方法在某種意義上又將我們推上萬物之靈的寶座。從M理論迄今作為終極理論的唯一合格候選者到宇宙的存在和創生，人類已經如此清晰地理解宇宙和我們的存在，這真正是理性的勝利。事實上，任何文化創造，無論是藝術的還是科學的，恐怕都不及理解我們自身存在這個命題偉大。
歷史沿革
在過往，希臘哲學家認為天是一個天球，當中的機械原理，就成為了現時天體力學的內容。在當時，阿里斯塔克斯、亞里士多德及托勒密曾提出過幾個不同的天體學理論，當中以托勒密用來解說天體運作的地心說被廣為接受，直到16世紀時為哥白尼所推翻，並得到克卜勒及伽利略等人提出的新日心說理論所取代。這事件成為了宇宙物理學的一個最著名的認識論斷裂（epistemological rupture）的例子。
隨著牛頓及其於1687年出版的《自然哲學的數學原理》的出現，長久以來有關天體的運動問題終於被解決了。牛頓為克卜勒定律的機制提供了物理上的解釋，而他的萬有引力定律使過往難以解釋的各種奇特天文現象，例如行星逆行的現象，都可以透過行星間的引力相互作用而解釋。牛頓的天體學理論與先前的理論在根本上最大的分別，在於哥白尼原則只提出地球在宇宙里沒有特殊地位，而牛頓卻更進一步的指出：不論是天體和地球，兩者皆遵守著相同的物理法則，這一點在宇宙物理學的進展來說是很重要的。
近代發展
大爆炸理論
穩恆態宇宙論被否定
觀測證據是任何理論最嚴格的仲裁者，它終於否定了穩恆態宇宙論的這個大膽斷言。在1950年，由於進行了更精巧更有鑑別力的天文觀測，穩恆態理論的提倡者逐漸修改了它的形式。因為這個理論變得越來越牽強，只剩下一些最固執的支持者還相信它。最後，穩恆態宇宙論在1965年被宇宙微波背景輻射的發現推翻了，這一發現為宇宙早期的熾熱階段提供了不容置辯的證據。穩恆態宇宙論只不過是在現代宇宙論發展過程中的一個有相當歷史意義的插曲而已。
雖然人們一直敦促穩恆態理論的提出者同意宇宙膨脹開始於百億年前的一瞬，但是關於早期宇宙行為的無數種可能的宇宙模型仍然具有活力。哥白尼宇宙學原理只能用可觀測的宇宙來評判，而大爆炸理論對後者提供了極好的描述。不過，在宇宙還很年輕的早期，我們可以想像一種宇宙論和標準大爆炸模型的均勻各向同性膨脹非常不同。這種膨脹是各向異性的：在某個優先的方向上迅速膨脹而同時在另外的方向上坍縮。或者，宇宙也可能是非常不均勻的；在較密的區域可以發生局部的坍縮而形成黑洞。我們沒有科學上的理由偏愛簡單而規則的大爆炸模型而討厭宇宙可能有較離奇的開端。這兩種可能性同我們的物理規律都不矛盾，而天文觀測也還不能鑑別它們。
儘管有無數種可能的開端，我們還可求助於人擇宇宙學原理為宇宙挑出唯一的過去。按照這條原理必須承認標準大爆炸模型。因為假若宇宙以一種極不規則的方式演化，即不會有生命及人類進化出現了，其無法承載所有物理定律。所有那些混沌宇宙論經過充分長的時間以後，多半都會發展得不利於生命的存在。只有從無數種選擇中挑選出來的標準大爆炸模型才能提供適合生命演化的環境。
否認人擇原理的宇宙學者滿足於宇宙的混沌起源。顯然，這樣的宇宙反推回去要花無窮長的時間，因此人們可以認為這種觀點只具有學院式意義。相反，求助於人擇原理的宇宙學者選擇一種從初始至無窮永遠保持簡單的宇宙。選均勻的宇宙還是選早期混沌的宇宙，取開模型還是取閉模型，這乃是現代宇宙論面臨的主要抉擇。
作用
宇宙論是研究宇宙的大尺度結構和演化的學科。當我們巡視遙遠的太空深處時，也就是在沿著時間上溯。我們所看到的那些最遠的星系，它是很久很久以前當它們發出的光開始其漫長的太空旅行時的面貌。既然龐大的星系都曾經是年輕的，故宇宙結構如何產生的問題就同宇宙論不可分割地聯繫在一起。研究宇宙中可觀測的結構（從巨大的星系團到太陽系）的起源屬於天體演化學的領域。有待查明的根本問題包括：宇宙是何時和怎樣發端的，星系是如何形成並獲得我們觀測到的形態及尺度分布的，恆星是如何誕生的，行星和生命是如何演化的，等等。
用例
僅僅在20年前，人們還沒有什麼把握來回答宇宙論和天體演化學的這些根本問題。我們對於遙遠宇宙和早期宇宙的知識是如此貧乏，以至於好些很不相同的宇宙學理論似乎都可以解釋觀測資料。然而天文學家們作出了有關宇宙本性的激動人心的新發現，這些發現提供了壓倒優勢的證據支持一種宇宙學理論，即大爆炸理論。今天，人們正是在這個理論的框架內探索著宇宙論和天體演化學的根本問題。
