宇宙学简介（一）

当我向物理学之外的朋友们解释我的研究方向：宇宙学的时候，他们往往会问我，宇宙有多大？宇宙有多古老？一方面，这说明大家对宇宙学很感兴趣。（当我讲到弦论的时候，他们就不再问问题，而是宁可选择沉默，或者只是把弦想像成面条。）另一方面，这也让我感觉到，如果能写一篇文章，让我的朋友看到宇宙学中那些更加有趣，也给人更多启发和思考的问题，介绍这些问题是怎么解答的，并且让朋友们发现一些通常很难和宇宙学联系起来的问题，居然也能在宇宙学中找到答案，那将是一个很有意义的事情。如果通过介绍，能使读者朋友对世界的一些基本方面有了更清晰，更科学的认识，那么，我就十分满足了。


宇宙学涉及到的问题包括，如何观测宇宙、宇宙从哪里来、宇宙的早期是什么样子、宇宙如何演化、宇宙的命运将走向何方、宇宙“之前”是什么、宇宙“外面”有什么、物体的质量从何而来、化学元素从何而来、星系从何而来……还有很多只有通过进一步的介绍才能提出和解答的问题。希望这篇文章能够告诉读者现代物理学对这些问题的解答。


为了介绍和解释这些问题，首先让我们看一看什么叫宇宙学。宇宙学把宇宙中所有成分作为一个整体，研究它们的起源、演化和命运。宇宙学是一门非常简单而又极端困难的科学。说宇宙学简单，是因为宇宙学建立在几个简单观测事实的基础上。宇宙学的理论也具有相当的简单性。虽然用到广义相对论，但是即使不知道广义相对论，只当作结论接受几个方程，也能够看到宇宙学的大概面貌。但另一方面，宇宙学又极端困难。在一些具体而深入的问题上，世界上最好的物理学家也被深深迷惑，不能给出令人满意的解答。这种困难的根源在于，宇宙是量子引力的天然实验室。表面看起来再简单的问题，一旦和量子引力相关，则人们往往对它无能为力。

下面，就让我们在宇宙学的领域做一次旅行。旅行的第一站，是宇宙学家如何观测我们的宇宙。

仰望星空：谈宇宙学观测手段

宇宙学的理论，是建立在基本的宇宙学观测的基础上的。而宇宙学理论，又增进了人们对宇宙的认识，进而能够对宇宙做出更精细的观测。宇宙学正是建立在这个实验和理论循环上升之中的。这里，我先介绍宇宙学基本的实验仪器，介绍仪器的功能和观测的手段。而这些观测的结果以及结果对理论的影响，则放到后面一点点地介绍。

这里需要说明的是，下面介绍的实验，并不是宇宙学中所有重要的实验。只是在下文的介绍中最切题，并最能够说明问题的实验。宇宙学中还有非常多美妙的实验，而更多的实验还等待着我们去设计和探索。另外，对下面实验的介绍，主要参考了它们的官方网站。文章中给出了这些网站的链接。

宇宙学观测的最直观的方法就是仰望星空。人的视力是有限的，而望远镜能扩展人视力的极限。这里我大致介绍两个有名的望远镜计划：哈勃(Hubble)望远镜和斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey，简称SDSS)。推荐大家看看这两个网站，至少是其中的相册(galley)。尽管我的专业就是宇宙学，经常看到类似图片。但是我为了本文写作而看了一下这两个网站上的照片，实在很震撼。

相信大家都听说过哈勃望远镜的鼎鼎大名。哈勃望远镜是NASA最成功的和最长寿的科学计划之一。为了避免地球大气层对光线的扭曲和阻挡，哈勃望远镜作为人造卫星在大气层上方环绕地球。哈勃望远镜主镜直径2.4米，虽然不是最大的望远镜，但是由于没有大气层的阻挡，它能够拍摄到十分清晰干净的太空图片。哈勃望远镜在进行天体物理观测的同时，也在为宇宙学提供着重要的数据。下图为哈勃望远镜。

斯隆数字巡天计划是迄今为止，人类历史上最宏伟的巡天计划。当这个计划完成的时候，它将为我们展现覆盖四分之一以上天区的细致的光学图像，以及一百万星系和类星体的三维图景。在海拔2804米的萨克拉门托山顶，美国新墨西哥州阿帕奇波因特天文台(Apache Point, NM )，有一台望远镜专门为斯隆数字巡天计划服务。这是与通常望远镜分时段进行多项观测任务不同的。这台望远镜直径2.5米，拥有一亿两千万像素的照相机，能够一次拍摄相当于八个满月面积的天区图像。同时，星系的光谱由光纤传输至光谱仪进行分析。下图为斯隆数字巡天望远镜。

通过这些望远镜的观测，我们能够得知宇宙中星体分布状况，通过各种方法得知这些星体离我们多远，以及通过红移效应得知这些星体如何运动。这些整个宇宙中星体的分布、位置以及运动的信息，将为我们描述出一幅宇宙演化的图景。

下面是SDSS拍摄的星空图片：

这个图片只是下面图片当中的一个非常小的区域。从下面图片看，宇宙大尺度上看是非常均匀的。当然，这并不是SDSS拍摄到的最大尺度。最大尺度的图片见SDSS网站中的相册。
为了研究宇宙，除了仰望星空，我们还可以察看来自宇宙大爆炸的余辉，以推测宇宙早期的信息。这种“宇宙大爆炸的余辉”称为“宇宙微波背景辐射”。后面的章节中，我们将介绍什么是宇宙微波背景辐射，以及它为什么是宇宙大爆炸的余辉。这里，我们先看一看如何来观测这些“余辉”。

微波背景辐射最早是意外地被发现的。美国贝尔实验室的工程师彭齐亚斯(Arno A.Penzias)和威尔逊(Robert W.Wilson)在研究如何降低通讯的噪声时，发现在微波波段有一些噪声总是出现，无论如何也不能被消除。工程师们采取了各种手段，包括赶走了在望远镜里面安家落户的鸽子，并清除了它们的粪便，也无济于事。彭齐亚斯和威尔逊或许没有想到，这个神秘噪声，就是宇宙学家苦苦搜寻的微波背景辐射，也正是这个发现，使他们获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

从此以后，物理学家设计了很多实验来探测微波背景辐射。重要的探测实验包括获得2006年诺贝尔奖的COBE卫星、现阶段探测微波背景辐射的主力WMAP卫星，以及这个领域未来的希望Planck卫星。

下图是COBE卫星：

下图是WMAP卫星：

下图是Planck卫星：

再贴几张WMAP卫星的实验结果图。这些实验结果的含义将在后续的文章中介绍。

这张图是比较直观的，WMAP通过这张图告诉我们宇宙的简要历史。宇宙各个历史时期中的主要物理过程也将是后续文章的主要内容。

下面这张图是WMAP的主要实验结果：天空中的微波背景。这张图中体现了宇宙的均匀性和不均匀性。后文中，我们将从中提取有用的信息。

到此为止，我还没有介绍这些实验为宇宙学提供了哪些信息，它们如何推动宇宙学的发展。不过，我们已经对这些实验有了感性的认识。在下面的介绍中，这些实验将作为我们最好的朋友，当我们不知理论上该怎么办的时候，实验会提示我们解决问题的办法。而理论上的猜想，在这些实验中也将得到验证。