宇宙學(xué)不是個(gè)人大腦中突然誕生的神秘科學(xué)，而是基于扎實(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)和可靠的數(shù)學(xué)理論的觀測(cè)科學(xué)。 現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生是在現(xiàn)代數(shù)學(xué)兩大支柱——相對(duì)論和量子熱的支持下誕生的，隨后又得到了天文望遠(yuǎn)鏡制造技術(shù)和天文觀測(cè)技術(shù)發(fā)展所帶來(lái)的數(shù)據(jù)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(xué)家史蒂芬·霍金發(fā)表《時(shí)間史》以來(lái)，宇宙學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)代時(shí)代的起源，從科學(xué)家的客廳走向了現(xiàn)代社會(huì)。公眾的晚飯后。
與面向大眾的《時(shí)間史》不同，蘭格爾的《宇宙世紀(jì)》是一本扎實(shí)的《宇宙隊(duì)長(zhǎng)》，讀起來(lái)可能需要更多的知識(shí)規(guī)劃。 本書詳細(xì)描述了20世紀(jì)現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生和一步步發(fā)展，并討論了近100年來(lái)現(xiàn)代天體化學(xué)各個(gè)分支的觀測(cè)和理論的發(fā)展。
蘭格爾，《宇宙的世紀(jì)》的作者，美國(guó)天體化學(xué)家。 他在讀研究生期間，正好趕上了1960年天體化學(xué)的大發(fā)展。同時(shí)，他也是大爆燃宇宙學(xué)與穩(wěn)態(tài)宇宙學(xué)爭(zhēng)論最激烈的人。 19世紀(jì)時(shí)代，朗吉爾的導(dǎo)師之一是穩(wěn)態(tài)宇宙學(xué)代表人物、英國(guó)天文學(xué)大師霍伊爾。 作者的學(xué)術(shù)生涯經(jīng)歷了從1960年至今宇宙學(xué)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的整個(gè)過(guò)程，他帶領(lǐng)天文學(xué)愛(ài)好者重新體驗(yàn)宇宙學(xué)的發(fā)展歷史是非常合適的。
“牛頓宇宙”模型的遺產(chǎn)
許多中國(guó)民間科學(xué)家之所以反對(duì)大爆燃宇宙論，是因?yàn)椤拔覀冊(cè)谘芯康臅r(shí)候”了解到“時(shí)間無(wú)限，空間無(wú)限，宇宙無(wú)生無(wú)終”。 這就是馬克思在世時(shí)、現(xiàn)代宇宙學(xué)誕生之前，在科學(xué)界和知識(shí)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(fā)起，并由牛頓和牛頓之后的科學(xué)家們確立的。 在處理低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些宇宙學(xué)提供了有效的參考系。 從目前來(lái)看，這也是對(duì)“近宇宙”的一個(gè)很好的采樣，因此可以稱得上是20世紀(jì)之前的科學(xué)。
哥白尼的日心說(shuō)和伽利略用新誕生的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的觀測(cè)拓展了人們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，從太陽(yáng)系的“果殼”中發(fā)現(xiàn)了可能無(wú)限的宇宙。 1664年，21歲的牛頓根據(jù)開(kāi)普勒第三定理引入了萬(wàn)有引力。 無(wú)論是月球還是天體，都會(huì)受到萬(wàn)有引力的影響，從而在熱學(xué)上統(tǒng)一天地，合理解釋太陽(yáng)系所有天體的運(yùn)動(dòng)。 但引力是對(duì)宇宙“穩(wěn)定存在”的挑戰(zhàn)。
1692年，一位法國(guó)牧師本特利（）寫信給牛頓，討論如何從數(shù)學(xué)的角度理解宇宙的本質(zhì)，三人開(kāi)始了簡(jiǎn)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(wú)限宇宙的穩(wěn)定性，并給出了宇宙必定是無(wú)限的推論，否則，有限宇宙必定會(huì)在引力作用下向宇宙移動(dòng)。 中心崩潰了。 但他們也以深刻的數(shù)學(xué)洞察力認(rèn)識(shí)到，盡管宇宙是無(wú)限的，但也存在引力不穩(wěn)定的問(wèn)題。 牛頓承認(rèn)：“上帝設(shè)計(jì)的宇宙是無(wú)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(wěn)定平衡狀態(tài)。”
