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宇宙学

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宇宙学
宇宙学(cosmology),就是从整体的角度来研究宇宙的结构和演化的天文学分支学科。自古宇宙的结构就是人们关注的对象,历史上曾出现过各种各样的宇宙学说。中国的如浑天说、盖天说和宣夜说。其他国家的如古希腊阿利斯塔克的日心说、统治中世纪欧洲1000多年的地心说、16世纪波兰哥白尼的日心说等。牛顿力学创立以后,建立了经典宇宙学。到了20世纪,在大量天文观测资料和现代物理学的基础上产生了现代宇宙学。

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演化发展编辑本段回目录

在中国古代,关于宇宙的结构主要有三派学说,即盖天说、浑天说和宣夜说。盖天说认为大地是干坦的,天像一把伞覆盖着大地;浑天说认为天地具有蛋状结构,地在中心,天在周围;宣夜说则认为天是无限而空虚的,星辰就悬浮在空虚之中。

宇宙学哥白尼宇宙体系
哥白尼宇宙体系
在古代希腊和罗马,从公元前六世纪到公元一世纪,关于宇宙的构造和本原有过许多学说。如毕达哥拉斯学派的中心火焰说(设想宇宙中心有一团大火焰);赫拉克利特的日心说;柏拉图的正多面体宇宙结构模型等等。

进入中世纪后,宇宙学被纳入经院哲学体系,地心说占据正统的地位。十六世纪哥白尼倡导日心说。到十七世纪,牛顿开辟了以力学方法研究宇宙学的途径,建立了经典宇宙学。二十世纪以来,在大量的天文观测资料和现代物理学的基础上,产生了现代宇宙学。

从历史上看,随着时代的发展,作为宇宙学研究对象的天体系统,在深度和广度上不断扩展。古代自然哲学家所讨论的天文学的宇宙,不外乎大地和天空。哥白尼在《天体运行论》一书中说“太阳是宇宙的中心”,意味着宇宙实质上就是太阳系。

十八世纪天文学家引进“星系”一词,当时这个词在一定意义上说只不过是宇宙的同义语。二十世纪以来,天文观测的尺度大大扩展,达到上百亿年和上百亿光年的时空区域。现代宇宙学所研究的课题,就是现今观测直接或间接所及的整个天区的大尺度特征,即大尺度时空的性质、物质运动的形态和规律。

现代宇宙学编辑本段回目录

现代宇宙学包括密切联系的两个方面,即观测宇宙学和理论宇宙学。前者侧重于发现大尺度的观测特征,后者侧重于研究宇宙的运动学和动力学以及建立宇宙模型。

宇宙学漩涡星系M51 ,距离地球3100万光年。
漩涡星系M51 ,距离地球3100万光年。
观测宇宙学已经发现,在目前观测所及的天区上,存在着一些大尺度的系统性特征,比如:河外天体谱线红移;微波背景辐射;星系的形态;天体时标;氦丰度等。

除了几个近距星系之外,河外天体谱线大都有红移,而且绝大多数是一致红移,即各种谱线的红移量是相等的。此外,在星系团尺度上,对于不同类型的星系,在各自的红移量与视星等之间、红移与星系角径之间存在着系统性的关系。它们反映着红移量与距离之间的规律。

在整个背景辐射中,微波波段比其他波段都强,谱型接近温度为3K的黑体辐射。微波背景辐射大致是各向同性的。这种辐射的小尺度起伏不超过千分之二。三:大尺度的起伏则更小一些。

宇宙学宇宙微波背景辐射(CMB)
宇宙微波背景辐射(CMB)
河外星系的形态虽有多种,但绝大多数星系都可归纳为不多的几种类型,即椭圆星系、旋涡星系、棒旋星系、透镜型星系和不规则星系。而且,各种类型星系的物理特征,弥散范围不算太大。

