宇宙學

宇宙學是從整體的角度來研究宇宙的結構和演化的天文學分支學科。

　　在中國古代，關于宇宙的結構主要有三派學說，即蓋天說、渾天說和宣夜說。蓋天說認為大地是干坦的，天像一把傘覆蓋著大地；渾天說認為天地具有蛋狀結構，地在中心，天在周圍；宣夜說則認為天是無限而空虛的，星辰就懸浮在空虛之中。

　　在古代希臘和羅馬，從公元前六世紀到公元一世紀，關于宇宙的構造和本原有過許多學說。如畢達哥拉斯學派的中心火焰說(設想宇宙中心有一團大火焰)；赫拉克利特的日心說；柏拉圖的正多面體宇宙結構模型等等。

　　進入中世紀后，宇宙學被納入經院哲學體系，地心說占據正統的地位。十六世紀哥白尼倡導日心說。到十七世紀，牛頓開辟了以力學方法研究宇宙學的途徑，建立了經典宇宙學。二十世紀以來，在大量的天文觀測資料和現代物理學的基礎上，產生了現代宇宙學。

　　從歷史上看，隨著時代的發展，作為宇宙學研究對象的天體系統，在深度和廣度上不斷擴展。古代自然哲學家所討論的天文學的宇宙，不外乎大地和天空。哥白尼在《天體運行論》一書中說“太陽是宇宙的中心”，意味著宇宙實質上就是太陽系。

　　十八世紀天文學家引進“星系”一詞，當時這個詞在一定意義上說只不過是宇宙的同義語。二十世紀以來，天文觀測的尺度大大擴展，達到上百億年和上百億光年的時空區域。現代宇宙學所研究的課題，就是現今觀測直接或間接所及的整個天區的大尺度特征，即大尺度時空的性質、物質運動的形態和規律。

　　現代宇宙學包括密切聯系的兩個方面，即觀測宇宙學和理論宇宙學。前者側重于發現大尺度的觀測特征，后者側重于研究宇宙的運動學和動力學以及建立宇宙模型。

　　觀測宇宙學已經發現，在目前觀測所及的天區上，存在著一些大尺度的系統性特征，比如：河外天體譜線紅移；微波背景輻射；星系的形態；天體時標；氦豐度等。

　　除了幾個近距星系之外，河外天體譜線大都有紅移，而且絕大多數是一致紅移，即各種譜線的紅移量是相等的。此外，在星系團尺度上，對于不同類型的星系，在各自的紅移量與視星等之間、紅移與星系角徑之間存在著系統性的關系。它們反映著紅移量與距離之間的規律。

　　在整個背景輻射中，微波波段比其他波段都強，譜型接近溫度為3K的黑體輻射。微波背景輻射大致是各向同性的。這種輻射的小尺度起伏不超過千分之二。三：大尺度的起伏則更小一些。

　　河外星系的形態雖有多種，但絕大多數星系都可歸納為不多的幾種類型，即橢圓星系、旋渦星系、棒旋星系、透鏡型星系和不規則星系。而且，各種類型星系的物理特征，彌散范圍不算太大。

　　從球狀星團的赫羅圖形狀可以判斷，較老的球狀星團的年齡差不多都達到100億年左右。按照同位素年代學計算，太陽系中某些重元素是在50億到 100億年前形成的，即最老天體的年齡都不超過200億年。

　　在宇宙中，氫和氦是最豐富的元素，二者豐度之和約占99％。而且氫和氦的豐度比在許多不同的天體上均約為三比一左右。

　　這些大尺度上的現象，反映出大尺度天體系統具有特別的性質。它的結構、運動和演化并非小尺度天體系統的簡單延長。現代宇宙學正是以研究這一系列大尺度上所固有的特征而與其他天文分支學科相區別的。

　　宇宙模型主要包括三方面的問題，即大尺度上天體系統的結構特征、運動形態和演化方式。關于大尺度上天體系統的結構，有兩種不同的模型。一種是均勻模型，另一種是等級模型。前者認為在大尺度上天體分布基本上是均勻各向同性的，或者說，在大尺度上沒有任何形式的中心，沒有任何形式的特殊點，這種假定常常稱為宇宙學原理。等級模型則認為在任何尺度上，物質分布都具有非均勻性，即天體分布是逐級成團的。

　　河外天體的系統性紅移現象與大尺度的運動形態有密切關系。說明紅移現象的各種理論，都要涉及這個問題。大致說來，這些理論分為兩種類型：

　　第一種理論認為系統性紅移是系統性運動的反映，各種膨脹宇宙模型都屬于這一類。第二種理論認為紅移現象不是系統性運動的結果，而是由另外的機制形成的。例如假定光子在傳播過程中，能量慢慢衰減；或者假定紅移是由天體本身結構不同而引起的，等等。

　　演化問題的探討自從紅移發現之后就開始了，但是大量的研究還是在微波背景輻射發現之后才進行的。根據微波背景輻射的黑體譜，可以用某個溫度來標志大尺度天區的性質。問題是：背景輻射從何而來？這個溫度是怎樣變化的？溫度變化對天體系統的狀態有什么影響？這就是宇宙模型要回答的問題。

　　按照大尺度特征變化與否來區分，有穩恒態宇宙模型和演化態模型。前者認為大尺度上的物質分布和物理性質不隨時間變化；后者則認為隨著時間的推移基本特征有明顯變化。

　　按照與溫度有關的演化方式來區分，則有熱模型和冷模型。前者主張溫度是從高到低，后者主張溫度是從低到高發展的。

　　按照物質組成來區分，有“正”物質模型和“正—反”物質模型。前者主張宇宙全由“正”物質組成，后者主張由等量的“正”物質和“反”物質組成。

　　在已有的各種宇宙模型中，以熱大爆炸宇宙模型最有影響，因為與其他模型相比，它能說明的觀測事實最多。