物理宇宙學

物理宇宙學是天體物理學的分支，即宇宙學。它是研究宇宙大尺度結構和宇宙形成及演化等基本問題的學科。宇宙學的研究對象是天體運動和它的第一起因，在人類歷史的很長一段時期曾是形而上學的一部分。

起源

作為科學，宇宙學起源於哥白尼原則和牛頓力學，它們指出天體和地球上的物體遵守同樣的物理原理並解釋了天體的運動。現在這一分支被稱為天體力學。一般認為，物理宇宙學起源於二十世紀的愛因斯坦廣義相對論和對極遠天體的天文觀測。二十世紀的科技進步使對宇宙起源的猜測成為可能。它也幫助建立了被絕大多數宇宙學家公認作理論和觀測基礎的大爆炸理論。（雖然職業宇宙學家認為大爆炸理論給觀測以最好的解釋，一些人至今仍在鼓吹另類宇宙學如等離子體宇宙學^[1]和穩恆態宇宙學。）大致來說，物理宇宙學處理的對象是宇宙中最大的物體（如星系，星系團，超星系團），最早形成的物體（如類星體）和幾乎均勻的最早期宇宙（大爆炸，宇宙暴脹，微波背景輻射）。

宇宙學是比較特別的學科。它對粒子物理，場論有很強的關聯。它的其他來源包括天體物理，廣義相對論和等離子體物理的研究。

極早期宇宙

雖然大爆炸理論^[2]看起來可以解釋早期熱宇宙，它卻面臨着許多困難。它的物理模型雖然很簡單，但是卻沒有被粒子物理所證實，其主要困難在於如何調和它和量子場論的矛盾。一些宇宙學家認為弦理論和膜宇宙學能為解決宇宙學原理提供另一方案。

宇宙學的另一主要問題是解釋為什麼粒子要多於反粒子。X射線觀測表明宇宙並不是由物質和反物質的區域組成的。它的主要組成是物質。

重子產生和宇宙暴脹都與粒子物理有密切的聯繫。這些問題的解決答案可能會產生於高能理論和實驗而不是於天文觀察中。

太初核合成過程

太初核合成是關於元素在早期宇宙形成的理論。當宇宙演化到大約三分鐘時，它已經足夠冷卻，這時核聚變及核合成過程就終止了。因為大爆炸核合成過程持續的時間極為短暫，從質子和中子出發，它的主要合成成品是輕元素如氘、氦-4和鋰。其它元素則極為微量。（重元素主要是由星體如超新星中的核反應而形成的。）雖然在1948年伽莫夫、阿爾菲和赫爾曼就已經提出了這個理論的基本觀點，由於在此理論中輕元素的豐度與早期宇宙的物理性質關係密切，它至今仍然是檢驗大爆炸時期物理理論的極靈敏的探針。比如，它可以用來檢驗等效原理、暗物質和中微子物理。

宇宙微波背景輻射

宇宙微波背景輻射是指退耦過程（即大爆炸所產生的光輻射停止與帶電離子的湯普生散射及原子第一次形成這一過程）所殘餘的輻射。這種輻射是由彭齊亞斯和威爾遜在1965年發現的。它具有幾乎完美的2.7K黑體輻射譜，只在十萬分之一內偏離各向同性。宇宙學家們可以用描寫早期宇宙細微起伏演化的宇宙學微擾理論來精確地計算輻射的角度功率譜。最近的衛星（COBE和WMAP）和地面及氣球（DASI，CBI和Boomerang）實驗也測量了此功率譜。這些工作的目的是為了更精確地測量 {\displaystyle \Lambda } \Lambda -冷暗物質模型的參數，同時也為了檢驗大爆炸模型和新物理模型的預言。例如，最近WMAP的測量就為中微子的質量提供了限制。

更新的實驗的目的則是測量微波背景譜的極化。它將為微擾理論提供更多的證據，也將為宇宙暴脹和所謂的次級非各向同性（如由背景輻射和星系和星系團相互作用引起的散亞耶夫-澤爾多維奇效應和薩克斯-沃爾夫效應）提供信息。

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