宇宙論

宇宙論 圖片來自最國學

宇宙論是對宇宙的研究。其亦研究人類在宇宙中的位置。

雖然宇宙學這個詞是最近才有的，但人們對宇宙的研究已經有很長的一段歷史了，古希臘的托勒密是宇宙學已知的最早先驅。現代宇宙學是物理宇宙學的代名詞。它摒棄宗教和純哲學概念，藉助現代物理理論、數學方法和現代天文學觀測研究宇宙的成分、結構和演化。

目錄

概念

沿革

該詞最早由德國沃爾弗使用。黑格爾認為宇宙論的研究包括世界的偶然性、必然性、永恆性、有限性、規律性、人的自由和惡的起源。

馬克思主義哲學從唯物主義出發，其認為宇宙論的問題均由哲學世界觀決定，沒有單獨的宇宙論。

現代宇宙學與形而上學中的本體論的區別在於：現代宇宙學通過科學觀察探求這個世界什麼是真實的，其推理結果是用客觀經驗數據來證實的。 比如《時間簡史》中，霍金詳細討論了宇宙論中的客觀經驗數據的觀察。 而形而上學本體論雖然也研究世界終極真實是什麼，但其推理結果是無法用客觀經驗數據來證實。

現代宇宙學是物理宇宙學的代名詞，它摒棄宗教和純哲學概念，藉助現代物理理論、數學方法和現代天文學觀測研究宇宙的成分、結構和演化。換句話說，現代宇宙學認為宇宙本身可以在物理學的思維框架內用物理學的語言來描述，可說是人們雄心勃勃地將物理學理論應用到最大尺度上所得到的產物。現代宇宙學成功地預言了令人難以想象的觀測結果並解釋了令人困惑的現象（例如宇宙膨脹，宇宙微波背景輻射，化學元素豐度，星系和星系團空間分布），是現代物理科學在解釋物質世界規律這一任務上的又一次輝煌的勝利。另一方面，現代宇宙學也時時為基礎物理理論的研究提供靈感和挑戰，例如現代宇宙學中令人困惑的暗物質和暗能量被認為基礎物理理論發展的突破口之一。諾貝爾物理學獎曾多次頒發給現代宇宙學中的進展，包括1978年頒發給羅伯特·威爾遜和阿諾·彭齊亞斯（首次觀測到宇宙微波背景輻射）、2006年頒發給約翰·馬瑟和喬治·斯穆特（COBE衛星的領導科學家，確認微波背景輻射的黑體輻射形式和漲落） [5-6]以及2019年頒發給皮伯斯（物理宇宙學理論的奠基者之一）。

歷史沿革

在過往，希臘哲學家認為天是一個天球，當中的機械原理，就成為了現時天體力學的內容。在當時，阿里斯塔克斯、亞里士多德及托勒密曾提出過幾個不同的天體學理論，當中以托勒密用來解說天體運作的地心說被廣為接受，直到16世紀時為哥白尼所推翻，並得到開普勒及伽利略等人提出的新日心說理論所取代。這事件成為了宇宙物理學的一個最著名的認識論斷裂（epistemological rupture）的例子。

隨着牛頓及其於1687年出版的《自然哲學的數學原理》的出現，長久以來有關天體的運動問題終於被解決了。牛頓為開普勒定律的機制提供了物理上的解釋，而他的萬有引力定律使過往難以解釋的各種奇特天文現象，例如行星逆行的現象，都可以透過行星間的引力相互作用而解釋。牛頓的天體學理論與先前的理論在根本上最大的分別，在於哥白尼原則只提出地球在宇宙里沒有特殊地位，而牛頓卻更進一步的指出：不論是天體和地球，兩者皆遵守着相同的物理法則，這一點在宇宙物理學的進展來說是很重要的。

近代發展

現代宇宙學所使用的物理框架是廣義相對論。廣義相對論首先繼承了狹義相對論的顛覆性的認識，即在物理世界中時間和空間是一個整體，根據觀測者的運動狀態不同，兩件事發生的距離和相距的時間可以相互轉化。在此基礎上，廣義相對論把引力納入其理論框架，指出引力作用等同於時空的彎曲，也即物質的存在決定時空的形狀，而時空的形狀反過來告訴物質如何運動。從此，時空不再是物質活動的舞台，而是同樣「運動着的」物理對象，它和物質之間通過愛因斯坦場方程相互影響。

如果假設物質均勻且各向同性地分布在宇宙中（即宇宙學原理），愛因斯坦的引力場方程就可以被大大簡化，從而得到一組描述宇宙尺度演化的方程，稱為弗里德曼方程。所有符合這一組方程的模型均為弗里德曼宇宙模型。歷史上有一定影響的宇宙恆穩態理論和現在廣為接受的熱大爆炸宇宙模型，均是在這一基本物理框架下的模型。另一方面，人們也在發展不嚴格滿足宇宙學原理的宇宙學理論，因為物質分布在宇宙中是有微小變化（漲落）的。

