幾千年來人類一直在觀察星星，並想知道宇宙是如何形成的。但直到第一次世界大戰期間，研究人員才開發出第一批觀測儀器和理論工具，將這些重大問題轉化為一個精確的研究領域：宇宙學。普林斯頓大學(Princeton University)宇宙學家保羅斯坦哈特(Paul Steinhardt)說：我認為宇宙學是人類感興趣的最古老的學科之一，但也是最新型的科學之一。簡單地說，宇宙學研究的是作為一個整體的宇宙，而不是單獨分析充滿宇宙的恆星、黑洞和星系。這個領域提出了一些重大問題：宇宙從何而來？

為什麼它有恆星，星系和星系團？接下來會發生什麼？紐約大學的粒子物理學家Glennys Farrar說：宇宙學正試圖為宇宙的本質繪製一幅非常大的圖景。因為這門學科涉及到許多現象，從真空中粒子到空間和時間的結構，宇宙學吸引了大量的領域，包括天文學、天體物理學以及越來越多的粒子物理學。宇宙學的某些部分完全屬於物理學，某些部分完全屬於天體物理學，還有一些部分是前後往複的，這是興奮的一部分。

一部宇宙史

該領域的跨學科性質有助於解釋其起步相對較晚的原因，直到20世紀20年代，阿爾伯特·愛因斯坦提出廣義相對論之後不久，我們對宇宙的現代圖景才開始融合在一起。廣義相對論是一個數學框架，將引力描述為空間和時間彎曲的結果。在你理解引力的本質之前，你無法真正解釋為什麼事物是這樣的。其他力對粒子有更大的影響，但重力是行星、恆星和星系領域的主要參與者。艾薩克·牛頓對引力的描述也經常適用於這個領域，但它把空間(和時間)當作一個剛性、不變的背景來衡量事件。

宇宙中充滿了恆星、氣體雲、星系、黑洞等等，是為什麼呢？圖片：NASA Images

愛因斯坦的研究表明，空間本身可以膨脹和收縮，把宇宙從舞台轉移到演員，並把它作為一個動態的研究對象帶入戰鬥。20世紀20年代中期，天文學家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)在加州威爾遜山天文台(Mount Wilson Observatory)用最近建成的100英寸(254厘米)胡克望遠鏡(Hooker telescope)進行了觀測。他試圖解決關於天文學家能看到的太空中某些星雲位置的爭論。哈勃證明了這些「星雲」並不是小的、局部的雲，而是巨大、遙遠的星團，類似於我們的銀河系——用當時的話說就是「島嶼宇宙」。

今天，我們稱它們為星系，並且知道它們的數量有數萬億 。從宇宙的角度來看，最大的劇變還沒有到來。哈勃在20世紀20年代末的研究表明，各個方向的星系都在加速遠離我們，這引發了數十年的進一步辯論。20世紀60年代，對宇宙微波背景輻射(CMB)的最終測量（宇宙早期遺留下來的光線，後來被拉伸成微波）證明了現實與廣義相對論提出的一種可能性相符：宇宙從小而熱開始，就變得越來越大，越來越冷。這個概念後來被稱為「大爆炸理論」，它讓宇宙學家感到震驚，因為它暗示著即使是宇宙也可能有一個開始和一個結束。但至少那些天文學家可以在望遠鏡里看到星系的運動

宇宙學最具震撼性的轉變之一是，宇宙中絕大多數物質是由某種完全看不見的東西構成（即暗物質和暗能量）。我們能看到的物質只不過是宇宙四捨五入的誤差——只有宇宙中所有物質的5%。其他95%的宇宙中的第一個居民，也就是所謂的「黑暗區」，在20世紀70年代抬起了頭。當時，天文學家維拉·魯賓(Vera Rubin)意識到，星系旋轉的速度如此之快，以至於它們應該把自己分開。除了難以看見的物質，使星系聚集在一起的物質必須是物理學家完全不知道的東西，除了它的引力之外，它完全忽略了普通的物質和光。後來的測繪顯示，我們看到的星系只是巨大「暗物質」暈中心的核。