牛頓的無(wú)限時(shí)空宇宙論并沒(méi)有解決穩(wěn)定性問(wèn)題，也沒(méi)有回答“宇宙的創(chuàng)造”問(wèn)題。 它只是逃避技術(shù)，把這個(gè)問(wèn)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(yáng)光，發(fā)現(xiàn)我們看到的白光實(shí)際上是由七種顏色的光組成，從而創(chuàng)造了光譜學(xué)。 對(duì)光的傳播和性質(zhì)的討論也成為牛頓理論的重要內(nèi)容。 有趣的是，盡管19世紀(jì)的科學(xué)家一直致力于“牛頓宇宙”，在光譜學(xué)領(lǐng)域取得了許多“非牛頓”的研究成果，但當(dāng)時(shí)的科學(xué)家并沒(méi)有意識(shí)到這一點(diǎn)。
1802年，托馬斯·楊（ Young）向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)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(dòng)論的正確性，并利用衍射光柵檢測(cè)了光的波長(zhǎng)。第一次出現(xiàn)不同顏色的光。 1817年，玻璃工人出身的日本科學(xué)家弗勞恩霍夫（）仔細(xì)研究太陽(yáng)光譜，發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)光譜中的亮線。 之后，他還發(fā)現(xiàn)星體光譜中也存在著同樣的亮線。 1859年，基爾霍夫（）在實(shí)驗(yàn)室中觀察了光穿過(guò)火焰的吸收光譜，發(fā)現(xiàn)了輻射特性與吸收特性之間的關(guān)系，因此他了解了夫瑯和費(fèi)譜中相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室鈉元素光譜。 亮線意味著太陽(yáng)和月球中存在相同的鈉元素。 這一發(fā)現(xiàn)繼牛頓萬(wàn)有引力理論之后，從物質(zhì)成分的角度統(tǒng)一了天體和月球。
對(duì)恒星光譜分類的研究從19世紀(jì)中葉持續(xù)到20世紀(jì)，并持續(xù)至今。 由于許多天體難以獲得直觀的圖像，光譜成為區(qū)分它們最重要的“身份證”，使天文學(xué)家可以檢測(cè)恒星的光度和距離。 1925年，哈勃（埃德溫）根據(jù)日本女天文學(xué)家萊維特（）發(fā)現(xiàn)的造父變星的周期-光關(guān)系，證明仙女座星云是河外星系，從而開(kāi)創(chuàng)了河外天文學(xué)。 1926年，哈勃通過(guò)統(tǒng)計(jì)證明銀河系附近恒星均勻分布。 他擔(dān)心，根據(jù)愛(ài)因斯坦的靜態(tài)宇宙模型，他已經(jīng)觀測(cè)到了宇宙直徑的1/600。 哈勃還擔(dān)心，根據(jù)天文板的衰退速度和望遠(yuǎn)鏡的規(guī)格，人們將能夠在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)間內(nèi)觀測(cè)到愛(ài)因斯坦宇宙的相當(dāng)一部分。
在光譜研究的基礎(chǔ)上，哈勃對(duì)恒星光譜的研究使他于1929年獲得了現(xiàn)代觀測(cè)宇宙學(xué)的第一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，解釋了恒星離開(kāi)的速度（即紅移現(xiàn)象）與恒星距離之間的關(guān)系。星星。 這就是哈勃定理，它證明整個(gè)宇宙（恒星系統(tǒng)）正在以勻速膨脹。 這一發(fā)現(xiàn)讓愛(ài)因斯坦感到尷尬和鼓舞，他本可以在觀測(cè)提供證據(jù)之前就發(fā)現(xiàn)宇宙可能正在膨脹。
愛(ài)因斯坦的誤判
牛頓數(shù)學(xué)統(tǒng)治了數(shù)學(xué)三百多年，解釋了幾乎所有自然現(xiàn)象，戰(zhàn)勝了無(wú)數(shù)困難，據(jù)說(shuō)堅(jiān)不可摧。 19世紀(jì)末的一些化學(xué)家覺(jué)得化學(xué)問(wèn)題已經(jīng)被牛頓理論解決了，卻沒(méi)想到廣義相對(duì)論卻被牛頓熱力學(xué)發(fā)源的太陽(yáng)系打敗了。 這就是水星進(jìn)動(dòng)的問(wèn)題。 1915年，愛(ài)因斯坦準(zhǔn)確地解決了水星進(jìn)動(dòng)問(wèn)題，這給了愛(ài)因斯坦最初的信心，并最終發(fā)表了完整的廣義相對(duì)論。
愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，在廣義相對(duì)論的框架下，他可以構(gòu)建一個(gè)描述整個(gè)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(fā)現(xiàn)宇宙在純引力作用下不存在穩(wěn)定的解。 由于天文觀測(cè)證據(jù)的限制，愛(ài)因斯坦并沒(méi)有立即意識(shí)到“不穩(wěn)定”的含義——宇宙可能在膨脹或收縮，他的大腦已經(jīng)被宇宙“穩(wěn)定”的表象所愚弄了。
1917年，愛(ài)因斯坦構(gòu)建了“宇宙的靜態(tài)模型”。 為了解決牛頓注意到的引力不穩(wěn)定問(wèn)題，愛(ài)因斯坦在他的方程中人為地引入了一個(gè)“宇宙常數(shù)”。 這個(gè)模型是第一個(gè)完全自洽的宇宙學(xué)模型，它描述了一個(gè)具有有限密度的封閉靜態(tài)宇宙，而這個(gè)宇宙模型實(shí)際上體現(xiàn)了牛頓時(shí)空理論的“生存”。 雖然“宇宙常數(shù)”突然出現(xiàn)，但為了讓宇宙保持“穩(wěn)定”，愛(ài)因斯坦也只能這么做。 這個(gè)模型就是哈勃在他 1926 年的論文中稱為“愛(ài)因斯坦宇宙”的模型。
幸運(yùn)的是天體物理學(xué)公式推導(dǎo)，不僅愛(ài)因斯坦等少數(shù)人了解廣義相對(duì)論，正如傳說(shuō)中所說(shuō)，一些化學(xué)家也開(kāi)始利用廣義相對(duì)論來(lái)構(gòu)建宇宙模型。 1924年，南斯拉夫科學(xué)家提出“宇宙膨脹”模型。
對(duì)于當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家來(lái)說(shuō)，“膨脹的宇宙”是一個(gè)令人難以置信的奇跡，因?yàn)樘煳挠^測(cè)并沒(méi)有給出任何證據(jù)表明“永恒”的宇宙會(huì)發(fā)生變化。 1927年，勒梅特（）重新發(fā)現(xiàn)了愛(ài)因斯坦方程的展開(kāi)式解。 他強(qiáng)調(diào)，宇宙可能是從“初級(jí)原子”或“宇宙蛋”這樣的小尺度演化而來(lái)，但他并不太自信地說(shuō)：“我們?nèi)匀灰忉層钪鏋楹闻蛎洝！?span style="display:none">579物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
僅僅三年后，年輕的哈勃就發(fā)現(xiàn)恒星存在系統(tǒng)性紅移：宇宙正在膨脹！ 牛頓的絕對(duì)時(shí)空論不再立足，宇宙膨脹成為新的“科學(xué)宇宙觀”。
大爆燃宇宙學(xué)的建立
20世紀(jì)20年代和1930年代，科學(xué)界的主要精力被新興的量子熱所吸引，天體化學(xué)家旨在基于量子力學(xué)和核化學(xué)來(lái)解釋恒星的能量來(lái)源，而宇宙學(xué)則僅以恒星紅移為支撐。 在大多數(shù)科學(xué)家看來(lái)，證據(jù)還不夠，只有少數(shù)科學(xué)家注意到宇宙學(xué)可以與量子熱結(jié)合起來(lái)。
出生于俄羅斯的伽莫夫（Gamow）年輕時(shí)發(fā)現(xiàn)了解釋?duì)了プ兊摹皠?shì)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(shí)，后來(lái)玻爾幫助伽莫夫逃離鐵幕下的南斯拉夫，移民到馬來(lái)西亞。 伽莫夫是弗里德曼以前的高中生，對(duì)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(rèn)為，“宇宙蛋”可能含有海洋的質(zhì)子、電子和氦核。 這個(gè)簡(jiǎn)單的粒子是所有物理元素的起源。
