~:~對於『宇宙』想深切地認識一番嗎~:~(上)

宇宙學（或宇宙論）譯自英文之Cosmology，這個詞源自于希臘文的κοσμολογία(cosmologia,κόσμος (cosmos) order+λογια(logia)discourse)。宇宙學是對宇宙整體的研究，並且延伸探討至人類在宇宙中的地位。雖然宇宙學這個詞是最近才有的，人們對宇宙的研究已經有很長的一段歷史，牽涉到科學、哲學、esotericism以及宗教。

這個學科專注在宇宙最為巨觀且最早期的面向，一般被理解為由大爆炸起頭，大爆炸指的是空間的膨脹，而宇宙被認為約於137億年前由此膨脹產生。從宇宙劇烈的發生直至它的結束，科學家認為宇宙的整個歷史是一個有秩序的、且在物理定律支配之下的進程。

天體物理學是應用物理學的技術、方法和理論，研究天體的形態、結構、化學組成、物理狀態和演化規律的天文學分支學科。利用理論物理方法研究天體的物理性質和過程的一門學科。

上個世紀二十年代以前，很多天文學家認為宇宙一直以來都維持在一個穩定的狀態，沒有變化，所以今天和明天和昨天的宇宙是一樣的，這個理論最吸引人的地方，就是它一次性的回答了宇宙的過去，現在和未來是什麼樣子。

1925年，美國天文學家W.S.亞當斯根據愛因斯坦廣義相對論的預言，通過對天狼星的密度很大的伴星的觀察，確認了恆星發出的光譜線的頻率向紅色方向移動，即出現頻率變低、波長變長的紅移現象。四年後的1929年，天文學家哈勃根據新的觀測資料，發現了銀河系以外的星系光譜紅移與星系離開我們的距離成正比，距離我們愈遠的星系，離開我們的速度愈快。

讓我們舉個例子以便瞭解的更清楚，如果有一個一米長的鋼尺，A，B，C 三點分別表示0cm，50cm, 100cm。當我們加熱這把尺使得它的長度變成兩米。那麼B到A的距離從未加熱的50cm變成了100cm，而C到A的距離從原來的100cm變成了200cm。如果把A當成地球，把B，C 當成兩個正在離開地球的星體，就不難發現C離開地球的速度是B的兩倍，也就是離地球越遠的星體的離開速度越快。

這種宇宙天體愈遠向外飛逝速度愈快的天文現象。預示著宇宙在不斷的向外膨脹，而這顯然打破了宇宙是靜止不變的理論。如何解釋這種現象背後的原因呢？

對於此種巨大的天文之謎，多數科學家們不得不開始重新建立新的宇宙模型。於是有人提出了現在被大多數人所認可的宇宙大爆炸理論。

其理論認為︰在遙遠的過去，什麼都沒有，而後來通過一個特殊的過程，形成了一種單一物質(沒有合適的詞彙來描述它，就用單一物質作為一個替代)，它的大小就如一個十美仙的硬幣。然後就是在大約距今140億年前這個硬幣的大爆炸產生了我們現在生存的宇宙。

爆炸後的宇宙不斷向外膨脹，在這個過程中產生的各種元素就形成了今天宇宙間各種物質，逐漸凝聚成星雲，再演化為各種天體。由於爆炸的能量太大，直到現在，140億年之後，宇宙還在爆炸的餘威下不停的膨脹。這個模型比較圓滿的解釋了為什麼宇宙會膨脹。

這個理論得到了一些觀測數據的支持，其中最有代表性的就是大爆炸理論中設想存在的宇宙微波背景輻射在1962年被發現確實存在。大爆炸理論假設在大爆炸後宇宙在冷卻過程中達到熱平衡，至今宇宙間還殘存著均勻而微弱的微波背景輻射。

1962年兩個工程師通過天線接收到了一種消除不了的微弱的微波輻射。而這種微波輻射在天空各個方向上都是相同的，不隨季節而變化。顯然這不是來自某些天體的特定的輻射，而只能是一種宇宙輻射。這個發現同時也打破了以前認為廣闊的星系際空間是絕對空虛，不可能有任何能量輻射的傳統觀念。

