我們了解宇宙本質的旅程始于數千年前，其根源在于宗教和哲學。大約2300年前，地中海地區(qū)的細心觀察者推斷，地球必須是圓的，必須圍繞太陽運行。
然而，由于這些早期的理論無法被證明是正確的，他們就無法反駁更令人高興的觀點，即地球是萬物的中心，宇宙的存在是為了支持人類的生命和命運。
大約1900年后，當意大利天文學家伽利略發(fā)明了天文望遠鏡時，人們終于可以對行星和恒星進行精確的觀測了。關于整個宇宙的結構和歷史的科學 ——被稱為“宇宙學”，出現了。
我們目前對宇宙歷史的理解可以從上面看到，時間從左到右。我們認為，在大爆炸發(fā)生后，宇宙急劇擴大，這就是膨脹。
我們的地球是在宇宙92億年左右形成的。宇宙的膨脹今天仍在繼續(xù)，而且還在加速。在本文中，我們將從越來越大的尺度上觀察宇宙的結構，并了解一些我們理解宇宙的歷史。
我們的第一站是我們稱之為家的星球。地球是球形，這一認識其實是相當古老的。
大約2500年前，希臘旅行者報告說，當一個人走到遙遠的北方或南方時，天空中可以看到不同的星座。敏銳的觀察者也會注意到，在月蝕期間，地球所投射的陰影有一個圓形的邊緣。幾個世紀后，學者埃拉托色尼通過記錄太陽在相距幾百英里的地方投射的陰影的長度的差異來估計地球的大小。
通過假設太陽離地球如此之遠，其光線是平行的，埃拉托色尼可以用簡單的幾何方法來計算地球的周長。盡管他的測量不是很準確，但與真實數據相差不超過幾個百分點。
現在我們回到太陽系內部來觀察地球。早期關于太陽、地球和行星運動的觀點源自神學、占星術和哲學上的概念，即上帝必須如何命令世界。
波蘭天文學家尼古拉斯·哥白尼在15世紀中葉提出地球繞著太陽轉，而不是像基督教領袖所教導的那樣，太陽繞著地球轉，這引起了軒然大波。幾個世紀以來，行星被認為是可移動的，因為它們被嵌在嵌套的“水晶球體”中，圍繞著中心點旋轉。
然而，在16世紀，人們注意到彗星的運動方式會使它們撞穿那些水晶球。取代球體是“外壁”的概念，圓圈疊加在圓圈上，在數學上相互影響，產生觀測到的行星運動。
最后，在1609年，德國數學家約翰內斯·開普勒發(fā)表了他的行星運動理論，該理論認為，太陽系中的天體運行的軌道呈橢圓形而非圓形。
從人類史前的最早時代開始，整個宇宙被認為只包含肉眼可見的元素：地球、月球和太陽，以及被稱為“行星”的五個光點，還有一個遙遠的球體，在這個球體上嵌入了恒星和銀河系的發(fā)光帶。
占星術和后來的天文學理論被用來解釋這些天體的運動，但它們的真正性質只能猜測。1609年，意大利天文學家伽利略最終將一臺粗糙的望遠鏡對準天空，他發(fā)現這些行星是另一個世界。其中的幾個世界被發(fā)現有自己的衛(wèi)星。
在望遠鏡的幫助下，先前未知的行星在我們的太陽系中被發(fā)現：1781年天王星和1846年海王星。有了望遠鏡，我們就可以研究更小的天體，如彗星和小行星，以及遙遠的天球上的恒星和星云。
17世紀，伽利略發(fā)明了望遠鏡，開普勒發(fā)現了運動定律，這促使人們認識到，恒星就像太陽，都遵循著同樣的物理定律。在19世紀，光譜學——研究物體發(fā)出的光的波長——使得研究恒星構成的氣體成為可能。
科學家們在19世紀還發(fā)現了如何測量到恒星的距離。當從不同的視角觀察一個物體時，這個物體就會相對于較遠的背景發(fā)生變化。這種變化被稱為“視差”。當地球圍繞太陽運行時，它為觀察恒星提供了一個不斷變化的有利位置。由于恒星比我們太陽系的天體遠得多，視差位移非常小，很難測量。
德國數學家、天文學家弗里德里?！へ惾麪柺堑谝粋€成功測量了天鵝座61星視差的人，他估計這顆恒星離地球的距離為10.4光年。(后來的估計將這個距離調整為11.4光年。)
我們的銀河系的布局很難從我們的有利位置來確定，因為我們的太陽系是被嵌入到整個銀河系之中的。通過研究遙遠星系的形狀并仔細測量我們在我們自己的星系中看到的物體，我們推斷我們的星系是一個條狀螺旋星系。
一個由恒星(和一個巨大的黑洞)組成的中心棒狀核心被螺旋形的手臂包圍著，同樣由恒星、氣體和塵埃組成。我們太陽系位于主要的螺旋臂之間延伸的一個分支。天文學家對旋臂的確切結構仍有爭議，但最近的一項調查發(fā)現，我們的銀河系有兩個主要的旋臂，它們向外分出四個分支。