1948年愚人節(jié)，一篇由阿爾弗、貝特和伽莫夫署名的論文發(fā)表在《物理評(píng)論》雜志上。 在這篇文章中，作者從“中子海”開(kāi)始計(jì)數(shù)，描述了宇宙在第一分鐘所經(jīng)歷的化學(xué)過(guò)程，并解釋了氫和氦元素的產(chǎn)生。 這個(gè)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(xué)生阿爾夫和赫爾曼完善了原始核合成的計(jì)算。 他們意識(shí)到宇宙的初始狀態(tài)不是物質(zhì)而是充滿輻射天體物理學(xué)公式推導(dǎo)，這種輻射至今仍然存在。 ，他們計(jì)算出的熱背景水溫約為5K，這是大爆燃宇宙學(xué)的第一個(gè)科學(xué)預(yù)測(cè)。 伽莫夫并沒(méi)有意識(shí)到，當(dāng)時(shí)探測(cè)5K高溫輻射的技術(shù)已經(jīng)存在，但在《物理評(píng)論》αβγ論文同卷中，化學(xué)家迪克（Dick）發(fā)表了一篇利用雷達(dá)觀測(cè)的論文認(rèn)為星際二氧化碳的溫度不會(huì)低于20K，但此時(shí)尚未有人將其與宇宙微波背景輻射聯(lián)系起來(lái)。
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(shí)驗(yàn)室的兩位工程師（）和（）無(wú)意中發(fā)現(xiàn)了3K左右難以清除的“噪聲”，這就是微波背景輻射。
天體化學(xué)和宇宙學(xué)研究也受益于二戰(zhàn)后政府對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)的大量投資。 戰(zhàn)爭(zhēng)期間發(fā)展起來(lái)的估算技術(shù)和雷達(dá)技術(shù)也被應(yīng)用于天文研究。 天文觀測(cè)逐漸從傳統(tǒng)的光學(xué)波段擴(kuò)展到射電、X射線、伽馬射線等所有電磁波段。 觀測(cè)設(shè)備也從簡(jiǎn)單的望遠(yuǎn)鏡發(fā)展到汽車。 有了球、火箭和衛(wèi)星，宇宙學(xué)開(kāi)始了它的黃金時(shí)代。
宇宙學(xué)的黃金時(shí)代
哥白尼之前以月球?yàn)橹行牡摹坝钪妗笔且粋€(gè)“安全舒適”的宇宙，上帝在這里照顧他所選擇的人類。 牛頓時(shí)代的宇宙在時(shí)間和空間上是無(wú)限的，但在數(shù)學(xué)上卻是永恒而安靜的。 時(shí)間在安靜的空間里漂浮，人類面臨著未知的過(guò)去和未知的未來(lái)。 廣義相對(duì)論解釋的宇宙是動(dòng)蕩的，它有一個(gè)開(kāi)始，也可能有一個(gè)結(jié)束。
20世紀(jì)60年代以來(lái)的天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，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(huì)發(fā)生碰撞和合并。 、中子星、類星體星系都有很強(qiáng)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(fā)現(xiàn)同時(shí)，化學(xué)家開(kāi)始從量子熱和核化學(xué)的研究轉(zhuǎn)向天體化學(xué)和宇宙學(xué)，天文學(xué)也從獨(dú)立的傳統(tǒng)“方位天文學(xué)”成為數(shù)學(xué)的一部分。 1919年成立的國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAU）的成員數(shù)量也從1922年的200個(gè)下降到1938年的550個(gè)，再到2003年的9100個(gè)。
經(jīng)過(guò)20世紀(jì)六年的爭(zhēng)論，20世紀(jì)90年代宇宙學(xué)家終于建立了“標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型”，可以解釋宇宙早期“膨脹”過(guò)程中大尺度結(jié)構(gòu)的形成，并解釋剩下的宇宙的弱擾動(dòng)是如何迅速演化成恒星、星系和星團(tuán)等可觀測(cè)天體的。 天體化學(xué)家對(duì)于恒星和星系的演化過(guò)程也得到了比較滿意的答案。
“標(biāo)準(zhǔn)模型”的構(gòu)建并不意味著宇宙學(xué)和天體化學(xué)的所有問(wèn)題都得到了解決。 相反，還有更多的問(wèn)題等待著天文學(xué)家。 尚未完全解決的類星體和星系核問(wèn)題，以及新提出的恒星在宇宙早期就已經(jīng)“成熟”的問(wèn)題，正在考驗(yàn)下一代天文觀測(cè)技術(shù)和天文學(xué)家的耐心。
從20世紀(jì)30年代暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)到1998年暗能量的確認(rèn)，這兩種“看不見(jiàn)”的宇宙成分挑戰(zhàn)了經(jīng)典數(shù)學(xué)理論，并關(guān)系到宇宙的起源和未來(lái)。 它們總是提醒我們：宇宙的最終命運(yùn)仍然懸而未決。
