宇宙学：揭开宇宙的故事

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摘要：有时被称为宇宙学的标准模型，这束方程描述了宇宙从第一秒开始的情况。当宇宙学家把他们对宇宙的描述深入到过去和未来的时候，这个模型代表了一个要击败的目标。宇宙学家在试图研究宇宙的电流膨胀时会产生相互矛盾的结果，这取决于它们是直接测量在附近的星系还是从CMB中推断出来。就像宇宙学在其他物理学分支成熟之前无法开始一样，在其他领域更完整之前，它将无法完成对宇宙历史的揭示。

数千年来，人类一直在观察恒星，并想知道宇宙是如何形成的。但直到第一次世界大战爆发后，研究人员才开发出第一批观测仪器和理论工具，将这些重大问题转化为一个精确的研究领域：宇宙学。

“我认为宇宙学是人类感兴趣的最古老的学科之一，但却是最新的科学之一，”一位名叫Paul Steinhardt的科学家说普林斯顿大学的宇宙学家研究时间是否有一个开始。“KDSPE”“KDSPs”宇宙学，简而言之，把宇宙作为一个实体来研究，而不是单独分析填充它的恒星、黑洞和星系。这个领域提出了一个大问题：宇宙是从哪里来的？为什么它有恒星、星系和星系团？接下来会发生什么？”纽约大学粒子物理学家Glennys Farrar说：“宇宙学正试图对宇宙的性质进行一个非常大规模的描绘，因为这门学科涉及许多现象，从真空中的粒子到空间和时间的结构，宇宙学在许多领域都有很大的应用，包括天文学，天体物理学，以及越来越多的粒子物理学。

“宇宙学的一部分完全在物理学中，一部分完全在天体物理学中，还有一部分是来回的，”斯坦哈特说这是令人兴奋的一部分。

该领域的跨学科性质有助于解释其相对较晚的开始。我们对宇宙的现代图景是在20世纪20年代才开始形成的，在爱因斯坦发展出广义相对论之后不久，广义相对论是一个描述重力是时空弯曲的结果的数学框架事情就是这样，”斯坦哈特说。其他力量对粒子有更大的影响，但引力是行星、恒星和星系竞技场的主要参与者。艾萨克牛顿对引力的描述通常也适用于这个领域，但它将空间（和时间）视为一个刚性和不变的背景来测量事件。爱因斯坦的研究表明，空间本身可以膨胀和收缩，将宇宙从舞台转移到演员身上，并将其作为一个动态的研究对象带入争论之中。20世纪20年代中期的

，天文学家埃德温·哈勃在加利福尼亚威尔逊山天文台最近建造的100英寸（254厘米）胡克望远镜上进行了观测。他试图解决关于天文学家能看到的某些云层在太空中的位置的争论。哈勃望远镜证明了这些“星云”不是小的局部云，而是巨大的、遥远的星团，与我们银河系相似，用当时的说法就是“岛屿宇宙”。今天，我们称它们为星系，知道它们在万亿的数量。“KDSPE”“KDSPS”是宇宙视野中最大的剧变还没有到来。哈勃在20世纪20年代后期的工作表明，星系的各个方向都在加速远离我们，引发了数十年的进一步争论。对宇宙微波背景（CMB）的最终测量——宇宙早期遗留下来的光，自被拉伸成微波——在20世纪60年代证明了现实符合广义相对论提出的一种可能性：宇宙从小到热，从那时起就变得越来越大，越来越冷。这个概念后来被称为大爆炸理论，它让宇宙学家感到不安，因为它暗示着宇宙也可能有开始和结束。

是宇宙其他95%的第一个否认者，也就是所谓的“暗区”，在20世纪70年代抬头，天文学家薇拉·鲁宾意识到星系是如此快速地旋转，它们应该分开旋转。Farrar说，不仅仅是难以看到的物质，把星系保持在一起的东西必须是物理学家们完全不知道的东西，除了引力之外，它们完全忽略了普通物质和光。后来的地图显示，我们所看到的星系仅仅是巨大的“暗物质”球中心的原子核。延伸到宇宙中的可见物质细丝悬挂在一个暗框架上，暗框架比可见粒子大五比一。

哈勃太空望远镜随后发现了一种意料之外的能量变化的迹象——宇宙学家现在说，在解释了暗物质（25%）和可见物质（5%）——在20世纪90年代，它将宇宙的膨胀速度记录为像失控的火车一样加速。”暗能量“可能是空间本身固有的一种能量”，它推动宇宙分裂的速度超过了引力将宇宙拉到一起的速度。在一万亿年后，任何留在银河系的天文学家都会发现自己身处一个真正的岛屿宇宙，被 ... 所包围。

“我们正处于宇宙史上的一个转折点，从物质主导到新形式的能量主导，”斯坦哈特说暗物质决定了我们的过去。暗能量将决定我们的未来。

当前宇宙学将这些里程碑式的发现打包成其最重要的成就，即Lambda-CDM模型。有时被称为宇宙学的标准模型，这束方程描述了宇宙从第一秒开始的情况。该模型假设一定量的暗能量（以广义相对论为代表的lambda）和冷暗物质（CDM），并对可见物质的数量、宇宙的形状和其他特征做出类似的猜测，所有这些都是由实验和观察结果决定的。

将婴儿宇宙电影向前推进了138亿年，宇宙学家得到了一个快照，“从统计学上讲，我们可以测量到某一点的所有东西，”斯坦哈特说。当宇宙学家把他们对宇宙的描述深入到过去和未来的时候，这个模型代表了一个要击败的目标。

和Lambda CDM一样成功，但它仍然有很多问题需要解决。宇宙学家在试图研究宇宙的电流膨胀时会产生相互矛盾的结果，这取决于它们是直接测量在附近的星系还是从CMB中推断出来。这个模型并没有说明暗物质或能量的组成。“KdSPE”“KdSPS”，那么，当宇宙大概从无穷小斑点到相对论行为良好的气泡时，存在着麻烦的第二秒存在。“通货膨胀”是一个流行的理论，试图处理这一时期，解释一个短暂的甚至更快的膨胀如何将微不足道的原始变化吹到今天星系的大规模不均匀性，以及lambda CDM输入如何得到它们的值。或者为什么它会停在它可能停过的地方。斯坦哈特说，膨胀应该在空间的许多区域持续下去，这意味着我们的宇宙只是包含每一个可能的物理现实的“多元宇宙”的一部分——这是一个不稳定的想法，许多实验学家认为这令人不安。

在这些问题上取得进展，宇宙学家期待从哈勃太空望远镜和即将到来的詹姆斯韦伯太空望远镜等天基望远镜进行精确测量以及新兴引力波天文学领域的实验，如国家科学基金会的激光干涉引力波天文台。宇宙学家也加入了粒子物理学家和天体物理学家的跨学科竞赛来探测暗物质的粒子。

就像宇宙学在其他物理学分支成熟之前无法开始一样，在其他领域更完整之前，它将无法完成对宇宙历史的揭示。“为了让故事更直接，你必须在所有的能量尺度和条件下，基本上解出所有的物理定律而其中任何一个的改变都能从根本上改变宇宙学的故事。“KDSPE”“KDSPs”Farrar说她不知道这会不会发生，但惊奇的是人们已经掌握了宇宙的复杂性。她说：“令人惊讶的是，人类的大脑已经进化到这些问题显然可以得到答案。”其中至少有一些。

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