橫跨宇宙可見物質的細絲懸掛在一個黑暗框架上，其重量是可見粒子的五倍。哈勃太空望遠鏡在20世紀90年代發現了一種意想不到的能量變化跡象——宇宙學家現在說，這種能量占宇宙剩餘的70%，而暗物質(25%)和可見物質(5%)則是由這種能量構成——「暗能量」，可能是空間本身固有的一種能量，正以比引力把宇宙拉到一起更快的速度把宇宙推開。在萬億年後，任何留在銀河系的天文學家都會發現自己身處一個真正的島嶼宇宙，被黑暗所籠罩。我們正處於宇宙歷史上的一個轉折點，從物質主宰宇宙到一種新能量主宰宇宙。暗物質決定了我們的過去，暗能量將決定我們的未來。

現代和未來宇宙學

目前宇宙學將這些具有里程碑意義的發現納入最高成就——Lambda-CDM模型。這個方程組有時被稱為宇宙學的標準模型，它描述了宇宙從第一個秒開始的過程。該模型假設了一定數量的暗能量(lambda，在廣義相對論中表示)和冷暗物質(CDM)，並對可見物質的數量、宇宙的形狀和其他特徵做出了類似猜測，這些都是由實驗和觀察決定。如果把嬰兒時期的宇宙電影往前推138億年，宇宙學家就會得到一個快照，從統計數據上看，我們可以在一定程度上測量到一切」。當宇宙學家將對宇宙的描述推入更深的過去和未來時，這個模型代表了要突破的目標。儘管Lambda-CDM已經取得了成功，但它仍有許多問題需要解決。

1964年羅伯特·威爾遜(Robert Wilson)和阿諾·彭齊亞斯(Arno Penzias)一起發現了宇宙微波背景輻射(CMB)，為大爆炸理論奠定了堅實的基礎。威爾遜和彭齊亞斯因這一發現獲得1978年諾貝爾物理學獎(他們與蘇聯科學家彼得·卡皮察(Pyotr Kapitsa)分享了這個獎項)。圖片：Clive Grainger (CfA)

宇宙學家在試圖研究宇宙目前的膨脹時，得到了相互矛盾的結果，這取決於是直接在附近的星系中測量膨脹，還是從宇宙微波背景輻射中推斷膨脹。這個模型也沒有說明暗物質或能量的構成。然後是存在最初一秒鐘的麻煩，那時宇宙大概從無限小的點變成了相對行為良好的氣泡。「膨脹」是一個試圖處理這一時期的流行理論，它解釋了一個更快速膨脹的短暫瞬間，是如何將極小的原始變化變成今天星系的大規模不均勻性，以及Lambda-CDM輸入值是如何得到它們的值的。然而，沒有人知道膨脹是如何具體發生的，也沒有人知道為什麼它會在它可能發生的地方停止。

科學家使用宇宙距離階梯來測量宇宙的膨脹率，梯子在這裡象徵性地顯示，是一系列恆星和星系內的其他已知距離的物體。通過將這些距離測量數據與物體遠離我們的速度相結合，科學家可以計算出膨脹率。圖片：NASA/JPL-Caltech

膨脹應該在空間的許多區域繼續存在，這意味著我們的宇宙只是包含所有可能的物理現實「多元宇宙」的一個部分——許多實驗主義者發現這是一個令人不安的不可檢驗想法。為了在這類問題上取得進展，宇宙學家們將目光投向了哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)和即將推出的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)等太空望遠鏡的精確測量，以及美國國家科學基金會(National Science Foundation)的激光干涉儀引力波天文台(Laser Interferometer gravity - wave Observatory)等新興引力波天文學領域的實驗。

如果存在多個宇宙，它們可能會相互碰撞，並在宇宙微波背景輻射中留下痕迹。圖片：Stephen Feeney/UCL

宇宙學家也加入了粒子物理學家和天體物理學家的跨學科競賽，來探測暗物質粒子。就像宇宙學要等到其他物理學分支成熟後才能開始一樣，它也要等到其他領域更加完善後才能揭示宇宙的歷史。為了把事情弄清楚，必須從本質上找出所有的物理定律，在所有的能量尺度和所有的條件下。其中任何一個的改變都可能從根本上改變宇宙學的故事。不知道這是否會發生，但令人驚訝的是，人們已經儘可能多地掌握了宇宙的複雜性，人類的大腦已經進化到這些問題可以得到解答的程度，至少有一些人可以，像小編的大腦就不行了，嗚嗚嗚┭┮﹏┭┮

博科園-科學科普｜文: Charlie Wood/Live Science

參考資料: ESA/Hubble/NASA/CfA/JPL

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