當然科學家們並沒有停止探索，他們的問題是﹕如果是大爆炸產生了現在的宇宙，那麼宇宙的膨脹就不應該是無止境的，它最終會停止膨脹。那麼一旦停止膨脹以後又是什麼樣呢﹖

對此有些人提出了擺動宇宙模型，認為宇宙從一次大爆炸中誕生，現在正處在大爆炸後的膨脹期，而這膨脹最終會停止。在停下來之後，宇宙開始收縮，龐大的物質最後收縮到很小很小的單一物質，然後再次發生大爆炸。

這樣周而復始的爆炸-收縮-爆炸，直至永遠。這曾經是很多人相信的理論，而且它也一次性的回答了宇宙的過去，現在和未來是什麼樣子。然而事情經常是不那麼盡如人意。

1998年以來得到的觀察數據顯示宇宙的膨脹速度並不像我們想像的在不斷減小，而是在不斷增加，也就是說膨脹得越來越快了。這個問題非常的嚴重，科學家們不得不重新考慮問題出在哪裡。也許問題的答案應該在別處找。

有些科學家開始認真考慮宇宙的構成不應該只是我們看到和觀察的到的星際物質，還可能有其他存在但未能被我們直接探測到。因為它們可能不發光，沒有任何電磁輻射。這樣講也許有些矛盾，我們觀察不到，又如何能承認它們的存在呢﹖別急，讓我們先看看科學家證明它們存在的證據。

根據現有的物理定律，我們可以很容易的根據觀察到的一些數據比如某星系的旋轉速度等，計算出該星系的質量有多少？而另一方面我們又可以通過對電磁輻射量等的探測計算出該星系的質量。但結果並不一致，後者計算出的質量要比前者小幾倍。

如果我們假設現有物理定律正確，那麼唯一能解釋這個差異的原因就是有很大的存在但現在還不能被探測的物質，把它們加上，兩個方法計算出的質量就一致了，而它們就被稱做暗物質。聰明的人可能會問，導致這兩個結果不一致的就一定是暗物質嗎﹖如果計算用的物理定律本身有問題呢﹖的確，這是很有可能的。

當然暗物質這個概念的引入並不能解釋為什麼現在宇宙的膨脹速度在增加，但它的確開闊了人們的思維，現在最尖端的科學家開始討論另一個更為玄妙的概念能暗量，是它最終抵抗住了宇宙自身的收縮，並且從內部使宇宙加速膨脹。最後使得我們的銀河系將無法維持緊密聚在一起的原貌。最後甚至連恆星、行星甚至於原子可能都無法支撐著這個內部的膨脹力而解體，這就是對宇宙終點的最新推斷。

我們也不能不指出暗物質和能暗量這兩個概念有很大的隨意性，甚至讓人產生一種感覺﹕它們的存在完全就是為了維護一種理論的正確性。當然一切都有待論證和檢驗。也許在不久的將來，全新的宇宙觀將展現在人類的面前。

在中國古代，關於宇宙的結構主要有三派學說，即蓋天說、渾天說和宣夜說。蓋天說認為大地是幹坦的，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，從西元前六世紀到西元一世紀，關於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。

進入中世紀後，宇宙學被納入經院哲學體系，地心說佔據正統的地位。十六世紀哥白尼宣導日心說。到十七世紀，牛頓開闢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，作為宇宙學研究物件的天體系統，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徵，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繫的兩個方面，即觀測宇宙學和理論宇宙學。前者側重於發現大尺度的觀測特徵，後者側重於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徵，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，對於不同類型的星系，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係。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。

銀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徵，彌散範圍不算太大。

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、運動和演化並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徵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徵、運動形態和演化方式。關於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佈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，物質分佈都具有非均勻性，即天體分佈是逐級成團的。

