重塑人類宇宙觀：過去100年里最重要的十大宇宙科學突破
2016年已經來臨。此時回顧過去，我們必須認識到，僅僅在100年前，我們對於宇宙的認知還是下面這樣：
那時起的100年間，每10年，我們對宇宙的認識都會被刷新一次。
1910年代：愛因斯坦的理論得到證實！廣義相對論因解釋牛頓萬有引力定律所不能解釋的事情（水星圍繞太陽軌跡的歲差問題）而名聲大震。但對一個科學理論來說，只解釋我們已經觀測到的東西是不夠的；它需要對一些還未被觀測到的事物做出預測。在過去的一個世紀里，它已經做出了很多預測——引力時間膨脹、強和弱引力透鏡，慣性系拖曳效應、引力紅移等等。但是，第一個預測是由愛丁頓等人在1919年的日全食中觀測到的星光彎曲。星光繞太陽彎曲的觀測量與愛因斯坦的理論一致，而與牛頓不符。從那時起，我們對宇宙的看法從此改變。
20世紀20年代：我們仍然不知道在銀河系之外還有宇宙的存在，但這一切因為20世紀20年代埃德溫·哈勃的工作而改變了。他觀察到了天空中一些螺旋狀的星雲，並能夠準確地在其中確定先前已知存在於銀河系中的某種變星。只是，它們的亮度是如此之低，肯定是在我們銀河系的幾百萬光年之外。哈勃並沒有在此停止，他繼續測量了十幾個星系的退行視速度和距離，從而發現了我們今天所知的正在膨脹的廣袤宇宙。
20世紀30年代：曾經人們一度認為如果你能測量出所有恆星的質量，或許再加上氣體和塵埃，你就能得出了宇宙中的所有物質。然而，通過觀察一個緻密星團中的星系(比如上面的后髮座星系團)，Fritz Zwicky發現恆星以及我們所知的「普通物質」(比如原子)並不足以解釋這些星團的內部運動。他將這種新物質命名為暗物質。對暗物質的觀測一直被忽略，直到20世紀70年代，人們對普通物質有了近一步的了解，才發現每個星系中都存在有大量的暗物質。我們現在知道暗物質比普通物質多，質量之比為5:1。
20世紀40年代：當大量的實驗和觀察資源進入到間諜衛星、火箭和核技術的發展時，理論物理學家們仍然在努力工作。1945年，喬治·伽莫夫對宇宙膨脹做出了最終的推斷：如果現在宇宙正在不斷膨脹與冷卻，那它在過去應該更熱，密度更大。回溯過去，一定有一個時間點，那時的宇宙太過炙熱、密度太高，以至於無法形成中性原子，而在那之前連原子核也無法形成。如果這些是真的，那麼在任何恆星形成之前，宇宙最初的材料中，最輕的元素應該有一個特殊的比例，並且，現在的宇宙中應該有一些餘暉彌散在各個方向上，溫度僅比絕對零度高一點點。這個理論框架在今天被熟知為宇宙大爆炸理論，是20世紀40年代產生的最偉大的思想。
20世紀50年代：與大爆炸相競爭的思想是穩恆態宇宙模型（Steady-State model），由Fred Hoyle和同時代的其他人提出。最精彩的是，他們認為今天地球上所有稍重一些的元素不是在早期炙熱且稠密的狀態下形成的，而是形成於最初幾代恆星之時。Hoyle及其合作者Willie Fowler和Burbidge夫婦（Geoffrey和Margaret）詳盡地描述了當恆星發生核聚變時，如何按照元素周期表的順序逐漸產生出了新的元素。最為出色的是他們預言了氦聚變成碳的過程，而這個過程過去從未被觀察到過。從這個理論，我們知道地球上現有的所有重元素都來自於最初的幾代恆星。
20世紀60年代：經過大約20年的辯論之後，人們終於獲得了決定宇宙歷史命運的重要發現：觀測發現了來自大爆炸的殘留輝光，也就是宇宙微波背景輻射。這種均勻分布的、2.725 K的輻射是由Arno Penzias和Bob Wilson在1965年發現的，當時他們誰也沒有意識到他們究竟發現了什麼。隨著時間的推移，該輻射的全波段黑體輻射光譜以及它的波動都被測量出來，從而表明宇宙真的開始於一次「大爆炸」。
20世紀70年代：在1979年末，一位年輕的科學家對生命有了新的想法。Alan Guth一直以來都在努力尋找方法來解決大爆炸理論中一些無法解釋的問題，例如為什麼宇宙在空間上是如此平坦；為什麼在所有方向上的溫度都一樣；為什麼沒有超高能量的殘留物等。這時他有了一個關於宇宙暴脹的想法。宇宙暴脹理論認為，在宇宙的炙熱緻密狀態之前，存在一個呈指數膨脹的狀態，所有能量都束縛在空間的結構中。現在的暴脹理論與Guth的初始想法相比，已經有了很多的改進，但是後續的觀測（包括宇宙微波背景中的漲落、宇宙大尺度結構、星系聚集、團簇和形成的方式）都支持暴脹理論的預測。我們的宇宙不僅始於一次大爆炸，而且在大爆炸發生之前，還有另外一個狀態。
20世紀80年代：雖然看起來不大可能，但是在1987年，爆發了近100年來離地球最近的超新星爆發。不僅如此，這也是人類擁有可探測超新星發出的中微子的探測器以來，首次探測到超新星爆發。儘管我們已經看到了發生在其他星系的超新星爆發，但是我們從沒見過一次距離如此之近的超新星爆發，以至於我們可以直接觀測到這些中微子。這20多顆中微子的發現標誌著中微子天文學的開始，而隨後的進步又讓我們發現了中微子振蕩、中微子質量和發生在一百萬光年之外的超新星爆發所誕生的中微子。而在下一次發生在我們銀河系的超新星爆發中，我們將探測到超過數十萬的中微子。
20世紀90年代：如果你認為暗物質以及發現宇宙如何開始是一個大命題的話，那麼你可以想像一下當1998年研究人員發現宇宙將會如何終結時引起了多麼大的轟動。歷史上我們人類想像了三種可能的命運：
雖然遠處的超新星爆發暗示著宇宙正在加速膨脹，並且隨著時間的推移，遠處的星系相互遠離的速度正在加快。不僅宇宙最終會冷卻，並且，這些相互不相關聯的星系最終也會消失在我們的宇宙視野中。除了我們本身的星系之外，其他的星系將不會和我們的銀河系相遇，我們最終的命運將會是寒冷而孤獨的。在1000億年以後，除了我們自己所處的星系之外，我們將再也看不到其他的星系。
21世紀伊始：宇宙微波背景輻射在1965年發現以後並沒有就此終結，而我們關於大爆炸殘留輝光的波動（或者缺陷）的測量發現了一些新的現象：宇宙究竟是由什麼構成的。來自COBE（宇宙背景探測器）的數據被WMAP（Wilkinson微波各向異性探測器）取代了，而反過來又被普朗克衛星進一步改進了。除此之外，來自大型星系巡天項目（如2度視場星系紅移巡天和斯隆數字巡天 ）的宇宙大尺度結構數據和遙遠的超新星爆發數據相結合，繪出了一幅宇宙的現代圖景：
2010年到2020年之間，又會有什麼樣的重大發現呢？是否會開創引力波天文學？我們是否會發現暗物質的真面目？上世紀的關於宇宙暴脹的預測是否會被證實？或者，我們是否可以發現宇宙中的地外生物？
我們尚不知道。但有一件事情是確定的：隨著2016年的到來，我們對於宇宙的理解，將會又我們對此所投入的資源所決定。
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