宇宙學(xué)

宇宙學(xué)是從整體的角度來(lái)研究宇宙的結(jié)構(gòu)和演化的天文學(xué)分支學(xué)科。

　　在中國(guó)古代，關(guān)于宇宙的結(jié)構(gòu)主要有三派學(xué)說(shuō)，即蓋天說(shuō)、渾天說(shuō)和宣夜說(shuō)。蓋天說(shuō)認(rèn)為大地是干坦的，天像一把傘覆蓋著大地；渾天說(shuō)認(rèn)為天地具有蛋狀結(jié)構(gòu)，地在中心，天在周圍；宣夜說(shuō)則認(rèn)為天是無(wú)限而空虛的，星辰就懸浮在空虛之中。

　　在古代希臘和羅馬，從公元前六世紀(jì)到公元一世紀(jì)，關(guān)于宇宙的構(gòu)造和本原有過(guò)許多學(xué)說(shuō)。如畢達(dá)哥拉斯學(xué)派的中心火焰說(shuō)(設(shè)想宇宙中心有一團(tuán)大火焰)；赫拉克利特的日心說(shuō)；柏拉圖的正多面體宇宙結(jié)構(gòu)模型等等。

　　進(jìn)入中世紀(jì)后，宇宙學(xué)被納入經(jīng)院哲學(xué)體系，地心說(shuō)占據(jù)正統(tǒng)的地位。十六世紀(jì)哥白尼倡導(dǎo)日心說(shuō)。到十七世紀(jì)，牛頓開(kāi)辟了以力學(xué)方法研究宇宙學(xué)的途徑，建立了經(jīng)典宇宙學(xué)。二十世紀(jì)以來(lái)，在大量的天文觀測(cè)資料和現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了現(xiàn)代宇宙學(xué)。

　　從歷史上看，隨著時(shí)代的發(fā)展，作為宇宙學(xué)研究對(duì)象的天體系統(tǒng)，在深度和廣度上不斷擴(kuò)展。古代自然哲學(xué)家所討論的天文學(xué)的宇宙，不外乎大地和天空。哥白尼在《天體運(yùn)行論》一書中說(shuō)“太陽(yáng)是宇宙的中心”，意味著宇宙實(shí)質(zhì)上就是太陽(yáng)系。

　　十八世紀(jì)天文學(xué)家引進(jìn)“星系”一詞，當(dāng)時(shí)這個(gè)詞在一定意義上說(shuō)只不過(guò)是宇宙的同義語(yǔ)。二十世紀(jì)以來(lái)，天文觀測(cè)的尺度大大擴(kuò)展，達(dá)到上百億年和上百億光年的時(shí)空區(qū)域。現(xiàn)代宇宙學(xué)所研究的課題，就是現(xiàn)今觀測(cè)直接或間接所及的整個(gè)天區(qū)的大尺度特征，即大尺度時(shí)空的性質(zhì)、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的形態(tài)和規(guī)律。

　　現(xiàn)代宇宙學(xué)包括密切聯(lián)系的兩個(gè)方面，即觀測(cè)宇宙學(xué)和理論宇宙學(xué)。前者側(cè)重于發(fā)現(xiàn)大尺度的觀測(cè)特征，后者側(cè)重于研究宇宙的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)以及建立宇宙模型。

　　觀測(cè)宇宙學(xué)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在目前觀測(cè)所及的天區(qū)上，存在著一些大尺度的系統(tǒng)性特征，比如：河外天體譜線紅移；微波背景輻射；星系的形態(tài)；天體時(shí)標(biāo)；氦豐度等。

　　除了幾個(gè)近距星系之外，河外天體譜線大都有紅移，而且絕大多數(shù)是一致紅移，即各種譜線的紅移量是相等的。此外，在星系團(tuán)尺度上，對(duì)于不同類型的星系，在各自的紅移量與視星等之間、紅移與星系角徑之間存在著系統(tǒng)性的關(guān)系。它們反映著紅移量與距離之間的規(guī)律。

　　在整個(gè)背景輻射中，微波波段比其他波段都強(qiáng)，譜型接近溫度為3K的黑體輻射。微波背景輻射大致是各向同性的。這種輻射的小尺度起伏不超過(guò)千分之二。三：大尺度的起伏則更小一些。

