什么是宇宙学

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什么是宇宙学

　　(1). 宇宙学-从整体角度探讨宇宙结构和演化的天文学分支学科

　　(2). 现代宇宙学的诞生

　　　　中国古代的宇宙观
　　　　盖天说（周初）：地是平坦的，天如伞一样覆盖大地。
　　　　浑天说（战国）：天地有蛋形结构，地在中心，天在地周围。
　　　　宣夜说（战国）：天无限而空虚，星辰悬浮空虚之中。

　　　　7世纪　牛顿开创用力学方法研究宇宙学的途径，建立经典宇宙学。

　　　　1917年 爱因斯坦根据广义相对论建立了一个"静止、有限、无界"的宇宙模型，引进宇宙学原理、弯曲时空等概念，从而开创了现代宇宙学研究的时代。
　　　　1922年 苏联数学家弗里德曼探讨非静态宇宙及宇宙膨胀的可能性。
　　　　1927年 比利时主教、天文学家勒梅特提出均匀各向同性膨胀宇宙学模型。
　　　　1932年 勒梅特提出"原始原子"爆炸形成宇宙的概念。
　　　　1948年 美国天文学家伽莫夫发展勒梅特思想，奠定大爆炸宇宙论的基础。

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宇宙及其组成和结构

　　“宇宙是有限的还是无限的？有没有中心有没有边？有没有生老病死有没有年龄？”这些恐怕是自从有人类的活动以来一直被关心的问题。为了有一个更清楚的答案，让我们先来看看它的组成和结构吧。宇宙中的天体绚丽多彩，表现出了极高的层次性。
(1) 行星

　　我们居住的地球是太阳系的一颗大行星。太阳系一共有九颗大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。除了大行星以外，还有60多颗卫星、为数众多的小行星、难以计数的彗星和流星体等。他们都是离我们地球较近的，是人们了解的较多的天体。那么，除了这些以外，茫茫宇宙空间还有一些什么呢？

(2) 恒星和星云

　　晴夜，我们用肉眼可以看到许多闪闪发光的星星，他们绝大多数是恒星，恒星就是象太阳一样本身能发光发热的星球。我们银河系内就有1000多亿颗恒星。恒星常常爱好"群居"，有许多是"成双成对"地紧密靠在一起的，按照一定的规律互相绕转着，这称为双星。还有一些是3颗、4颗或更多颗恒星聚在一起，称为聚星。如果是十颗以上，甚至成千上万颗星聚在一起，形成一团星，这就是星团。银河系里就发现1000多个这样的星团。

　　在恒星世界中还有一些亮度会发生变化的星-变星。它们有的变化很有规律，有的没有什么规律。现在已发现了2万多颗变星。有时侯天空中会突然出现一颗很亮的星，在两三天内会突然变亮几万倍甚至几百万倍，我们称它们为新星。还有一种亮度增加得更厉害的恒星，会突然变亮几千万倍甚至几亿倍，这就是超新星。

　　除了恒星之外，还有一种云雾似的天体，称为星云。星云由极其稀薄的气体和尘埃组成，形状很不规则，如有名的猎户座星云。

　　在没有恒星又没有星云的广阔的星际空间里，还有些什么呢？是绝对的真空吗？当然不是。那里充满着非常稀薄的星际气体、星际尘埃、宇宙线和极其微弱的星际磁场。随着科学技术的发展，人们必定可以发现越来越多的新天体。

(3) 银河系及河外星系

　　随着测距能力的逐步提高，人们逐渐在越来越大的尺度上对宇宙的结构建立了立体的观念。这里第一个重要的发展，是认识了银河。它包含两重含义，一是了解了银河的形状，二是认识了河外天体的存在。