我們星系的旋臂被認為是一種密度波，它圍繞著扁平的圓盤運動。物質聚集在一起，恒星沿著手臂形成。星系中所有的東西都圍繞著它的中心運行，而這些旋臂不是固體結構。我們的太陽系在繞軌道運行時，不斷地進出旋臂。
在研究星系的旋轉時，我們注意到它們并不像我們預期的那樣旋轉，而是基于我們所能看到的物質的引力。瑞士天文學家弗里茨·茲威基在1934年提出，一定存在大量的看不見的或“暗的”物質，這使得螺旋星系比它們表面看起來更大。
從那時起，天體物理學家就一直在尋找暗物質，經常推測它可能是由我們在地球上所知道的奇異粒子組成的。目前的估計顯示，我們的宇宙主要是由未知形式的暗物質和暗能量組成的，而我們熟悉的物質只是宇宙的一小部分。
銀河系是橫跨天空的一條微弱的光帶，在歷史上一直為人所知。直到17世紀伽利略用望遠鏡研究銀河系時，才發(fā)現了它的真正性質，并確定這條帶子是由大量的恒星組成的。在天空中可以看到小而模糊的光點，這些被稱為星云。
到18世紀，人們推測銀河系是一個由恒星組成的巨大系統(tǒng)，它們被重力束縛在一起，但星云的性質仍然未知。它們可能是銀河系內部的小氣體云，也可能是銀河系外部的氣體云。無法證明銀河系是否構成了整個宇宙。
美國天文學家埃德溫·哈勃利用加州威爾遜山天文臺新近建造的100英寸望遠鏡，研究了一種名為造父變星的恒星。造父變星發(fā)出的光和暗的模式與它們固有的亮度有關，這使它們適合作為估算宇宙距離的準繩。在1925年的一篇論文中，哈勃得出結論，一些星云位于銀河系之外，它們本身就是巨大的星系，揭示了一個比我們自己的星系大得多的宇宙。
在19世紀下半葉，人們首先注意到，在處女座中有一大群星云。后來人們發(fā)現，這些星云是銀河系外的獨立星系。
一百年后，天文學家推測，這些星系的明顯排列可能預示著更高層次的宇宙結構，被稱為“總星系”或“超星系團”。1982年，天文學家R. 布蘭特·塔利發(fā)表了一篇關于超星系團成員星系距離的分析，表明它們確實是一個更大的組織的一部分。
距離的確定是注意到來自星系的光譜的紅移。
我們所知道的最大的結構是銀河細絲——也稱為超星系團復合體——它們包圍著空間中的巨大空間。細絲中的星系被引力束縛在一起。
1989年，瑪格麗特·蓋勒和約翰·赫克拉發(fā)現了第一個結構，被稱為“長城”。更大的結構——”斯隆長城”，于2003年被J. Richard Gott III和Mario Juri?發(fā)現。
目前對宇宙大尺度結構的研究利用了紅移巡天（如斯隆數字天空調查）收集的數據。這些努力使用數碼相機傳感器來拍攝天空的區(qū)域，捕捉數以百萬計的遙遠物體，以及在三維空間中繪制它們所需的數據。
可觀測的宇宙是我們能探測到的一切。它是一個直徑930億光年的球體，以地球為中心。我們不能同時感知整個宇宙，因為光速與宇宙的巨大規(guī)模相比是緩慢的。
當我們眺望太空時，我們看到的是歷史上越來越早的物體。而且，由于宇宙的加速膨脹，遙遠的物體比我們想象的要遠得多。例如，盡管宇宙本身只有137億年，但據估計，可觀測宇宙的邊緣距離約為460億光年。
宇宙的真實范圍是未知的。它可能比可觀測的宇宙大得多——甚至可能是無限的。然而，來自最遙遠地區(qū)的光永遠無法到達我們，因為它必須穿越的空間擴張得太快。
我們目前對可觀測宇宙的描述很大程度上歸功于美國物理學家艾倫·古斯，他在20世紀80年代研究出了一個類似于我們自己的宇宙是如何從創(chuàng)造它的大爆炸事件中誕生的。
接下來，我們將把時鐘重置為0，看看宇宙是如何從開始到現在演變的。
20世紀初，比利時天文學家和天主教牧師喬治·勒梅特計算出宇宙正在膨脹。從數學上講，宇宙膨脹是向后的，他認為宇宙中的一切都必須被壓縮成一個小而致密的物體，他稱之為“原始原子”。
這個原子爆炸了，天文學家弗雷德·霍伊爾輕率地稱之為“大爆炸”。宇宙的膨脹解釋了為什么來自遙遠物體的光會移向光譜的紅端，這種現象被稱為“紅移”。
就像多普勒效應導致移動的車輛發(fā)出聲音來改變音高一樣，紅移也會導致移動的恒星發(fā)出的光隨著空間的擴張而改變顏色。物體離地球越遠，干涉的空間就越大，物體的光線就會越向紅色移動。