弗里德曼模型（即廣義相對論加宇宙學原理）的直接推論就是宇宙的膨脹或者收縮。如果物質的總量不變，隨着宇宙的收縮或膨脹，宇宙的密度就會發生改變。一些研究者認為既然時間和空間是統一的，宇宙學原理也應當要求宇宙的密度不隨時間改變。穩恆態宇宙論就是為了滿足這個所謂的「完美宇宙學原理（perfect cosmological principle）」的要求。這種理論是1948年由海爾曼·邦迪、托馬斯·哥爾德和弗雷得·霍伊爾引入的。它假設物質不斷地以準確的速率產生出來恰好維持宇宙中各處相同的平均物質密度，從而使得宇宙在一切時代都具有相同的面貌。穩恆態理論（至少它的初始形式）是一個非常大膽的理論。大爆炸理論最薄弱的一環，即初始創生的時刻被暴露出來了。既然大爆炸理論可以斷言宇宙是在遙遠而有限的過去一瞬間創生的，那為什麼不能同樣合理地斷言任何時刻任何地方都在發生創造呢？

觀測證據是任何理論最嚴格的仲裁者，它終於否定了穩恆態宇宙論的這個大膽斷言。在1950年，由於進行了更精巧更有鑑別力的天文觀測，穩恆態理論的提倡者逐漸修改了它的形式。因為這個理論變得越來越牽強，只剩下一些最固執的支持者還相信它。最後，穩恆態宇宙論在1965年被宇宙微波背景輻射的發現推翻了，這一發現為宇宙早期的熾熱階段提供了不容置辯的證據。穩恆態宇宙論只不過是在現代宇宙論發展過程中的一個有相當歷史意義的插曲而已。 雖然人們一直敦促穩恆態理論的提出者同意宇宙膨脹開始於百億年前的一瞬，但是關於早期宇宙行為的無數種可能的宇宙模型仍然具有活力。哥白尼宇宙學原理只能用可觀測的宇宙來評判，而大爆炸理論對後者提供了極好的描述。不過，在宇宙還很年輕的早期，我們可以想象一種宇宙論和標準大爆炸模型的均勻各向同性膨脹非常不同。這種膨脹是各向異性的：在某個優先的方向上迅速膨脹而同時在另外的方向上坍縮。或者，宇宙也可能是非常不均勻的；在較密的區域可以發生局部的坍縮而形成黑洞。我們沒有科學上的理由偏愛簡單而規則的大爆炸模型而討厭宇宙可能有較離奇的開端。這兩種可能性同我們的物理規律都不矛盾，而天文觀測也還不能鑑別它們。

儘管有無數種可能的開端，我們還可求助於人擇宇宙學原理為宇宙挑出唯一的過去。按照這條原理必須承認標準大爆炸模型。因為假若宇宙以一種極不規則的方式演化，即不會有生命及人類進化出現了，其無法承載所有物理定律。所有那些混沌宇宙論經過充分長的時間以後，多半都會發展得不利於生命的存在。只有從無數種選擇中挑選出來的標準大爆炸模型才能提供適合生命演化的環境。

否認人擇原理的宇宙學者滿足於宇宙的混沌起源。顯然，這樣的宇宙反推回去要花無窮長的時間，因此人們可以認為這種觀點只具有學院式意義。相反，求助於人擇原理的宇宙學者選擇一種從初始至無窮永遠保持簡單的宇宙。選均勻的宇宙還是選早期混沌的宇宙，取開模型還是取閉模型，這乃是現代宇宙論面臨的主要抉擇。

作用

宇宙論是研究宇宙的大尺度結構和演化的學科。當我們巡視遙遠的太空深處時，也就是在沿着時間上溯。我們所看到的那些最遠的星系，它是很久很久以前當它們發出的光開始其漫長的太空旅行時的面貌。既然龐大的星系都曾經是年輕的，故宇宙結構如何產生的問題就同宇宙論不可分割地聯繫在一起。研究宇宙中可觀測的結構（從巨大的星系團到太陽系）的起源屬於天體演化學的領域。有待查明的根本問題包括：宇宙是何時和怎樣發端的，星系是如何形成並獲得我們觀測到的形態及尺度分布的，恆星是如何誕生的，行星和生命是如何演化的，等等。

用例

僅僅在20年前，人們還沒有什麼把握來回答宇宙論和天體演化學的這些根本問題。我們對於遙遠宇宙和早期宇宙的知識是如此貧乏，以至於好些很不相同的宇宙學理論似乎都可以解釋觀測資料。然而天文學家們作出了有關宇宙本性的激動人心的新發現，這些發現提供了壓倒優勢的證據支持一種宇宙學理論，即大爆炸理論。如今，人們正是在這個理論的框架內探索着宇宙論和天體演化學的根本問題。

