宇宙學不是個人大腦中突然誕生的神秘科學，而是基于扎實的觀測數據和可靠的數學理論的觀測科學。 現代宇宙學的誕生是在現代數學兩大支柱——相對論和量子熱的支持下誕生的，隨后又得到了天文望遠鏡制造技術和天文觀測技術發展所帶來的數據的支持。 自從身體被禁錮在輪椅上、心靈卻在宇宙深處遨游的化學家史蒂芬·霍金發表《時間史》以來，宇宙學已經成為現代時代的起源，從科學家的客廳走向了現代社會。公眾的晚飯后。
與面向大眾的《時間史》不同，蘭格爾的《宇宙世紀》是一本扎實的《宇宙隊長》，讀起來可能需要更多的知識規劃。 本書詳細描述了20世紀現代宇宙學的誕生和一步步發展，并討論了近100年來現代天體化學各個分支的觀測和理論的發展。
蘭格爾，《宇宙的世紀》的作者，美國天體化學家。 他在讀研究生期間，正好趕上了1960年天體化學的大發展。同時，他也是大爆燃宇宙學與穩態宇宙學爭論最激烈的人。 19世紀時代，朗吉爾的導師之一是穩態宇宙學代表人物、英國天文學大師霍伊爾。 作者的學術生涯經歷了從1960年至今宇宙學從簡單到復雜的整個過程，他帶領天文學愛好者重新體驗宇宙學的發展歷史是非常合適的。
“牛頓宇宙”模型的遺產
許多中國民間科學家之所以反對大爆燃宇宙論，是因為“我們在研究的時候”了解到“時間無限，空間無限，宇宙無生無終”。 這就是馬克思在世時、現代宇宙學誕生之前，在科學界和知識界被視為突出的“牛頓宇宙”模型。 這些宇宙觀是由哥白尼和布魯諾發起，并由牛頓和牛頓之后的科學家們確立的。 在處理低速運動時，這些宇宙學提供了有效的參考系。 從目前來看，這也是對“近宇宙”的一個很好的采樣，因此可以稱得上是20世紀之前的科學。
哥白尼的日心說和伽利略用新誕生的望遠鏡進行的觀測拓展了人們對宇宙的認識，從太陽系的“果殼”中發現了可能無限的宇宙。 1664年，21歲的牛頓根據開普勒第三定理引入了萬有引力。 無論是月球還是天體，都會受到萬有引力的影響，從而在熱學上統一天地，合理解釋太陽系所有天體的運動。 但引力是對宇宙“穩定存在”的挑戰。
1692年，一位法國牧師本特利（）寫信給牛頓，討論如何從數學的角度理解宇宙的本質，三人開始了簡短但頻繁的通信。 在致神父的信中，牛頓討論了散布著恒星的有限或無限宇宙的穩定性，并給出了宇宙必定是無限的推論，否則，有限宇宙必定會在引力作用下向宇宙移動。 中心崩潰了。 但他們也以深刻的數學洞察力認識到，盡管宇宙是無限的，但也存在引力不穩定的問題。 牛頓承認：“上帝設計的宇宙是無限大的，星星均勻地分布在其中，但它們卻像針尖一樣處于極其完美、微妙的不穩定平衡狀態。”
牛頓的無限時空宇宙論并沒有解決穩定性問題，也沒有回答“宇宙的創造”問題。 它只是逃避技術，把這個問題留給上帝。
跟隨星星走向宇宙
1664年“奇跡年”，牛頓用棱鏡研究太陽光，發現我們看到的白光實際上是由七種顏色的光組成，從而創造了光譜學。 對光的傳播和性質的討論也成為牛頓理論的重要內容。 有趣的是，盡管19世紀的科學家一直致力于“牛頓宇宙”，在光譜學領域取得了許多“非牛頓”的研究成果，但當時的科學家并沒有意識到這一點。
1802年，托馬斯·楊（ Young）向英國皇家學會提交了《光與顏色的理論》，利用光的雙縫干涉證明了光的波動論的正確性，并利用衍射光柵檢測了光的波長。第一次出現不同顏色的光。 1817年，玻璃工人出身的日本科學家弗勞恩霍夫（）仔細研究太陽光譜，發現了太陽光譜中的亮線。 之后，他還發現星體光譜中也存在著同樣的亮線。 1859年，基爾霍夫（）在實驗室中觀察了光穿過火焰的吸收光譜，發現了輻射特性與吸收特性之間的關系，因此他了解了夫瑯和費譜中相應的實驗室鈉元素光譜。 亮線意味著太陽和月球中存在相同的鈉元素。 這一發現繼牛頓萬有引力理論之后，從物質成分的角度統一了天體和月球。