从球状星团的赫罗图形状可以判断,较老的球状星团的年龄差不多都达到100亿年左右。按照同位素年代学计算,太阳系中某些重元素是在50亿到100亿年前形成的,即最老天体的年龄都不超过200亿年。

在宇宙中,氢和氦是最丰富的元素,二者丰度之和约占99%。而且氢和氦的丰度比在许多不同的天体上均约为三比一左右。

这些大尺度上的现象,反映出大尺度天体系统具有特别的性质。它的结构、运动和演化并非小尺度天体系统的简单延长。现代宇宙学正是以研究这一系列大尺度上所固有的特征而与其他天文分支学科相区别的。

宇宙模型主要包括三方面的问题,即大尺度上天体系统的结构特征、运动形态和演化方式。关于大尺度上天体系统的结构,有两种不同的模型。一种是均匀模型,另一种是等级模型。前者认为在大尺度上天体分布基本上是均匀各向同性的,或者说,在大尺度上没有任何形式的中心,没有任何形式的特殊点,这种假定常常称为宇宙学原理。等级模型则认为在任何尺度上,物质分布都具有非均匀性,即天体分布是逐级成团的。

河外天体的系统性红移现象与大尺度的运动形态有密切关系。说明红移现象的各种理论,都要涉及这个问题。大致说来,这些理论分为两种类型:

第一种理论认为系统性红移是系统性运动的反映,各种膨胀宇宙模型都属于这一类。第二种理论认为红移现象不是系统性运动的结果,而是由另外的机制形成的。例如假定光子在传播过程中,能量慢慢衰减;或者假定红移是由天体本身结构不同而引起的,等等。

宇宙学宇宙大爆炸设想图
宇宙大爆炸设想图
演化问题的探讨自从红移发现之后就开始了,但是大量的研究还是在微波背景辐射发现之后才进行的。根据微波背景辐射的黑体谱,可以用某个温度来标志大尺度天区的性质。问题是:背景辐射从何而来?这个温度是怎样变化的?温度变化对天体系统的状态有什么影响?这就是宇宙模型要回答的问题。

按照大尺度特征变化与否来区分,有稳恒态宇宙模型和演化态模型。前者认为大尺度上的物质分布和物理性质不随时间变化;后者则认为随着时间的推移基本特征有明显变化。

按照与温度有关的演化方式来区分,则有热模型和冷模型。前者主张温度是从高到低,后者主张温度是从低到高发展的。

按照物质组成来区分,有“正”物质模型和“正—反”物质模型。前者主张宇宙全由“正”物质组成,后者主张由等量的“正”物质和“反”物质组成。

在已有的各种宇宙模型中,以热大爆炸宇宙模型最有影响,因为与其他模型相比,它能说明的观测事实最多。

理论概要编辑本段回目录

宇宙学(或宇宙论)译自英文之Cosmology,这个词源自于希腊文的κοσμολογία(cosmologia,κόσμος (cosmos) order+λογια(logia)discourse)。宇宙学是对宇宙整体的研究,并且延伸探讨至人类在宇宙中的地位。虽然宇宙学这个词是最近才有的,人们对宇宙的研究已经有很长的一段历史,牵涉到科学、哲学、esotericism以及宗教。


学科

在最近,物理学与天文物理学在目前所谓的物理宇宙学(藉由科学观察与实验来了解宇宙)的发展上扮演了核心的角色。这个学科专注在宇宙最为巨观且最早期的面向,一般被理解为由大爆炸起头,大爆炸指的是空间的膨胀,而宇宙被认为约於137亿年前由此膨胀产生。从宇宙剧烈的发生直至它的结束,科学家认为宇宙的整个历史是一个有秩序的、且在物理定律支配之下的进程。