　　银河系是太阳所属的一个庞大的恒星集团，约包括1011颗恒星。这种恒星集团叫星系。银河系中大部分恒星分布成扁平的盘状。盘的直径为25kpc（千秒差距，1秒差距＝3.26光年＝3.09亿亿米），厚度约为2kpc。盘的中心有一球状隆起，称为核球。盘的外部由几条旋臂构成。太阳位于其中一条旋臂上，距离银心约7kpc。银盘上下有球状的延展区，其中恒星分布较稀疏，称为银晕。晕的总质量约占整体的10%，直径约为30kpc。我们的太阳，就其光度，质量和位置讲，都只是银河系中一个极普通的成员。

　　此外重要的是，并非天穹上一切发光体都是银河系的一部分。设想有一个类似银河系的恒星集团，处于500kpc的距离上（银河自身大小为30kpc）。其表观亮度与2pc远处一颗类似太阳的恒星是一样的。因此对天穹上的某个光点，只有测定它的距离，才能区分它是银河系内的恒星还是银河系外的另一个星系。实际上，天穹上的大多数光点是银河系的恒星，但也有相当大量的发光体是与银河系类似的巨大恒星集团，历史上曾被误认为是星云，我们称它们为河外星系，现在已知道存在1000亿个以上的星系，著名的仙女星系、大小麦哲伦星云就是肉眼可见的河外星系。星系的普遍存在，表明它代表宇宙结构中的一个层次，从宇宙演化的角度看，它是比恒星更基本的层次。

　　星系的质量差别很大。银河系的质量约为1011M⊙(太阳质量单位)。在明亮的星系中，这是典型的大小。质量很小的星系太暗，不易看到。小星系的质量可低达106M⊙。星系的典型尺度为几十千秒差距。若对视星等在23等以内的星系作统计，星系总数在109以上。

　　20世纪60年代以来，天文学家还找到一种在银河系以外象恒星一样表现为一个光点的天体，但实际上它的光度和质量又和星系一样，我们叫它类星体，现在已发现了数千个这种天体。

(4) 星系团

　　当我们把观测的尺度再放大，宇宙可看成由大量星系构成的"介质"，而恒星只是星系内部细致结构的表现。这样，为了了解宇宙结构，需关心星系在空间的分布规律。

星系的空间分布不是无规的，它也有成团现象。上千个以上的星系构成的大集团叫星系团。大约只有10%星系属于这种大星系团。大部分星系只结成十几、几十或上百个成员的小团。可以肯定的是，星系团代表了宇宙结构中比星系更大的一个新层次。这层次的尺度大小为百万秒差距，平均质量是星系平均质量的100倍。

(5) 大尺度结构

　　今天人们把10Mpc以上的结构称为宇宙的大尺度结构（目前观测到的宇宙的大小是104Mpc）。至今大尺度上的观测事实远不是十分明确的。有趣的是，有迹象表明，星系在大尺度上的分布呈泡沫状。即有许多看不到星系的"空洞"区，而星系聚集在空洞的壁上，呈纤维状或片状结构。这一层次的结构叫超星系团。它的典型尺度为几十兆秒差距。

　　从演化理论来考虑，尺度大到一定程度，应不再有结构存在。这是否符合事实，以及这尺度多大，都是十分重要，并需要有大尺度观测来回答的问题。现今对宇宙在50Mpc以上是否还有显著的结构现象存在，正是人们热烈争论中的焦点。

　　总之，若把星系看成宇宙物质的基本单元，那么星系的分布状况就是宇宙结构的表现。现在看来，直至50Mpc的尺度为止，星系的分布呈现有层次的结构。这就是我们对宇宙面貌的基本认识。

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无边宇宙简介

摘自《天文爱好者》２０００年第５期

　　无边界宇宙模型是史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)与詹姆·哈特尔 (Jim Hartle)于1983年提出来的。宇宙的历史可以参照地球表面的纬度来描述。纬度与北极的距离代表虚的时间(imaginary time)， 与北极等距离的圆周（纬度圈）长度代表宇宙的空间尺度。宇宙是作为从北极的一点（大爆炸）开始的，从北极一直往南走时，离北极等距离的纬度圈越来越大，这对应于宇宙随虚时间的膨胀。宇宙在赤道处达到最大的 尺度，再往南去，宇宙将随着虚时间的继续增长而收缩，最后在南极收缩成一点（大挤压）。尽管宇宙在北、南两极的尺度为零，但这两点不是奇点，科学定律在这里照样有效。