對恒星光譜分類的研究從19世紀中葉持續到20世紀，并持續至今。 由于許多天體難以獲得直觀的圖像，光譜成為區分它們最重要的“身份證”，使天文學家可以檢測恒星的光度和距離。 1925年，哈勃（埃德溫）根據日本女天文學家萊維特（）發現的造父變星的周期-光關系，證明仙女座星云是河外星系，從而開創了河外天文學。 1926年，哈勃通過統計證明銀河系附近恒星均勻分布。 他擔心，根據愛因斯坦的靜態宇宙模型，他已經觀測到了宇宙直徑的1/600。 哈勃還擔心，根據天文板的衰退速度和望遠鏡的規格，人們將能夠在可預見的時間內觀測到愛因斯坦宇宙的相當一部分。
在光譜研究的基礎上，哈勃對恒星光譜的研究使他于1929年獲得了現代觀測宇宙學的第一個重大發現，解釋了恒星離開的速度（即紅移現象）與恒星距離之間的關系。星星。 這就是哈勃定理，它證明整個宇宙（恒星系統）正在以勻速膨脹。 這一發現讓愛因斯坦感到尷尬和鼓舞，他本可以在觀測提供證據之前就發現宇宙可能正在膨脹。
愛因斯坦的誤判
牛頓數學統治了數學三百多年，解釋了幾乎所有自然現象，戰勝了無數困難，據說堅不可摧。 19世紀末的一些化學家覺得化學問題已經被牛頓理論解決了，卻沒想到廣義相對論卻被牛頓熱力學發源的太陽系打敗了。 這就是水星進動的問題。 1915年，愛因斯坦準確地解決了水星進動問題，這給了愛因斯坦最初的信心，并最終發表了完整的廣義相對論。
愛因斯坦發現，在廣義相對論的框架下，他可以構建一個描述整個宇宙的模型。 這是繼牛頓-本特利通訊之后又一次“描述宇宙”的嘗試，但和牛頓一樣，他很快就發現宇宙在純引力作用下不存在穩定的解。 由于天文觀測證據的限制，愛因斯坦并沒有立即意識到“不穩定”的含義——宇宙可能在膨脹或收縮，他的大腦已經被宇宙“穩定”的表象所愚弄了。
1917年，愛因斯坦構建了“宇宙的靜態模型”。 為了解決牛頓注意到的引力不穩定問題，愛因斯坦在他的方程中人為地引入了一個“宇宙常數”。 這個模型是第一個完全自洽的宇宙學模型，它描述了一個具有有限密度的封閉靜態宇宙，而這個宇宙模型實際上體現了牛頓時空理論的“生存”。 雖然“宇宙常數”突然出現，但為了讓宇宙保持“穩定”，愛因斯坦也只能這么做。 這個模型就是哈勃在他 1926 年的論文中稱為“愛因斯坦宇宙”的模型。
幸運的是天體物理學公式推導，不僅愛因斯坦等少數人了解廣義相對論，正如傳說中所說，一些化學家也開始利用廣義相對論來構建宇宙模型。 1924年，南斯拉夫科學家提出“宇宙膨脹”模型。
對于當時的天文學家和數學家來說，“膨脹的宇宙”是一個令人難以置信的奇跡，因為天文觀測并沒有給出任何證據表明“永恒”的宇宙會發生變化。 1927年，勒梅特（）重新發現了愛因斯坦方程的展開式解。 他強調，宇宙可能是從“初級原子”或“宇宙蛋”這樣的小尺度演化而來，但他并不太自信地說：“我們仍然要解釋宇宙為何膨脹。”
僅僅三年后，年輕的哈勃就發現恒星存在系統性紅移：宇宙正在膨脹！ 牛頓的絕對時空論不再立足，宇宙膨脹成為新的“科學宇宙觀”。
大爆燃宇宙學的建立
20世紀20年代和1930年代，科學界的主要精力被新興的量子熱所吸引，天體化學家旨在基于量子力學和核化學來解釋恒星的能量來源，而宇宙學則僅以恒星紅移為支撐。 在大多數科學家看來，證據還不夠，只有少數科學家注意到宇宙學可以與量子熱結合起來。
