當(dāng)我們觀察太空時(shí)，我們可以看到許多物體。為了看到這些物體，我們必須接收它們所發(fā)射的光。在狹義相對(duì)論和現(xiàn)代電動(dòng)力學(xué)的幫助下，我們對(duì)光已經(jīng)有了深入的了解。在現(xiàn)代宇宙學(xué)中，我們還使用廣義相對(duì)論作為理解和模擬宇宙的主要工具之一。當(dāng)然，宇宙學(xué)不僅僅有相對(duì)論，該研究領(lǐng)域使用物理學(xué)的各個(gè)方面，包括牛頓力學(xué)、熱力學(xué)、量子力學(xué)和量子場(chǎng)論。因此，為了解決宇宙學(xué)問(wèn)題，我們或多或少地使用了整個(gè)物理學(xué)工具箱，試圖了解我們所生活的宇宙。
理論發(fā)展
宇宙學(xué)是物理學(xué)中最古老的主題之一，在 17 世紀(jì)引入哥白尼原理后，它成為了一門(mén)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)。哥白尼原理表明所有天體都受相同的物理學(xué)支配，這在今天看來(lái)是很明顯的道理，但當(dāng)時(shí)還不清楚物理定律在火星上是否會(huì)有所不同。
借助牛頓力學(xué)，我們獲得了讓我們能夠理解行星軌道等事物的定律。但當(dāng)時(shí)我們對(duì)太陽(yáng)系以外的東西了解不多。宇宙學(xué)領(lǐng)域直到 1915 年才隨著愛(ài)因斯坦和他的廣義相對(duì)論而真正開(kāi)始發(fā)展起來(lái)。我們終于得到了一個(gè)糾正牛頓力學(xué)錯(cuò)誤的理論，我們可以相信它可以描述太陽(yáng)系以外的宇宙。廣義相對(duì)論為我們提供了許多新事物，例如黑洞、引力透鏡。
1915 年之后，在接下來(lái)的幾年里，人們有了許多有趣的發(fā)現(xiàn)和觀察，并且通過(guò)弗里德曼方程，我們得到了整個(gè)宇宙的模型。不久之后，歐文?哈勃發(fā)現(xiàn)了我們銀河系之外的星系。20 世紀(jì)的所有這些發(fā)展構(gòu)成了現(xiàn)代宇宙學(xué)的核心，但我們?nèi)栽诎l(fā)現(xiàn)新事物并更多地了解我們的宇宙。
觀測(cè)結(jié)果
我們對(duì)宇宙學(xué)的理解首先來(lái)自于觀測(cè)，所以讓我們談?wù)勔恍╆P(guān)鍵觀測(cè)。上個(gè)世紀(jì)最重要的發(fā)現(xiàn)之一無(wú)疑是宇宙微波背景的發(fā)現(xiàn)，它本質(zhì)上是我們宇宙非常年輕時(shí)的光。通過(guò)觀測(cè) CMB，我們可以了解很多關(guān)于宇宙的信息，例如宇宙的物質(zhì)和能量含量。
我們還能夠觀察到非常遙遠(yuǎn)的超新星，通過(guò)觀察此類物體的紅移，我們對(duì)宇宙的膨脹有了更好的了解。宇宙正在膨脹的事實(shí)在 1920 年代首次被理解，但直到最近我們才意識(shí)到宇宙正在以更快的速度膨脹，這導(dǎo)致了 2011 年的諾貝爾獎(jiǎng)。
到目前為止所提到的所有事情都幫助科學(xué)家們提高了我們對(duì)宇宙的理解，它導(dǎo)致了我們已經(jīng)討論過(guò)的 λCDM 模型，這個(gè)模型在數(shù)學(xué)上是基于弗里德曼方程的。
然而，仍有一些大謎團(tuán)有待解決。一個(gè)問(wèn)題是，在 1930 年代，人們發(fā)現(xiàn)星系的旋轉(zhuǎn)速度過(guò)快?？焖儆?jì)算表明，這些星系中的引力不足以使星系保持在一起，這導(dǎo)致了暗物質(zhì)的提出。這是一種新型物質(zhì)，僅與引力相互作用，因此幾乎不可能被探測(cè)到。最近，暗物質(zhì)的證據(jù)越來(lái)越多，這對(duì)于我們對(duì)宇宙的理解至關(guān)重要。為了確保這個(gè)假設(shè)是正確的，物理學(xué)家試圖弄清楚這個(gè)暗物質(zhì)背后可能是什么新粒子，但到目前為止還沒(méi)有成功。
另一個(gè)謎團(tuán)是引力常數(shù)或暗能量。這種能量起到某種反重力作用，導(dǎo)致宇宙加速膨脹。這種暗能量是什么，仍然是一個(gè)很大的謎。
有趣的研究領(lǐng)域
宇宙學(xué)中一個(gè)有趣的研究領(lǐng)域是引力波。引力波是時(shí)空結(jié)構(gòu)中的漣漪，我們?cè)?2016 年才成功觀測(cè)到第一次引力波。這些波背后的理論來(lái)自廣義相對(duì)論，它已經(jīng)被理論預(yù)測(cè)了幾十年，但問(wèn)題是這些時(shí)空漣漪是如此之小，以至于我們需要使用現(xiàn)代物理學(xué)極其精確的工具才能檢測(cè)到這些波。隨著我們技術(shù)的進(jìn)步，我們可以探測(cè)到更小的波信號(hào)，這將為發(fā)現(xiàn)新物理學(xué)和檢驗(yàn)當(dāng)前理論開(kāi)辟新途徑。預(yù)計(jì)會(huì)有引力波背景，就像 CMB 一樣，這可以告訴我們關(guān)于早期宇宙的新事物，因?yàn)檫@些信號(hào)可比 CMB 信號(hào)更早產(chǎn)生。
宇宙學(xué)另一個(gè)有趣的方面是結(jié)構(gòu)的形成，也就是說(shuō)星系、恒星和太陽(yáng)系是如何形成的。這是一個(gè)極其復(fù)雜的話題，但只要考慮牛頓力學(xué)就可以走得很遠(yuǎn)。然而，宇宙極其龐大和復(fù)雜，因此我們沒(méi)有特別準(zhǔn)確的模型來(lái)了解大規(guī)模結(jié)構(gòu)的形成方式。了解更多信息的方法之一就是在太空中向外看，然后制作一張宇宙地圖。然后我們也可以看看恒星等物體仍在形成的地方，這樣就可以很好地了解恒星的形成。
宇宙學(xué)在上個(gè)世紀(jì)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，我們已經(jīng)意識(shí)到我們生活在一個(gè)非常巨大的宇宙中。有趣的是，我們?nèi)匀徊恢烙钪媸欠袷菬o(wú)限的，這是因?yàn)槲覀兛床坏接钪娴娜魏芜吘墶Ｍ瑯樱瑢?duì)于早期宇宙，我們還有很多需要了解，因?yàn)槲覀冏罱K會(huì)達(dá)到超越已知物理學(xué)的地步。所以，雖然還有很多我們不知道的東西，但已經(jīng)取得了進(jìn)展，在新實(shí)驗(yàn)和新物理學(xué)的幫助下，我們可以期望在宇宙學(xué)方面學(xué)習(xí)和理解更多知識(shí)。
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：萬(wàn)象經(jīng)驗(yàn) （ID：UR4351），作者：Eugene Wang
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