　　霍金和哈特尔为什么要采用虚时间呢？显然，我们生活在实时间中，例如，从未见到过停表用虚数来记录体育比赛的时间间隔。在无边界宇宙模型中使用的虚时间并不是宇宙事件经历时间的真实度量，而是一种避开奇点的方便的办法：先用虚时间表示宇宙的演化，然后将所得方程式转换到实时间，大爆炸宇宙的历史就能做为实时间的函数被描绘出来。
　
　　霍金和哈特尔就是用上述巧妙的办法从极早期宇宙的大爆炸模型中移去奇点的。对宇宙而言，奇点犹如一个边界，时间的（不是空间的）边界。若存在此边界，人们自然会提问：边界的另一侧是什么样子的，也就是说，大爆炸以前的宇宙是什么情景。在霍金和哈特尔的模型中，虽然在膨胀宇宙诞生的北极有一个“零时间”，但犹如地球的北极一样却没有边界。如果你在北极附近沿一直线向北散步，就会在越过北极后发现自己在向南行进了；同样，如果你能逆着时间向“零时间”旅行并一直走下去，则会在越过零时时发现自己又顺着时间前进了。你将不会停步在“大爆炸以前”。　

　　由此可见，上述宇宙模型是一个没有边界的完全自给自足的时空泡泡 (completely self-contained bubble of spacetime)，用霍金本人的话说："宇宙的边界条件是它没有边界。大挤压(Big Crunch)被著名的天文科普作家约翰·格里宾(John Gribbin) 称之为Omega点（Omega是希腊文最后一个字母Ω的读音），在1988年问世的格里宾的著作《The Omega Point》一书中，作者这样写道：“大挤压” 是一个不中听的名词，它很难恰当地描述像宇宙终结这样一个重要的事件，但还没有大家约定的较好的称谓，我便自作主张地借用了“Omega点”这 一名称[注]。在宇宙向Omega点坍缩的过程中，众多星系将在“大挤压”前的一年左右的时间里重重叠叠地挤在一起；这时，宇宙背景辐射的温度比恒星内部的温度还要高，众多繁星裂解成无数基本粒子组成的高温浓雾。 距Omega点约一小时的时候，星系中心的超大质量黑洞开始互相吞食，但按照加拿大艾伯塔大学的沃纳·伊斯雷尔(Werner Israel)和他的同事们提出的模型，由于存在着与许多大黑洞内部奇点有关的强引力场，将使这一最后的坍缩过程在普朗克时间10^(-43)秒内完成，而不是一小时。这确 实是一种比暴胀阶段的宇宙快速膨胀更具戏剧性得多的大暴缩。
　　
　　这个最后坍缩的最可能的结局是超密宇宙将“反弹”，开始一个新的膨胀相。Omega点变成一个新的大爆炸，而我们宇宙的大爆炸可能是另一 个宇宙的Omega点，或者说，是同一宇宙的前一个循环，一个振荡宇宙模型。由此可见，无边界宇宙，就时间而言，也是一个无始无终的宇宙。

　　1998年，根据对一些遥远星系内爆发的超新星的测量，天文学界曾掀起了一阵宇宙将永远膨胀下去的论断。霍金在1999年也表示过他相信宇宙将永远膨胀下去。果真如此的话，无边界宇宙模型也需要重新考虑了。

　　对无边界宇宙模型拟深入研究的读者，可阅读吴忠超同志用英文撰写的《No-Boundary Universe》一书（湖南科学技术出版社1993年出版）。

　　[注]：20世纪初，一位法国神学家皮埃尔泰尔哈德(Piorre Teilhard de Chardin)曾乐观地预言人类的创造力会发展得极快，最终，我们的人民将遍布于宇宙并获得控制整个宇宙的技能。其结果，将是人与自然的统一，导致空间收缩成为一个他称作“noosphere”的能量的大球，noosphere进一步收缩，导致Omega点。