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係。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於這一類。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後就開始了，但是大量的研究還是在微波背景輻射發現之後才進行的。根據微波背景輻射的黑體譜，可以用某個溫度來標誌大尺度天區的性質。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麼影響？這就是宇宙模型要回答的問題。

按照大尺度特徵變化與否來區分，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佈和物理性質不隨時間變化；後者則認為隨著時間的推移基本特徵有明顯變化。

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，後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，後者主張由等量的“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。

1859年基爾霍夫根據熱力學規律解釋太陽光譜的夫琅和費線，斷言在太陽上存在著某些和地球上一樣的化學元素，這表明可以利用理論物理的普遍規律從天文實測結果中分析出天體的內在性質，是為理論天體物理學的開端。理論天體物理學的發展緊密地依賴於理論物理學的進步，幾乎理論物理學每一項重要突破，都會大大推動理論天體物理學的前進。

二十世紀二十年代初量子理論的建立，使深入分析恒星的光譜成為可能，並由此建立了恒星大氣的系統理論。三十年代原子核子物理學的發展，使恒星能源的疑問獲得滿意的解決，從而使恒星內部結構理論迅速發展，並且依據赫羅圖的實測結果，確立了恒星演化的科學理論。

1917年愛因斯坦用廣義相對論分析宇宙的結構，創立了相對論宇宙學。1929年哈勃發現了銀河外星系的譜線紅移與距離間的關係，以後人們利用廣義相對論的引力理論來分析有關河外天體的觀測資料，探索大尺度上的物質結構和運動﹐這就形成了現代宇宙學。

從西元前129年古希臘天文學家喜帕恰斯目測恒星光度起，中間經過1609年伽利略使用光學望遠鏡觀測天體，繪製月面圖，1655～1656年惠更斯發現土星光環和獵戶座星雲，後來還有哈雷發現恒星自行，到十八世紀老赫歇耳開創恒星天文學，這是天體物理學的孕育時期。

十九世紀中葉，三種物理方法——分光學、光度學和照相術廣泛應用於天體的觀測研究以後，對天體的結構、化學組成、物理狀態的研究形成了完整的科學體系，天體物理學開始成為天文學的一個獨立的分支學科。

天體物理學的發展，促使天文觀測和研究不斷出現新成果和新發現。1859年，基爾霍夫對太陽光譜的吸收線(即夫琅和費譜線)作出科學解釋。他認為吸收線是光球所發出的連續光譜被太陽大氣吸收而成的，這一發現推動了天文學家用分光鏡研究恒星。

1864年，哈根斯用高色散度的攝譜儀觀測恒星，證認出某些元素的譜線，以後根據多普勒效應又測定了一些恒星的視向速度。1885年，皮克林首先使用物端棱鏡拍攝光譜，進行光譜分類。通過對行星狀星雲和彌漫星雲的研究，在仙女座星雲中發現新星。這些發現使天體物理學不斷向廣度和深度發展。

人類對宇宙的認識不斷擴大，不僅使人們愈來愈深入地瞭解宇宙的結構和演化規律，同時也促使物理學在揭示微觀世界的奧秘方面取得進展。氮元素就是首先在太陽上發現的，過了二十五年後才在地球上找到。

熱核聚變概念是在研究恒星能源時提出的。由於地面條件的限制，某些物理規律的驗證只有通過宇宙這個“實驗室”才能進行。六十年代天文學的四大發現—類星體、脈衝星、星際分子、微波背景輻射，促進了高能天體物理學、宇宙化學、天體生物學和天體演化學的發展，也向物理學、化學、生物學提出了新的課題。

天體物理學的一個分支學科，主要任務是研究天體上發生的各種高能現象和高能過程。它涉及的面很廣，既包括有高能粒子（或高能光子）參與的各種天文現象和物理過程，也包括有大量能量的產生和釋放的天文現象和物理過程。

最早，高能天體物理學主要限於宇宙線的探測和研究，真正作為一門學科是20世紀60年代後才建立起來的。60年代以後，各種新的探測手段應用到天文研究中，一大批新天體、新天象的發現，使高能天體物理學得到了迅速發展。