现代宇宙学的三大基础是什么它们的宇宙学含义是什么

现代宇宙学的三大基础是什么它们的宇宙学含义是什么
现代宇宙学的三大基础是什么
它们的宇宙学含义是什么

现代宇宙学的三大基础是什么它们的宇宙学含义是什么
大爆炸学说三度辉煌
从古至今,人们一直渴望了解大千世界的来龙去脉.在终于了解我们定居的这颗星球不过是茫茫宇宙无数星体中的一个以后,天文学家开始致力探索宇宙的起源.几十年来,粒子物理学家和天文学家联手勾画出一种可能的宇宙早期图像：宇宙发端于距今150多亿年前的大爆炸.
大爆炸宇宙学的建立经历过三度辉煌：第一次是在本世纪20 - 40年代,哈勃发现了宇宙中遥远天体的整体退行,也就是正在离我们而去,伽莫夫由此建立了热大爆炸宇宙学的基本框架；第二次是1964年,两位美国工程师意外地发现了宇宙大爆炸遗留下来的原始火球即微波背景辐射,它的冷却温度（3K）符合伽莫夫的理论预言：这一划时代的发现荣获1978年诺贝尔物理学奖；第三次便是1998年,人们第一次确定了宇宙的组成——40%的物质和60%的“黑色”能量.而在这40%的物质中,仅有5%是人们熟知的“普通”物质,其余35%则为不可视的“暗物质”.
■三大佐证奠定基础
大爆炸宇宙学的提出建立三大天文观测之上：宇宙天体的彼此膨胀,高度各向同性的微波背景辐射和构成宇宙万物的原始物质丰度.三大基础相互密切联系.
根据宇宙大爆炸学的观点,大爆炸发生后,宇宙中的物质开始是聚集在一个小的体积内,温度很高（即原始火球）.而随着宇宙的膨胀温度逐步下降,大约3分钟后质子与中子开始结合形成轻元素氢和氦,即今天宇宙中主要的两种物质组成,其比重是氢占77%,氦占23%.这一推断与天文观测完全相符.
除这三大佐证之外,近年的各种天文观测都从很多角度对大爆炸宇宙学进行了全面细致的检验,例如用U-2飞机把敏感无线电天线送到接近地球大气层顶部进行的观测已经表明,背景辐射大体上在所有的方向都一样强；以美国COBE卫星为代表的许多探测器发现遗留在微波背景上的温度起伏只有万分之几.这一方面说明微波背景辐射的高度各向同性,同时又证明了这一微小涨落正是造就今天宇宙各种大尺度结构的“种子”.另一重要的验证是大爆炸宇宙学所预言的宇宙年龄（通常用哈勃常数度量）与宇宙中存在的古老天体完全一致.今天,大爆炸宇宙学已经成为天体物理乃至物理学中最成熟的理论体系之一.
■宇宙膨胀向何处去
主宰宇宙命运的是其中的物质和能量；如果物质和能量足够多,那么有朝一日其引力作用将使宇宙膨胀停止并转为收缩；反之,如果宇宙的物质和能量密度太小,宇宙就会永远膨胀下去.所以,测量宇宙中倒底有多少物质和能量便成为现代宇宙学的核心问题.
当我们把宇宙中所有闪闪发光的星星全部加起来,其总质量还不够阻止宇宙膨胀必需质量的5%!的确,我们熟知的星星在宇宙中仅是沧海一粟.即使只测量我们的银河系,人们也会惊奇地发现主导银河系运动的不是恒星,而是占90%总质量、迄今不为人知的“暗物质”.暗物质贡献引力却从未显露自己的“庐山真面目”.放眼宇宙的更大尺度,这些暗物质更是扮演着举足轻重的作用,星系的形成,星系团的形成乃至整个宇宙的引力都与暗物质密切相关.或许,我们可以把暗物质比喻为主宰宇宙命运的“上帝”,而有人又将它们称为宇宙中的“黑色幽灵”.
不仅仅是暗物质,更大的“幽灵”也许是“真空能”或“黑色”能量.它无处不在却又不在小尺度（如银河系）表现效应,只是在宇宙尺度上才露出“峥狞面目”.在爱因斯坦创立广义相对论时,留在那个著名方程中的“宇宙学常数”曾使爱因斯坦自责为一生最大的错误,却不料它就是与宇宙命运息息相关的“黑色”能源!虽然我们不知道暗物质是什么,也不知道“黑色”能量的真身,但是1998年的天文观测验证了它们的存在,并确定了它们在宇宙中的统治地位——95%的物质和能量是“看”不见的,它们虽有可观的比重却无力阻止宇宙的继续膨胀.
取得这项重大进展的是已持续数年的美国“宇宙超新星寻找”计划的研究以及世界各国微波背景各向异性的测量,因为只有来自宇宙深处的讯号才会携带关于“黑色”能量的信息.美国科学家结合邻近及宇宙深处的超新星爆发,得到了宇宙学常数大于零的重要结论,使得微波背景各向异性的测量、大尺度结的形成理论、宇宙年龄测定、宇宙中物质成分确定等诸多天体物理研究结合成为统一的整体,为我们确立了一个宇宙学常数（或黑色能量）加（冷）暗物质的宇宙.
然而,直到今天还没有一种物理学理论能够解释宇宙学常数不为零的事实,也没有一种实验能够找到成为（冷）暗物质的粒子.1998年大爆炸宇宙学的发现也同时带给整个物理学一个难题,一个挑战!