出生于俄羅斯的伽莫夫（Gamow）年輕時發現了解釋α衰變的“勢壘穿透”伽莫夫公式，這是原子核研究中量子熱的最早成就之一。 伽莫夫因此贏得了玻爾的賞識，后來玻爾幫助伽莫夫逃離鐵幕下的南斯拉夫，移民到馬來西亞。 伽莫夫是弗里德曼以前的高中生，對宇宙膨脹的想法并不陌生。 勒梅特的“宇宙蛋”為伽莫夫提供了研究靈感。 勒梅特認為，“宇宙蛋”可能含有海洋的質子、電子和氦核。 這個簡單的粒子是所有物理元素的起源。
1948年愚人節，一篇由阿爾弗、貝特和伽莫夫署名的論文發表在《物理評論》雜志上。 在這篇文章中，作者從“中子海”開始計數，描述了宇宙在第一分鐘所經歷的化學過程，并解釋了氫和氦元素的產生。 這個理論被稱為αβγ理論（即作者名字的拉丁文詞綴）。 同年，伽莫夫的兩名中學生阿爾夫和赫爾曼完善了原始核合成的計算。 他們意識到宇宙的初始狀態不是物質而是充滿輻射天體物理學公式推導，這種輻射至今仍然存在。 ，他們計算出的熱背景水溫約為5K，這是大爆燃宇宙學的第一個科學預測。 伽莫夫并沒有意識到，當時探測5K高溫輻射的技術已經存在，但在《物理評論》αβγ論文同卷中，化學家迪克（Dick）發表了一篇利用雷達觀測的論文認為星際二氧化碳的溫度不會低于20K，但此時尚未有人將其與宇宙微波背景輻射聯系起來。
之前的故事很多人都耳熟能詳。 為了消除天線的噪聲，貝爾實驗室的兩位工程師（）和（）無意中發現了3K左右難以清除的“噪聲”，這就是微波背景輻射。
天體化學和宇宙學研究也受益于二戰后政府對基礎科學的大量投資。 戰爭期間發展起來的估算技術和雷達技術也被應用于天文研究。 天文觀測逐漸從傳統的光學波段擴展到射電、X射線、伽馬射線等所有電磁波段。 觀測設備也從簡單的望遠鏡發展到汽車。 有了球、火箭和衛星，宇宙學開始了它的黃金時代。
宇宙學的黃金時代
哥白尼之前以月球為中心的“宇宙”是一個“安全舒適”的宇宙，上帝在這里照顧他所選擇的人類。 牛頓時代的宇宙在時間和空間上是無限的，但在數學上卻是永恒而安靜的。 時間在安靜的空間里漂浮，人類面臨著未知的過去和未知的未來。 廣義相對論解釋的宇宙是動蕩的，它有一個開始，也可能有一個結束。
20世紀60年代以來的天文觀測發現，宇宙不僅在演化，而且在劇烈演化：恒星正在誕生和引爆，黑洞幾乎隱藏在每一顆大恒星的深處，甚至巨大的恒星也會發生碰撞和合并。 、中子星、類星體星系都有很強的輻射，能量極高的宇宙射線每天都在轟擊地球，讓安靜的宇宙顯得喧鬧。
與這些發現同時，化學家開始從量子熱和核化學的研究轉向天體化學和宇宙學，天文學也從獨立的傳統“方位天文學”成為數學的一部分。 1919年成立的國際天文學聯合會（IAU）的成員數量也從1922年的200個下降到1938年的550個，再到2003年的9100個。
經過20世紀六年的爭論，20世紀90年代宇宙學家終于建立了“標準宇宙學模型”，可以解釋宇宙早期“膨脹”過程中大尺度結構的形成，并解釋剩下的宇宙的弱擾動是如何迅速演化成恒星、星系和星團等可觀測天體的。 天體化學家對于恒星和星系的演化過程也得到了比較滿意的答案。
“標準模型”的構建并不意味著宇宙學和天體化學的所有問題都得到了解決。 相反，還有更多的問題等待著天文學家。 尚未完全解決的類星體和星系核問題，以及新提出的恒星在宇宙早期就已經“成熟”的問題，正在考驗下一代天文觀測技術和天文學家的耐心。
從20世紀30年代暗物質的發現到1998年暗能量的確認，這兩種“看不見”的宇宙成分挑戰了經典數學理論，并關系到宇宙的起源和未來。 它們總是提醒我們：宇宙的最終命運仍然懸而未決。