儘管大爆炸理論還不能對所有的重大問題作出回答，可它卻為我們勾畫出了一幅宇宙演化的大致輪廓。在下面幾章中，我們將描述那些為大爆炸理論提供了證據的發現，並將追溯宇宙從最初時刻以來的演化。可以看到，當我們試圖回答宇宙論和天體演化學的某些基本問題時，新的問題和爭議又會不可避免地出現。我們理論的許多細節仍然是不確定的。在這種情況下，我們可以描述一些可供選擇的假說，並指出一些方向留待進一步的研究來判明。因此，我們的討論既包含了宇宙本身的過去和未來，也包含着人類為理解它所作努力的歷史和前景。

宇宙學原理

作為開始，我們要介紹一些形成任何科學的宇宙理論基礎的原理。

宇宙觀

自古以來，人類就不願放棄我們在宇宙里起着中心作用的想法。先是提出了地心宇宙觀，放棄地心宇宙觀以後又提出了日心宇宙觀。直到20世紀人們才認識到，我們的太陽不過是處在一個普普通通星系邊沿的一顆普普通通的恆星。我們的星系是一個大星系團外部的一個鬆散星系群的一員。甚至這個星系團（即室女座星系團）同我們在宇宙中其他地方看到的真正巨大的星系團相比，也只不過是一個毫不出眾的角色而已。我們在宇宙中的地位可以說是平凡到了極點。 這種用最大的光學望遠鏡觀測得來的知識，給宇宙學者留下了一個棘手的難題。我們的觀測是從宇宙中的一個特殊位置進行的，而建立一個宇宙學理論卻要求一般地了解整個宇宙中物質的性質和分布。宇宙學者需要擺脫這種令人遺憾的限制，他們的辦法是假設一個普適原理，這個原理要求宇宙在我們附近的部分同極遙遠的區域相比沒有什麼差別。有很強的哲學理由來為這種普適原理辯護。舉個例來說，物理學規律在全宇宙中應當是同樣的；因為若不如此，實驗就會不可重複，而我們的物理規律就會不成其為規律了。一個更強的要求是，大宇宙應當儘可能地簡單。用可以容許的最簡單模型來解釋現象，這是物理學前進的自然方式。不過，宇宙學原理也有一些不同的說法。

1543年，哥白尼提出地球可能不是宇宙的中心。哥白尼學說的邏輯推廣是應將我們的銀河系從任何優越的空間位置挪走。於是我們得到了近代宇宙論的重要基石，即哥白尼宇宙學原理。這個原理說，我們在宇宙空間中並不處於特別優越的位置。人們研究了天文底片上的大量星系以後發現，它們的出現頻率在不同方向上是頗為相似的。這一跡象表明，宇宙是局域各向同性的，從地球上看來，宇宙在不同方向上顯示出相同的面貌。（從中心看一個球是各向同性的，而看一個雞蛋就不然了。）哥白尼原理要求，宇宙在空間任何一點周圍都是各向同性的。矩的反射應足以驗證，點點各向同性要求宇宙在空間上也必須均勻。因為，如果宇宙是非均勻的，那麼它只能在某些特定位置上顯示出各向同性。

推廣

某些宇宙學者曾試圖把宇宙學原理推廣到包括沿時間不變的概念。根據這個原理，至少在最大的尺度上宇宙是永恆不變的。於是，完美宇宙學原理說，從空間和時間中的任何一點看去，宇宙都呈現出相似的面貌。由這個假設導出的穩恆態宇宙論已被觀測排除。因而，宇宙學者一般只接受宇宙學原理的較弱的形式，而我們也樂於承認，宇宙在空間（而不是時間）中是近似均勻且各向同性的。

原理

為了完備起見，我們還得談談人擇宇宙學原理。這個原理採取的觀點同完美宇宙學原理正好相反，宣稱人類是在一個特定時期觀察着宇宙的，儘管宇宙從空間任何點看去顯得一樣。假設這個特定時期是因為需要產生那些有利於生命演化的特殊條件，比方說，宇宙熾熱得多或稠密得多，星系就不能形成；假如引力的強度和我們的觀測值大不相同，行星系統就不能形成，或不適合於我們所知的生命形式存在。現已查明，地球的年齡和天文學家發現的最老恆星或星系的年齡相仿（頂多差4倍），這畢竟是一個驚人的符合。人擇宇宙學原理用「許可」來解釋這種相似性。宇宙本來可以比它實際的情形不規則和無序得多。人擇宇宙學原理斷言，若是那樣的話，各種條件就不能容許生命存在了。因此，作為觀察者，我們是生活在一個非常特殊的宇宙中，並且這個宇宙必須是均勻各向同性的。「人擇」是一個非常基本的論據，因為它試圖對哥白尼宇宙學原理作出解釋，而後者幾乎是所有有生命力的宇宙論的核心。

