天外有天——现代宇宙学的兴起与发展王远谋101170067 匡亚明学院（大气科学学院基地班）20世纪的天文学，天体物理学是其主流。

最引人瞩目的成就是诞生了将整个宇宙作为研究对象的现代宇宙学。

以爱因斯坦的相对论为理论基础，以大尺度的天文观测，特别是河外星系的普通红移和宇宙背景辐射为事实依据，宇宙学展示了宇宙整体的物理特征，将人类对宇宙的探索提升到了一个新的高度。

本文就现代宇宙学的几大重要成果——宇宙的诞生（宇宙大爆炸理论的提出），宇宙的年龄（哈勃定律的提出），以及暗物质，暗能量的提出叙述现代宇宙学的兴起与发展。

关键词：宇宙年龄；大爆炸理论；宇宙膨胀；哈勃定律；暗物质，暗能量在近代自然科学产生以前，传统的观点（亚里士多德）认为，宇宙是一个有边有界的的世界，宇宙的最外层是由恒星天构成，恒星天是宇宙的边界。

在牛顿的无限无边的宇宙图景中，宇宙是一个三维的欧几里得空间，在任何一个方向均可无限延展下去。

在这个无限大的“箱子”中，布满了无限多的天体，这些天体在万有引力作用下按牛顿定律运动。

然而，这种宇宙图景在解释经验事实上遇到了困难，出现了“引力佯谬”“光度佯谬”等。

“光度佯谬”由奥尔柏斯在1826年提出，表达如下。

按照牛顿的宇宙图景可以作以下推论：1.在无限的空间中，充满了无限多的星体。

2.每颗星星虽然有生有灭，但从整体上看，可以认为宇宙的物质密度保持常数。

3.时间是无限的，从整体上讲，星体可以无限期存在。

4.无限远处星体的光，总可以通过无限长的时间传到地面。

5.在地面上，黑夜将像白天一样光亮。

这显然是荒谬的。

1.哈勃定律1929年，哈勃发表了《河外星系距离与视向速度的关系》一文，提出了闻名于世的“哈勃定律”，给出了简明的哈勃公式——河外星系离我们越远，它逃离的速度也越快，且二者成正比关系。

这表示我们所在的宇宙是在不断地向外膨胀，这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀。

因此，在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀，从任何一个星系来看，一切星系都以它为中心向四面散开，越远的星系间彼此散开的速度越大。

早在1912年，施里弗(Slipher)就得到了“星云”的光谱，结果表明许多光谱都具有多普勒(Doppler)红移，表明这些“星云”在朝远离我们的方向运动。

随后人们知道，这些“星云”实际上是类似银河系一样的星系。

1929年哈勃(Edwin Hubble)对河外星系的视向速度与距离的关系进行了研究。

当时只有46个河外星系的视向速度可以利用，而其中仅有24个有推算出的距离，哈勃得出了视向速度与距离之间大致的线性正比关系。

现代精确观测已证实这种线性正比关系v dH其中v为退行速度，以千米／秒为单位，d为星系距离，以百万秒差距为单位,H为比例常数，称为哈勃常数,这就是著名的哈勃定律。

哈勃定律有着广泛的应用，它是测量遥远星系距离的唯一有效方法。

只要测出星系谱线的红移，再换算出退行速度，便可由哈勃定律算出该星系的距离。

哈勃定律中的速度和距离不是直接可以观测的量。

直接观测量是红移和视星等。

因此，真正来自观测、没有掺进任何假设的是红移-视星等关系。

在此基础上再加上一些假设，才可得到距离-速度关系。

哈勃这一发现的意义真是无可估量，使人类对于宇宙的认识产生了飞跃的、质的提高，他因而也被人们尊称为“星海将军”、“宇宙边疆开拓者”、“星系天文学之父”。

可以说，没有哈勃一系列的开创性工作，就不会有后来的“大爆炸”学说。

2.大爆炸宇宙学说（1）根据大爆炸宇宙学模型的观点，宇宙150亿年的演化过程分为三个阶段。

大爆炸的整个过程大致是这样的：大约150亿年前，宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起，并浓缩成很小的体积，温度极高，密度极大。

突然，这个体积无限小的点在四大皆空的“无”中爆炸了，时空从这一刻开始，物质和能量也由此产生，这就是宇宙创生的大爆炸。

人们将大爆炸的瞬间定作宇宙年龄“零”时。

第一个阶段是宇宙的极早期。

宇宙处在这个阶段的时间特别短，短到以秒来计，称为“太初第一秒”。

刚刚诞生的宇宙是极其炽热、致密的，随着宇宙迅速膨胀，温度急速下降。

宇宙年龄为百分之一秒时，温度降到1000亿摄氏度；宇宙年龄为1秒时，温度继续下降，但仍高达100亿摄氏度以上，宇宙处于一种极高温、高密的状态，当时除氢核——质子外，没有任何别的化学元素，只有由质子、中子、电子、光子等基本粒子混合而成，成为热平衡状态下的“宇宙汤”。