儘管大爆炸理論還不能對所有的重大問題作出回答，可它卻為我們勾畫出了一幅宇宙演化的大致輪廓。在下面幾章中，我們將描述那些為大爆炸理論提供了證據的發現，並將追溯宇宙從最初時刻以來的演化。可以看到，當我們試圖回答宇宙論和天體演化學的某些基本問題時，新的問題和爭議又會不可避免地出現。我們理論的許多細節仍然是不確定的。在這種情況下，我們可以描述一些可供選擇的假說，並指出一些方向留待進一步的研究來判明。因此，我們的討論既包含了宇宙本身的過去和未來，也包含著人類為理解它所作努力的歷史和前景。
宇宙學原理
作為開始，我們要介紹一些形成任何科學的宇宙理論基礎的原理。
宇宙觀
自古以來，人類就不願放棄我們在宇宙里起著中心作用的想法。先是提出了地心宇宙觀，放棄地心宇宙觀以後又提出了日心宇宙觀。直到20世紀人們才認識到，我們的太陽不過是處在一個普普通通星系邊沿的一顆普普通通的恆星。我們的星系是一個大星系團外部的一個鬆散星系群的一員。甚至這個星系團（即室女座星系團）同我們在宇宙中其他地方看到的真正巨大的星系團相比，也只不過是一個毫不出眾的角色而已。我們在宇宙中的地位可以說是平凡到了極點。
這種用最大的光學望遠鏡觀測得來的知識，給宇宙學者留下了一個棘手的難題。我們的觀測是從宇宙中的一個特殊位置進行的，而建立一個宇宙學理論卻要求一般地了解整個宇宙中物質的性質和分布。宇宙學者需要擺脫這種令人遺憾的限制，他們的辦法是假設一個普適原理，這個原理要求宇宙在我們附近的部分同極遙遠的區域相比沒有什麼差別。有很強的哲學理由來為這種普適原理辯護。舉個例來說，物理學規律在全宇宙中應當是同樣的；因為若不如此，實驗就會不可重複，而我們的物理規律就會不成其為規律了。一個更強的要求是，大宇宙應當儘可能地簡單。用可以容許的最簡單模型來解釋現象，這是物理學前進的自然方式。不過，宇宙學原理也有一些不同的說法。
1543年，哥白尼提出地球可能不是宇宙的中心。哥白尼學說的邏輯推廣是應將我們的銀河系從任何優越的空間位置挪走。於是我們得到了近代宇宙論的重要基石，即哥白尼宇宙學原理。這個原理說，我們在宇宙空間中並不處於特別優越的位置。人們研究了天文底片上的大量星系以後發現，它們的出現頻率在不同方向上是頗為相似的。這一跡象表明，宇宙是局域各向同性的，從地球上看來，宇宙在不同方向上顯示出相同的面貌。（從中心看一個球是各向同性的，而看一個雞蛋就不然了。）哥白尼原理要求，宇宙在空間任何一點周圍都是各向同性的。矩的反射應足以驗證，點點各向同性要求宇宙在空間上也必須均勻。因為，如果宇宙是非均勻的，那么它只能在某些特定位置上顯示出各向同性。
推廣
某些宇宙學者曾試圖把宇宙學原理推廣到包括沿時間不變的概念。根據這個原理，至少在最大的尺度上宇宙是永恆不變的。於是，完美宇宙學原理說，從空間和時間中的任何一點看去，宇宙都呈現出相似的面貌。由這個假設導出的穩恆態宇宙論已被觀測排除。因而，宇宙學者一般只接受宇宙學原理的較弱的形式，而我們也樂於承認，宇宙在空間（而不是時間）中是近似均勻且各向同性的。
原理
為了完備起見，我們還得談談人擇宇宙學原理。這個原理採取的觀點同完美宇宙學原理正好相反，宣稱人類是在一個特定時期觀察著宇宙的，儘管宇宙從空間任何點看去顯得一樣。假設這個特定時期是因為需要產生那些有利於生命演化的特殊條件，比方說，宇宙比現在熾熱得多或稠密得多，星系就不能形成；假如引力的強度和我們的觀測值大不相同，行星系統就不能形成，或不適合於我們所知的生命形式存在。現已查明，地球的年齡和天文學家發現的最老恆星或星系的年齡相仿（頂多差4倍），這畢竟是一個驚人的符合。人擇宇宙學原理用“許可”來解釋這種相似性。宇宙本來可以比它實際的情形不規則和無序得多。人擇宇宙學原理斷言，若是那樣的話，各種條件就不能容許生命存在了。因此，作為觀察者，我們是生活在一個非常特殊的宇宙中，並且這個宇宙必須是均勻各向同性的。“人擇”是一個非常基本的論據，因為它試圖對哥白尼宇宙學原理作出解釋，而後者幾乎是所有有生命力的宇宙論的核心。