大爆炸理論

哈勃定律

大爆炸宇宙論認為：宇宙是由一個緻密熾熱的奇點於150億年前一次大爆炸後膨脹形成的。

1929年，美國天文學家哈勃提出星系的紅移量與星系間的距離成正比的哈勃定律，並推導出星系都在互相遠離的宇宙膨脹說。宇宙並非永恆存在而是從虛無創生的思想在西方文化中可以說是根深蒂固。雖然希臘哲學家曾經考慮過永恆宇宙的可能性，但是，所有西方主要的宗教一直堅持認為宇宙是上帝在過去某個特定時刻創造的。像歷史學家一樣，宇宙學家意識到開啟未來的鑰匙在於過去。

早在1929年，埃德溫·哈勃作出了一個具有里程碑意義的發現，即不管你往哪個方向看，遠處的星系正急速地遠離我們而去。換言之，宇宙正在不斷膨脹。這意味着，在早先星體相互之間更加靠近。事實上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時刻，它們剛好在同一地方，所以哈勃的發現暗示存在一個叫做大爆炸的時刻，當時宇宙無限緊密。

1950年前後，伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的觀念。這個創生宇宙的大爆炸不是習見於地球上發生在一個確定的點，然後向四周的空氣傳播開去的那種爆炸，而是一種在各處同時發生，從一開始就充滿整個空間的那種爆炸，爆炸中每一個粒子都離開其他每一個粒子飛奔。事實上應該理解為空間的急劇膨脹。"整個空間"可以指的是整個無限的宇宙，或者指的是一個就像球面一樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙。根據大爆炸宇宙論，甚早期的宇宙是一大片由微觀粒子構成的均勻氣體，溫度極高，密度極大，且以很大的速率膨脹着。這些氣體在熱平衡下有均勻的溫度。這統一的溫度是當時宇宙狀態的重要標誌，因而稱宇宙溫度。氣體的絕熱膨脹將使溫度降低，使得原子核、原子乃至恆星系統得以相繼出現。

宇宙歷史

從1948年伽莫夫建立熱大爆炸的觀念以來，通過幾十年的努力，宇宙學家們為我們勾畫出這樣一部宇宙歷史：

大爆炸開始時：

150－200億年前，極小體積，極高密度，極高溫度。

大爆炸後：

10-43秒 宇宙從量子背景出現。

10-35秒 同一場分解為強力、電弱力和引力。

10-5秒 10萬億度，質子和中子形成。

0.01秒 1000億度，光子、電子、中微子為主，質子中子僅占10億分之一，熱平衡態，體系急劇膨脹，溫度和密度不斷下降。

0.1秒後 300億度，中子質子比從1.0下降到0.61。

1秒後 100億度，中微子向外逃逸，正負電子湮沒反應出現，核力尚不足束縛中子和質子。

13.8秒後 30億度，氘、氦類穩定原子核（化學元素）形成。

35分鐘後 3億度，核過程停止，尚不能形成中性原子。

大爆炸後30萬年後 3000度，化學結合作用使中性原子形成，宇宙主要成分為氣態物質，並逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體雲塊，直至恆星和恆星系統。

理論意義

大爆炸理論揭示了宇宙演化的壯闊景象。宇宙膨脹大約開始於200億年前。這個初始時刻及其以前的條件純屬猜測的範疇。早期宇宙非常熾熱、非常緻密，同時也許還是很不規則的。這種不規則性和各向異性逐漸消失了。在大爆炸後數分鐘內出現了一些核反應，宇宙中幾乎所有的氦就是在那時合成的。隨着膨脹的進行，宇宙逐漸變冷，就像熱空氣邊膨脹邊冷卻一樣。宇宙背景輻射就是這個早期時代的遺蹟。人們一直恰當地把它稱為原始火球的剩餘輻射。根據一種宇宙演化的方案，隨着宇宙中物質的冷卻，它終將凝聚為原星系。原星系分裂為恆星並聚在一起成為範圍廣闊的巨大集團。隨着頭幾代恆星的誕生和死亡，逐漸合成了碳、氧、硅、鐵這類重元素。當恆星演化為紅巨星時，它們便拋出凝結為塵粒的物質。從氣體和塵埃雲中形成了新一代的恆星。至少在一個這樣的星雲里，冷的塵埃坍縮成一個環繞恆星的薄盤。塵粒通過合併彼此附着並累積成較大的物體，這些物體在彼此引力的吸引下長大，形成從小行星到大行星的形形色色天體，這些天體就構成了太陽系。

大爆炸理論引導我們追溯整個宇宙的演化，從時間的頭幾毫秒到地球的形成和生命的出現，再走向可能是無限的未來。