　　河外星系的形態(tài)雖有多種，但絕大多數(shù)星系都可歸納為不多的幾種類型，即橢圓星系、旋渦星系、棒旋星系、透鏡型星系和不規(guī)則星系。而且，各種類型星系的物理特征，彌散范圍不算太大。

　　從球狀星團(tuán)的赫羅圖形狀可以判斷，較老的球狀星團(tuán)的年齡差不多都達(dá)到100億年左右。按照同位素年代學(xué)計(jì)算，太陽(yáng)系中某些重元素是在50億到 100億年前形成的，即最老天體的年齡都不超過(guò)200億年。

　　在宇宙中，氫和氦是最豐富的元素，二者豐度之和約占99％。而且氫和氦的豐度比在許多不同的天體上均約為三比一左右。

　　這些大尺度上的現(xiàn)象，反映出大尺度天體系統(tǒng)具有特別的性質(zhì)。它的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和演化并非小尺度天體系統(tǒng)的簡(jiǎn)單延長(zhǎng)�，F(xiàn)代宇宙學(xué)正是以研究這一系列大尺度上所固有的特征而與其他天文分支學(xué)科相區(qū)別的。

　　宇宙模型主要包括三方面的問(wèn)題，即大尺度上天體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征、運(yùn)動(dòng)形態(tài)和演化方式。關(guān)于大尺度上天體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，有兩種不同的模型。一種是均勻模型，另一種是等級(jí)模型。前者認(rèn)為在大尺度上天體分布基本上是均勻各向同性的，或者說(shuō)，在大尺度上沒(méi)有任何形式的中心，沒(méi)有任何形式的特殊點(diǎn)，這種假定常常稱為宇宙學(xué)原理。等級(jí)模型則認(rèn)為在任何尺度上，物質(zhì)分布都具有非均勻性，即天體分布是逐級(jí)成團(tuán)的。

　　河外天體的系統(tǒng)性紅移現(xiàn)象與大尺度的運(yùn)動(dòng)形態(tài)有密切關(guān)系。說(shuō)明紅移現(xiàn)象的各種理論，都要涉及這個(gè)問(wèn)題。大致說(shuō)來(lái)，這些理論分為兩種類型：

　　第一種理論認(rèn)為系統(tǒng)性紅移是系統(tǒng)性運(yùn)動(dòng)的反映，各種膨脹宇宙模型都屬于這一類。第二種理論認(rèn)為紅移現(xiàn)象不是系統(tǒng)性運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，而是由另外的機(jī)制形成的。例如假定光子在傳播過(guò)程中，能量慢慢衰減；或者假定紅移是由天體本身結(jié)構(gòu)不同而引起的，等等。

　　演化問(wèn)題的探討自從紅移發(fā)現(xiàn)之后就開(kāi)始了，但是大量的研究還是在微波背景輻射發(fā)現(xiàn)之后才進(jìn)行的。根據(jù)微波背景輻射的黑體譜，可以用某個(gè)溫度來(lái)標(biāo)志大尺度天區(qū)的性質(zhì)。問(wèn)題是：背景輻射從何而來(lái)？這個(gè)溫度是怎樣變化的？溫度變化對(duì)天體系統(tǒng)的狀態(tài)有什么影響？這就是宇宙模型要回答的問(wèn)題。

　　按照大尺度特征變化與否來(lái)區(qū)分，有穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型和演化態(tài)模型。前者認(rèn)為大尺度上的物質(zhì)分布和物理性質(zhì)不隨時(shí)間變化；后者則認(rèn)為隨著時(shí)間的推移基本特征有明顯變化。

　　按照與溫度有關(guān)的演化方式來(lái)區(qū)分，則有熱模型和冷模型。前者主張溫度是從高到低，后者主張溫度是從低到高發(fā)展的。

　　按照物質(zhì)組成來(lái)區(qū)分，有“正”物質(zhì)模型和“正—反”物質(zhì)模型。前者主張宇宙全由“正”物質(zhì)組成，后者主張由等量的“正”物質(zhì)和“反”物質(zhì)組成。

　　在已有的各種宇宙模型中，以熱大爆炸宇宙模型最有影響，因?yàn)榕c其他模型相比，它能說(shuō)明的觀測(cè)事實(shí)最多。