宇宙學初探1 基本圖景

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聲明：本文更注重科普性質，較少涉及數學。

一、宇宙各向同

每晚，我們站在大地上，仰望蒼穹時，我們總會驚奇於夜空星羅棋布的美妙。你是否曾想過，宇宙中的這些星星是如何分布的？我們生活在地球上，以地球的小視角觀察，這些星星彷彿是按照等級分布的，就好像中世紀歐洲或中國古代的西周那樣，有森嚴的等級序列。宇宙中星體的等級序列從小到大是：

恆星 star

星團 star cluster

星系 galaxy

星系群 galaxy group或星系團 galaxy cluster

超星系團 supercluster

再往上呢？沒有再往上了。或許你覺得，我們現在的探測技術受限，等到技術更發達時，我們會發現更大的結構。但越來越多的觀測事實表明，存在一種浩瀚界限。以幾億光年的尺度來看的話，這種等級現象消失了，宇宙從任何方向上看去都是相同的。這就是：

宇宙學原理 cosmological principle

在大尺度的觀測下，宇宙是均勻的且各向同性的。

這是宇宙學的基本原理，現代宇宙學都建立在此原理上。簡單地說，這條原理闡述了這麼一回事：大尺度下，宇宙沒有中心，因為各個地方都一樣。

二、宇宙在膨脹

宇宙學的一個輝煌成果就是發現了宇宙是在膨脹的。1917年，愛因斯坦將廣義相對論應用到整個宇宙進行考察。但人們根據廣義相對論推算髮現，宇宙不是靜態的，這與愛因斯坦的理念相違背，愛因斯坦便在他的場方程中加了一項宇宙學常數 cosmological constant（記為Λ）。

後來，哈勃通過天文觀測發現，星系都在離我們遠去。他察覺到，離我們越遠的星系，其退行速度越快。這個結論就是：

哈勃定律 Hubbles law

星系退行速度與星系離我們的距離成正比，比例係數叫哈勃常數 Hubble constant(記為H)。

哈勃敏銳地意識到，這不是星系自己運動，而是空間本身在膨脹。哈勃的宇宙膨脹發現證明了愛因斯坦的靜態宇宙觀念是錯誤的。愛因斯坦事後承認：「添加宇宙學常數項，是我一生中最大的錯誤」。

我們可以思考的更加深入：既然宇宙是在膨脹的，那麼讓時間倒退回去的話，宇宙越來越小，直至很早以前的某一個時刻，宇宙是一個點。這個點大爆炸後，宇宙誕生，這就是大爆炸理論 big bang theory。根據2015年普朗克衛星的觀測，宇宙已經138億歲了。

隨著宇宙學的發展，人們發現，哈勃常數H並非一成不變。弗里德曼運用廣義相對論推導出如下結論：

弗里德曼方程 Friedmann equations

哈勃常數的平方與宇宙的密度成正比。

這是一個極其重要的定律。它與宇宙學原理一道，成為現代宇宙學的重要基石。

弗里德曼等人還曾證明：

羅伯遜-沃爾克度規 FLRW metric

滿足宇宙學原理和廣義相對論的宇宙，只有三種可能，分別是封閉的、平坦的和開放的。

人們通過觀測發現，宇宙是平坦的。

後來人們發現宇宙在加速膨脹。為了解釋這個現象，愛因斯坦的宇宙學常數「死灰復燃」，宇宙學常數已成為詮釋暗能量的主流模型。如果愛因斯坦還有知，他或許會說：「原來當初添加那一項，是沒有錯誤的」。

三、宇宙非常暗

宇宙中的普通物質只佔總成分的5%，剩餘的95%由暗物質dark matter，暗能量dark energy組成。每一個組分都具有一定的特徵，這就是：

狀態方程 equation of state

宇宙的每一種成分都有一個參數ω對應，這個參數ω刻畫了這種成分對於宇宙演化的影響。

例如，物質的ω=0，表示它推動宇宙減速膨脹；暗能量的ω=-1，表示它推動宇宙加速膨脹。由於現在宇宙由暗能量主導，故宇宙加速膨脹。

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