天体物理学

宇宙学宇宙大观
宇宙大观
天体物理学是应用物理学的技术、方法和理论,研究天体的形态、结构、化学组成、物理状态和演化规律的天文学分支学科。

利用理论物理方法研究天体的物理性质和过程的一门学科。1859年﹐基尔霍夫根据热力学规律解释太阳光谱的夫琅和费线﹐断言在太阳上存在著某些和地球上一样的化学元素﹐这表明﹐可以利用理论物理的普遍规律从天文实测结果中分析出天体的内在性质﹐是为理论天体物理学的开端。理论天体物理学的发展紧密地依赖于理论物理学的进步﹐几乎理论物理学每一项重要突破﹐都会大大推动理论天体物理学的前进。二十世纪二十年代初量子理论的建立﹐使深入分析恒星的光谱成为可能﹐并由此建立了恒星大气的系统理论。三十年代原子核物理学的发展﹐使恒星能源的疑问获得满意的解决﹐从而使恒星内部结构理论迅速发展﹔并且依据赫罗图的实测结果﹐确立了恒星演化的科学理论。1917年爱因斯坦用广义相对论分析宇宙的结构﹐创立了相对论宇宙学。1929年哈勃发现了河外星系的谱线红移与距离间的关系﹐以后人们利用广义相对论的引力理论来分析有关河外天体的观测资料﹐探索大尺度上的物质结构和运动﹐这就形成了现代宇宙学。

从公元前129年古希腊天文学家喜帕恰斯目测恒星光度起,中间经过1609年伽利略使用光学望远镜观测天体,绘制月面图,1655~1656年惠更斯发现土星光环和猎户座星云,后来还有哈雷发现恒星自行,到十八世纪老赫歇耳开创恒星天文学,这是天体物理学的孕育时期。

十九世纪中叶,三种物理方法——分光学、光度学和照相术广泛应用于天体的观测研究以后,对天体的结构、化学组成、物理状态的研究形成了完整的科学体系,天体物理学开始成为天文学的一个独立的分支学科。

宇宙学M31仙女座大星系距离我们300万光年远
M31仙女座大星系距离我们300万光年远
天体物理学的发展,促使天文观测和研究不断出现新成果和新发现。1859年,基尔霍夫对太阳光谱的吸收线(即夫琅和费谱线)作出科学解释。他认为吸收线是光球所发出的连续光谱被太阳大气吸收而成的,这一发现推动了天文学家用分光镜研究恒星;1864年,哈根斯用高色散度的摄谱仪观测恒星,证认出某些元素的谱线,以后根据多普勒效应又测定了一些恒星的视向速度;1885年,皮克林首先使用物端棱镜拍摄光谱,进行光谱分类。通过对行星状星云和弥漫星云的研究,在仙女座星云中发现新星。这些发现使天体物理学不断向广度和深度发展。

人类对宇宙的认识不断扩大,不仅使人们愈来愈深入地了解宇宙的结构和演化规律,同时也促使物理学在揭示微观世界的奥秘方面取得进展。氮元素就是首先在太阳上发现的,过了二十五年后才在地球上找到。热核聚变概念是在研究恒星能源时提出的。由于地面条件的限制,某些物理规律的验证只有通过宇宙这个“实验室”才能进行。六十年代天文学的四大发现——类星体、脉冲星、星际分子、微波背景辐射,促进了高能天体物理学、宇宙化学、天体生物学和天体演化学的发展,也向物理学、化学、生物学提出了新的课题。

高能天体物理学

天体物理学的一个分支学科。主要任务是研究天体上发生的各种高能现象和高能过程。它涉及的面很广,既包括有高能粒子(或高能光子)参与的各种天文现象和物理过程,也包括有大量能量的产生和释放的天文现象和物理过程。最早,高能天体物理学主要限于宇宙线的探测和研究,真正作为一门学科是20世纪60年代后才建立起来的。60年代以后,各种新的探测手段应用到天文研究中,一大批新天体、新天象的发现,使高能天体物理学得到了迅速发展。高能天体物理学的研究对象包括类星体和活动星系核、脉冲星、超新星爆发、黑洞理论、X射线源、γ射线源、宇宙线、各种中微子过程和高能粒子过程等等。

