宇宙学:揭示宇宙的故事
宇宙中充满了星星,气体云,星系,还有很多黑洞。宇宙学家问,“为什么?”
学分:美国宇航局图片

几千年来,人类观察过星星,想知道宇宙是如何形成的。但直到第一次世界大战的几年,研究人员才开发出第一批观测仪器和理论工具,将这些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,”保罗·斯坦哈特说,普林斯顿大学的宇宙学家,研究时间是否有开始。

宇宙学,简而言之,把宇宙作为一个整体来研究,与其单独分析恒星,黑洞和星系填满了它。这个领域提出了一个大问题:宇宙是从哪里来的?为什么有星星,星系和星系团?接下来会发生什么?“宇宙学正试图对宇宙的性质进行大规模的描绘,”格伦尼斯法拉说,纽约大学的粒子物理学家。

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,宇宙学在很多领域都有很大的应用,包括天文学,天体物理学和越来越多地,粒子物理学。

“宇宙学的某些部分完全是物理学的,完全属于天体物理学的部分,以及来回的部分,”斯坦哈特说。“这是兴奋的一部分。”

该领域的跨学科性质有助于解释其起步相对较晚的原因。我们对宇宙的现代认识是在20世纪20年代才开始形成的,后不久,阿尔伯特·爱因斯坦发展了广义相对论,把重力描述为空间和时间弯曲的结果的数学框架。

“在你了解重力的本质之前,你不可能真的对事物为何如此形成一个理论,”斯坦哈特说。其他力对粒子的影响更大,但是重力是行星竞技场的主要参与者,恒星和星系。牛顿对万有引力的描述也经常在这个领域中起作用,但它将空间(和时间)视为一个僵化不变的背景来衡量事件。爱因斯坦的研究表明空间本身可以扩张和收缩,把宇宙从一个舞台转移到另一个演员身上,并把它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,天文学家埃德温·哈勃通过最近在加利福尼亚威尔逊山天文台建造的100英寸(254厘米)胡克望远镜进行了观测。他试图解决一个关于天文学家能看到的某些云在太空中的位置的争论。哈勃证明这些“星云”并不小,当地的云,但却很大,遥远的星团类似于我们自己的银河系,用当时的说法是“岛宇宙”。今天,我们称它们为星系,并知道它们数万亿.

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各个方向的星系都在加速逃离从我们这里,引发数十年的进一步辩论。最终测量宇宙微波背景(CMB)-宇宙早期遗留下来的光,从那时起一直延伸到微波中-在20世纪60年代,证明了现实与广义相对论所建议的一种可能性相匹配:从小到热,从那时起,宇宙越来越大,越来越冷。这个概念被称为生活大爆炸,它让宇宙学家们很不安,因为它暗示着即使是宇宙也可能有开始和结束。

宇宙从一声巨响开始。宇宙学家预测恒星在另外的1.8亿年内不会形成。
宇宙从一声巨响开始。宇宙学家预测恒星在另外的1.8亿年内不会形成。
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但至少那些天文学家可以在他们的望远镜中看到星系的运动。宇宙学中地震最剧烈的变化之一,Farrar说,是指外面绝大多数的东西都是由别的东西构成的,完全看不见的东西。我们所能看到的物质只相当于宇宙的舍入误差——仅占宇宙中所有物质的5%。

宇宙其他95%的第一个居民,后来被称为“黑暗部门”的组织在20世纪70年代重新抬头。那时,天文学家维拉·鲁宾意识到星系旋转的如此之快应该让自己分崩离析.不难看出的是,Farrar说,把星系连在一起的东西对物理学家来说是完全未知的,除了引力之外,完全忽略了普通物质和光的东西。后来的地图显示,我们看到的星系只是巨大“暗物质”球体中心的核。伸展在宇宙中的可见物质的细丝挂在一个比可见粒子5:1还要重的黑暗框架上。

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,在占暗物质(25%)和可见物质(5%)的70%之后,在1990年代,这些能量占了宇宙的70%。当它达到宇宙的膨胀像失控的火车一样加速.“暗能量”,可能是一种能量空间本身固有的,把宇宙推开的速度快于引力把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国宇宙中,被黑暗包围。

“我们正处于宇宙历史的转折点,徳赢沙巴体育从物质主导到新能源主导,”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。”

当前的宇宙学将这些里程碑式的发现打包成了它的最高成就,这个ΛCDM模型.有时被称为宇宙学的标准模型,这个方程组描述了从第一秒开始的宇宙。该模型假设一定数量的暗能量(lambda,因为它在广义相对论)和冷暗物质(cdm)中的表现,并且对可见物质的数量做出了类似的猜测,宇宙的形状和其他特征,全部由实验和观察决定。

播放《宝贝宇宙》电影《前进138亿年》,斯坦哈特说,宇宙学家得到了一张快照,“从统计学上讲,在某一点上,我们可以测量到所有的东西。”这个模型代表了当宇宙学家将他们对宇宙的描述深入到过去和未来时要击败的目标。

与lambda CDM一样成功,它仍然有许多需要解决的问题。宇宙学家得到了相互矛盾的结果当他们试图研究宇宙当前的膨胀时,这取决于他们是直接在附近的星系中测量它,还是从宇宙微波背景辐射中推断出来。这个模型没有提到暗物质或能量的组成,要么。

然后是麻烦的第一秒,当宇宙从微乎其微的微粒变成相对论上表现良好的气泡时。“通货膨胀“这是一个试图处理这一时期的流行理论,解释了一个快速膨胀的短暂时刻是如何将微小的原始变化爆发成今天星系的大规模不均匀的,以及lambda cdm输入如何获得其值。

没有人知道通货膨胀是如何运作的,然而,或者为什么它停在它可能停的地方。斯坦哈特说,在太空的许多地区,通货膨胀应该持续下去,意味着我们的宇宙只是“多元宇宙”的一部分包含每一个可能的物理现实-一个不稳定的想法,许多实验家发现令人不安。

为了在这些问题上取得进展,宇宙学家从哈勃太空望远镜和即将到来的詹姆斯·韦伯太空望远镜等太空望远镜中寻找精确的测量数据,以及引力波天文学新兴领域的实验,比如国家科学基金会激光干涉仪引力波天文台。宇宙学家也加入粒子物理学家天体物理学家在探测暗物质粒子的跨学科竞赛中。

正如宇宙学直到物理学的其他分支成熟才开始一样,在其他领域更加完整之前,它将无法完成对宇宙历史的揭示。徳赢沙巴体育你必须在所有的能量尺度和所有的条件下,基本上计算出所有的物理定律,”斯坦哈特说。“任何一种变化都可能彻底改变宇宙学的故事。”

法拉说,她不知道这是否会发生,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可以明显回答这些问题的地步。”“至少有一些。”

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