美國天文學家埃德溫·哈勃后來通過觀察證明紅移確實與距離有關，這種關聯現在被稱為哈勃定律。
20世紀70年代的天文學家對早期宇宙的理解有困難。當他們用射電望遠鏡探測深度空間時，他們發(fā)現了微弱的微波背景輻射。
微波信號密度的變化被解釋為宇宙早期物質密度的變化。令人驚訝的是，輻射的背景光在各個方向上都是均勻的。這似乎不合理，科學家們希望找到不同密度和溫度的空間區(qū)域，因為這些區(qū)域似乎相距太遠，無法共同進化。
美國物理學家艾倫·古斯在1980年提出了一個解釋。他的理論是，在大爆炸之后的一小段時間里，宇宙經歷了極其迅速的膨脹。在一瞬間，它的體積增加了10^78倍(10后面跟78個0)。幾乎就在那一刻，宇宙稍稍降溫，被稱為“暴漲”的事件結束了。
暴漲模型解釋了為什么宇宙在各個方向上都是一致的：在暴漲之前，宇宙中的一切都是一起進化的。它還有其他驚人的含義：我們所能看到的太空部分，一定只是一個我們無法直接探測到的浩瀚宇宙中的一小塊。
隨著暴漲，冷卻但仍然無法想象的熱宇宙經歷了相變?；玖Ｗ邮怯梢环N叫做夸克-膠子等離子體的物質形成的。
大爆炸后的千分之一秒，大量的物質和反物質相互湮滅(留下今天宇宙中存在的物質)。在三分鐘內，宇宙的溫度下降到大約十億度，原子可以開始形成，從最簡單的元素開始：氫和氦。
早期宇宙的夸克-膠子等離子體仍然是理論性的，但也被認為是有可能的，這主要歸功于一種叫做量子色動力學的理論的加入。美國物理學家默里·蓋爾曼是最早提出這一理論的人之一。
基本的核粒子——質子和中子——被認為是由更基本的叫做“夸克”的粒子組成的，這些粒子除了在非常高的溫度下運行外，從來沒有單獨存在過，就像大爆炸后的高溫一樣。物理學家正試圖在地球上重新創(chuàng)造等離子體，這被認為是組成早期宇宙的物質，他們使用粒子加速器以高能粉碎亞原子粒子。
在這一時期，早期的宇宙是炎熱和不透明的。從大爆炸后大約379000年開始，宇宙冷卻到足以讓光從物質中分離出來，自由地傳播。簡而言之，宇宙變得透明。這張照片顯示了UDFy-38135539星系，這是迄今為止發(fā)現的最古老和最早的星系之一，它出現在宇宙大爆炸后的大約4.8億年。
20世紀60年代，荷蘭天文學家馬騰·施密特發(fā)現了一些奇怪的深空天體，它們在射電波長上非常明亮，他稱之為“準恒星射電源”。
美國天體物理學家邱洪儀將這種現象命名為“類星體”。類星體是在20世紀50年代被一種叫做射電望遠鏡的大型地球天線接收到的。當施密特通過研究類星體光譜的紅移來測量類星體的距離時，他發(fā)現了驚人的發(fā)現。這些天體距離地球數十億光年，因此要想在地球上被探測到，它們必須非常明亮。
后來的研究表明，神秘的類星體是活躍的星系，它們在宇宙的早期形成。引力坍縮導致物質結合，最終形成質量相當于數十億個太陽的巨大黑洞。
一個黑洞位于類星體的中心，收集物質并將其加熱，使之成為高溫等離子體，該高溫等離子體可以被噴入接近光速的巨大射流中。這種光可以脫離物質而自由地傳播。簡而言之，宇宙變得透明。
這張照片顯示了UDFy-38135539星系的想象圖。
當宇宙只有3億歲大的時候，形成了最早的恒星。它們是短暫的、超大質量的，主要由氫和氦組成，不含金屬。
這些最初的恒星爆炸成超新星，并從早期太陽的殘骸中產生了一代又一代的恒星。對太陽光譜的分析表明，太陽含有豐富的金屬元素，因此只有經過幾代恒星才能被創(chuàng)造出來。
太陽的能量源是一個謎，直到德國物理學家阿爾伯特·愛因斯坦在1905年指出，物質可以轉化為能量，表達出來就是著名的公式E = mc2。1920年，英國天體物理學家阿瑟·愛丁頓爵士提出，太陽可能由一個核聚變反應堆提供動力，通過將氫轉化為氦來產生熱量和光能。
對來自太陽和其他恒星的光譜的研究證實了核聚變過程創(chuàng)造了構成我們世界的原子元素。
科學家們對我們宇宙的起源、歷史和自然做出了令人印象深刻的描繪。然而，我們并不是什么都知道。許多懸而未決的問題仍然存在于物理學和宇宙學領域，等待我們去解決。
聯系客服