第二个阶段是化学元素形成阶段，大约经历了数千年。

在“宇宙汤”中，原先只有中子和质子等基本粒子，在3分钟时中子和质子之比为1：6。

随着整个宇宙体系不断膨胀，温度很快下降。

当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，化学元素从这一时期开始形成。

中子和质子开始核聚变过程，所有的中子迅速合成到由两个质子和两个中子构成的氦核中，余下的质子就成了氢原子核。

这一时期还合成了其它轻元素，如氘、氚、锂、铍、硼等，数量较少。

各种轻元素的丰度——即与氢的比例在宇宙各处都是一定的。

当温度进一步下降到100万摄氏度时，早期形成化学元素的过程就结束了。

此时宇宙间的物质主要是这些比较轻的原子核和质子、电子、光子等，光辐射很强，但是没有星体存在。

第三个阶段是宇宙形成的主体阶段。

这个阶段的时间最长，至今我们仍生活在这一阶段中。

这一阶段起始于温度降到几千摄氏度时，此时上述各种原子核开始与电子结合为中性原子，这一过程称为复合。

由于温度的降低，辐射也逐步减弱，宇宙间主要是气态物质，这些物质的微粒相互吸引、融合，形成越来越大的团块。

又过了几十亿年，中性原子在引力作用下逐渐聚集，先后形成了各级天体。

气体逐渐凝聚成星云，并逐渐演化成星系、恒星和行星，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天所看到的五彩缤纷的星空世界。

在个别天体上还出现了生命现象，人类也终于在地球上诞生了。

（2）支持宇宙大爆炸的重要依据——微波背景辐射微波背景辐射是150亿年前发生的大爆炸在今天的宇宙结构上留下的印迹。

根据大爆炸理论，通过宇宙膨胀速度等可以具体计算宇宙每一历史时期的温度，伽莫夫等人在1948年就断言，我们的宇宙从最初的高温状态膨胀到现在已经很冷了，目前宇宙中应到处存在着一定温度的背景辐射，相应的温度大约是5K。

由于它的辐射峰值在微波波段，故称为宇宙微波背景辐射。

1964年，原初宇宙这一最重要的遗迹被发现了。

美国贝尔电话公司工程师彭齐亚斯和威尔逊在调试巨大的喇叭形天线时，出乎意料地收到一种无线电干扰噪声，这种噪声在天空中的任何方向上都能接收到，各个方向上信号的强度都一样，而且历时数月而无变化。

这种噪声的波长在微波波段，这一发现正是大爆炸宇宙论预言的宇宙微波背景辐射，经过进一步测量和计算，得出辐射温度是2．7K，一般称之为3K宇宙微波背景辐射。

1989年，美国航空和航天局专门发射了宇宙背景探测器卫星，对宇宙背景辐射进行更精密的测量。

宇宙微波背景辐射的发现，是继1929年哈勃发现星系谱线红移之后的又一重大的天文成就，因此它被列为20世纪60年代天文学四大发现之一。

微波背景辐射的发现有力地支持了宇宙大爆炸理论。

3.宇宙年龄根据哈勃定律可以知道，距离我们越远的星系，远离我们的速度就越快。

根据这个定理，我们可以计算宇宙膨胀了多久，因为星球的光波强弱，和它离开地球的距离有直接关系。

因此，科学家便可计算星球离开地球的距离，从而得知哈勃常数的数值，进一步更计算出宇宙的年龄。

而哈勃常数也可以称为宇宙膨胀系数。

设有一圆其半径R随时间t正比变化 R=Kt (K可以看作是该圆半径的膨胀系数) 再设圆上两点A,B,其对圆心的夹角为a, 则 A到B的弧线长度l可表示为l=aR=aKt则对A点来说,B的退行速度v可表示为v=l/t=aK由于夹角a可表示为v=K*(l/R)=(K/R)*l或 l=(R/K)*v可以看出,两点之间的距离和其相互间的退行速度之间存在正比关系,这正和哈勃观测到的现象一致。

他们之间的比例因子R/K刚好就是这个圆从半径为0变到R所需要的时间。

这个情形也可以推广到我们的宇宙。

更进一步,如果宇宙历史上不是均匀膨胀的，哈勃常所代表宇宙年龄可能比宇宙的实际年龄大或者小。

哈勃常数代表宇宙年龄。

哈勃定律为r=v/H上式中r为天体的距离，v=ZcZ为天体的光谱红移量，c为光速，H为哈勃常数。

哈勃常数H的倒数与R/K有点对应，也就是说按宇宙膨胀理论，哈勃常数H的倒数为宇宙的年龄。

4.暗物质与暗能量（1）暗物质的发现大约65年前，第一次发现了暗物质存在的证据。

弗里兹·扎维奇发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。

最直观的证据是旋涡星系的旋转曲线。

尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质以被广为接受了。

（2）暗能量的发现在引入宇宙暴涨理论之后，许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的）。

与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括4%的普通物质和96%的暗物质。

但事实上，观测从来就没有与此相符合过。

虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。

当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时，暗能量出现了。

暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。

从微观上讲，它们的组成是完全不同的——像普通的物质一样，暗物质是引力自吸引的，而且与普通物质成团并形成星系。

暗能量是引力自相斥的，并且在宇宙中几乎均匀的分布。

所以，在统计星系的能量时会遗漏暗能量。

暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。

（3）对宇宙认识的转变——没发现暗能量，仅知道暗物质时：按照爱因斯坦的广义相对论，在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的几何，以及宇宙的过去和未来。

当认识到暗能量时：总能量密度（物质能量密度与暗能量密度之和）决定着宇宙的几何特性。

并且宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。

普通中发光物质占了宇宙总能量的0.4%，其他的普通物质占了3.7%，暗物质占了近23%，另外的73%是占主导暗能量。

自上个世纪60年代宇宙微波背景辐射被发现后，作为“大爆炸”的遗迹，其被众多天文学家作为构建标准宇宙模型的基础，而关于宇宙物质构成的确认也主要依据宇宙微波背景辐射图谱的分析。

2001年6月，美国宇航局(NASA)发射了威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)，该探测器在宇宙学参量的测量上提供了许多比早先仪器更准确的数值，依据它提供的数据，宇宙是在不断加速膨胀的。