研究领域编辑本段回目录

以下所列的是宇宙学研究的一些最活跃的领域,大致按时间顺序排列。这个单子不包括大爆炸宇宙学。它可以参见宇宙时间表。

1、极早期宇宙

宇宙学宇宙在不断加速膨胀
宇宙在不断加速膨胀
虽然大爆炸理论看起来可以解释从10~33秒钟开始的早期热宇宙,它却面临着许多困难。其中之一是现今的粒子物理理论不能为宇宙的平坦性、均匀型和各向齐性(参阅宇宙学原理)提供一个令人满意的答案。另外,大统一模型预言了宇宙中有磁单极,它们也没有被观察到。宇宙暴涨解决了这些问题。它的物理模型虽然很简单,但是却没有被粒子物理所证实,其主要困难在于如何调和它和量子场论的矛盾。一些宇宙学家认为弦理论和膜宇宙学能为解决宇宙学原理提供另一方案。

宇宙学的另一主要问题是解释为什么粒子要多于反粒子。X射线观测表明宇宙并不是由物质和反物质的区域组成的。它的主要组成是物质。这个问题称为重子不对称性,解释这种现象的理论被称为重子产生。重子产生理论是由萨哈罗夫于1967年提出的,它的必要条件中包括物质和反物质间的电荷——宇称对称性的破缺。粒子加速器只观测到很小的电荷——宇称对称破坏,不能解释宇宙的重子不对称性。宇宙学家和粒子物理学家希望能发现电荷——宇称破坏的其它来源。

重子产生和宇宙暴涨都与粒子物理有密切的联系。这些问题的解决答案可能会产生于高能理论和实验而不是于天文观察中。

2、大爆炸核合成过程

大爆炸核合成是关于元素在早期宇宙形成的理论。当宇宙演化到大约三分钟时,它已经足够冷却,这时核聚变及核合成过程就终止了。因为大爆炸核合成过程持续的时间极为短暂,从氢离子(质子)出发,它的主要合成成品是轻元素如氘、氦-4和锂。其它元素则极为微量。(重元素主要是由星体如超新星中的核反应而形成的。)虽然在1948年伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼就已经提出了这个理论的基本观点,由于在此理论中轻元素的丰度与早期宇宙的物理性质关系密切,它至今仍然是检验大爆炸时期物理理论的极灵敏的探针。比如,它可以用来检验等效原理、暗物质和中微子物理。

3、宇宙微波背景辐射

宇宙微波背景辐射是指退偶过程(即大爆炸所产生的辐射停止与带电离子的汤普生散射及原子第一次形成这一过程)所残余的辐射。这种辐射是由彭齐亚斯和威尔逊在1965年发现的。它具有几乎完美的2.7K黑体辐射谱,只在十万分之一内偏离各向同性。宇宙学家们可以用描写早期宇宙细微起伏演化的宇宙学微扰理论来精确地计算辐射的角度功率谱。最近的卫星(COBE和WMAP)和地面及气球(DASI,CBI和Boomerang)实验也测量了此功率谱。这些工作的目的是为了更精确地测量Λ-冷暗物质模型的参数,同时也为了检验大爆炸模型和新物理模型的预言。例如,最近WMAP的测量就为中微子的质量提供了限制。

更新的实验的目的则是测量微波背景谱的极化。它将为微扰理论提供更多的证据,也将为宇宙暴涨和所谓的次级非各向同性(如由背景辐射和星系和星系团相互作用引起的散亚耶夫-泽尔多维奇效应和萨克斯-沃尔夫效应)提供信息。

4、大尺度结构的形成和演化

宇宙学英仙座星系團
英仙座星系團
理解最早和最大结构(如类星体,星系,星系团和超团)的形成和演化是宇宙学的核心课题之一。宇宙学家们研究的是一种由下至上有层次的结构形成模型。在此模型中,小物体先形成,而大的物体如超团还在形成过程中。研究宇宙中结构最直截了当的方法是普查可见的星系,从而构造一个星系的立体图像并测量物质功率谱。这就是斯隆数码天空普查和2dF星系红移普查的研究方案。