大爆炸理論
哈勃定律
大爆炸宇宙論認為：宇宙是由一個緻密熾熱的奇點於150億年前一次大爆炸後膨脹形成的。1929年，美國天文學家哈勃提出星系的紅移量與星系間的距離成正比的哈勃定律，並推導出星系都在互相遠離的宇宙膨脹說。宇宙並非永恆存在而是從虛無創生的思想在西方文化中可以說是根深蒂固。雖然希臘哲學家曾經考慮過永恆宇宙的可能性，但是，所有西方主要的宗教一直堅持認為宇宙是上帝在過去某個特定時刻創造的。像歷史學家一樣，宇宙學家意識到開啟未來的鑰匙在於過去。
早在1929年，埃德溫·哈勃作出了一個具有里程碑意義的發現，即不管你往哪個方向看，遠處的星系正急速地遠離我們而去。換言之，宇宙正在不斷膨脹。這意味著，在早先星體相互之間更加靠近。事實上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時刻，它們剛好在同一地方，所以哈勃的發現暗示存在一個叫做大爆炸的時刻，當時宇宙無限緊密。
1950年前後，伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的觀念。這個創生宇宙的大爆炸不是習見於地球上發生在一個確定的點，然後向四周的空氣傳播開去的那種爆炸，而是一種在各處同時發生，從一開始就充滿整個空間的那種爆炸，爆炸中每一個粒子都離開其他每一個粒子飛奔。事實上應該理解為空間的急劇膨脹。"整個空間"可以指的是整個無限的宇宙，或者指的是一個就像球面一樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙。根據大爆炸宇宙論，甚早期的宇宙是一大片由微觀粒子構成的均勻氣體，溫度極高，密度極大，且以很大的速率膨脹著。這些氣體在熱平衡下有均勻的溫度。這統一的溫度是當時宇宙狀態的重要標誌，因而稱宇宙溫度。氣體的絕熱膨脹將使溫度降低，使得原子核、原子乃至恆星系統得以相繼出現。
宇宙歷史
從1948年伽莫夫建立熱大爆炸的觀念以來，通過幾十年的努力，宇宙學家們為我們勾畫出這樣一部宇宙歷史：
大爆炸開始時：
150－200億年前，極小體積，極高密度，極高溫度。
大爆炸後：
10-43秒 宇宙從量子背景出現。
10-35秒 同一場分解為強力、電弱力和引力。
10-5秒 10萬億度，質子和中子形成。
0.1秒後 300億度，中子質子比從1.0下降到0.61。
1秒後 100億度，中微子向外逃逸，正負電子湮沒反應出現，核力尚不足束縛中子和質子。
13.8秒後 30億度，氘、氦類穩定原子核（化學元素）形成。
35分鐘後 3億度，核過程停止，尚不能形成中性原子。
大爆炸後30萬年後 3000度，化學結合作用使中性原子形成，宇宙主要成分為氣態物質，並逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體雲塊，直至恆星和恆星系統。
理論意義
大爆炸理論揭示了宇宙演化的壯闊景象。宇宙膨脹大約開始於200億年前。這個初始時刻及其以前的條件純屬猜測的範疇。早期宇宙非常熾熱、非常緻密，同時也許還是很不規則的。這種不規則性和各向異性逐漸消失了。在大爆炸後數分鐘內出現了一些核反應，宇宙中幾乎所有的氦就是在那時合成的。隨著膨脹的進行，宇宙逐漸變冷，就像熱空氣邊膨脹邊冷卻一樣。宇宙背景輻射就是這個早期時代的遺蹟。人們一直恰當地把它稱為原始火球的剩餘輻射。根據一種宇宙演化的方案，隨著宇宙中物質的冷卻，它終將凝聚為原星系。原星系分裂為恆星並聚在一起成為範圍廣闊的巨大集團。隨著頭幾代恆星的誕生和死亡，逐漸合成了碳、氧、矽、鐵這類重元素。當恆星演化為紅巨星時，它們便拋出凝結為塵粒的物質。從氣體和塵埃雲中形成了新一代的恆星。至少在一個這樣的星雲里，冷的塵埃坍縮成一個環繞恆星的薄盤。塵粒通過合併彼此附著並累積成較大的物體，這些物體在彼此引力的吸引下長大，形成從小行星到大行星的形形色色天體，這些天體就構成了太陽系。
大爆炸理論引導我們追溯整個宇宙的演化，從時間的頭幾毫秒到地球的形成和生命的出現，再走向可能是無限的未來。