理解结构形成的一个重要工具是模拟。宇宙学家们用它来研究宇宙中物质的引力堆积和线状结构,超团和空穴的形成。因为宇宙中冷暗物质要比可见的重子物质多许多,所以大多数模拟只计入它们。这种处理对理解最大尺度的宇宙是足够了。更先进的模拟已经开始计入重子的效应,它们也开始研究星系的形成。宇宙学家们检查这些模拟是否与星系普查的结果一致。如果不一致,则研究偏差的原因。

宇宙学家还用其它互补的方法来测量宇宙遥远处的物质分布和重离子化过程。这些方法包括:

*莱曼阿尔法谱线森林。通过测量气体对遥远类星体所发射光的吸收来测量早期宇宙中中性氢原子的分布。

*中性氢原子的21厘米吸收线也提供了灵敏的测试。

*由于暗物质的引力透镜效应而引起的对遥远物象的扭曲,即所谓的弱透镜效应。

这些方法都将帮助宇宙学家解决第一颗类星体如何形成这一问题。

5、暗物质

宇宙学暗物质三维立体图
暗物质三维立体图
大爆炸核形成、宇宙微波背景辐射和结构形成的研究证据表明了宇宙质量的25%是由非重子的暗物质组成的,而可见的重子物质只占宇宙质量的4%。作为星系周围晕环中的一种冷的、非辐射性的尘埃,暗物质的引力效应已经被了解得很透彻了,但是它的粒子物理性质还是个谜,人们从没有在实验室中观察到它们。暗物质的可能候选包括稳定的超对称粒子、弱作用重粒子(WIMP)、轴子和重的紧致空穴物体,它甚至还可能是在极小加速度下引力的修正(修正的牛顿动力学,或MOND)或瞙宇宙学的一种效应。

星系中心的物理(如活跃星系核,超重黑洞)可能会给暗物质的性质提供线索。

6、暗能量

宇宙学
宇宙的组成分
如果宇宙是平坦的,那么必须有一种东西组成71%的宇宙密度(扣除25%的暗物质和4%的重子物质)。它被称为暗能量。这种东西不能干涉大爆炸核合成和宇宙微波背景辐射,所以它不能象重子和暗物质那样在星系周围晕环中结团。因为宇宙是平坦的,所以我们知道它的总质量。通过观测我们也知道宇宙中结团物质的质量比总质量远远要小,这就为暗物质的存在提供了很强的证据。1999年发现的宇宙加速膨胀(类似宇宙早期的暴涨)为暗物质提供了更强的证据。

除了暗物质的密度和结团性质外,我们对它一无所知。量子场论预言了一种类似暗物质但比它大120个数量级的宇宙常数。温伯格和一些弦理论家由此提出人类学原理。他们认为宇宙常数如此小的原因是因为人类不能在其他大宇宙常数的世界中生存。许多人觉得这种解释很牵强。暗能量其他可能的解释包括精粹物质(quintessence)和在大尺度下引力的修正。这些模型的核心是暗物质的状态方程,不同的理论有不同的状态方程。暗物质的本质是宇宙学中最具挑战性的问题之一。

如果我们对暗物质有更好的理解,我们可能会解开宇宙最终结局这一谜题。在现在这个宇宙时期,由暗物质引起的宇宙加速膨胀阻碍了比超团更大结构的形成。我们还不清楚这种加速膨胀会不会永久持续下去。或许它会加快,甚至它也可能会变成减速膨胀。

7、其它研究方向

原初黑洞。

宇宙射线谱中的格莱森-查策平-库兹明截断。对此截断的违反是否隐示了在极高能下狭义相对论的失效。

等效原理。爱因斯坦引力理论是否正确,物理原理的普适性。

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