文|顾煜祺
编辑|顾煜祺
前言
宇宙学是对宇宙的起源、结构、演化和最终命运的深刻研究，是人类最有趣、最雄心勃勃的智力追求之一。它穿越时空的深处，探究存在本身的根本本质。从艾萨克·牛顿爵士的开创性贡献到斯蒂芬·霍金的革命性见解，宇宙学理论的演变不仅扩大了我们对宇宙的理解，而且从根本上塑造了我们对现实的感知。
宇宙学理论的旅程始于 17 世纪牛顿的开创性工作，他对运动定律和万有引力定律的阐述为理解天体力学提供了框架。牛顿宇宙学将宇宙描述为静态且不变的，这一概念一直盛行到20世纪初。
现代宇宙学是怎样诞生的呢？未来又会如何？
现代宇宙学的诞生：从哈勃到大爆炸理论
宇宙学领域致力于揭开宇宙起源、结构和演化之谜，从诞生到目前的状态，经历了一段迷人的旅程。从静态宇宙理论到动态宇宙理论的转变以重大突破为标志，包括埃德温·哈勃对星系红移的突破性发现、哈勃定律的提出以及革命性的大爆炸理论。
这些里程碑，加上乔治·勒梅特、阿尔文、赫尔曼和伽莫夫的贡献，塑造了现代宇宙学的基础，并提供了继续在科学界引起共鸣的见解。
埃德温·哈勃发现星系红移是宇宙学史上最关键的时刻之一，20 世纪初，哈勃使用威尔逊山天文台的胡克望远镜观察到星系正在远离地球，并且它们的光向光谱的红端移动。这种红移表明星系正在后退，这意味着宇宙正在膨胀。哈勃的发现挑战了静态宇宙的普遍信念，并为宇宙学思维的范式转变奠定了基础。
哈勃定律是他的发现的直接结果，进一步巩固了宇宙膨胀的概念。该定律在星系的退行速度（通过其红移确定）与其距地球的距离之间建立了线性关系。这种经验关系为宇宙膨胀假说提供了定量支持，为理解宇宙的巨大规模铺平了道路。
宇宙学理论的演变：从永恒宇宙到宇宙膨胀
宇宙学的旅程，即对宇宙起源和结构之谜的探索，以思想、观测和理论突破的动态相互作用为标志。
从弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）、赫尔曼·邦迪（Herman Bundy）和托马斯·戈尔德（Thomas Gold）提出的稳定而永恒的宇宙，到艾伦·古斯（Alan Guth）通过暴涨理论提出的宇宙膨胀概念，宇宙学思想的演变证明了人类的好奇心和独创性。
20世纪中叶，宇宙学正处于十字路口。弗雷德·霍伊尔、赫尔曼·邦迪和托马斯·戈尔德提出了一种理论，挑战了宇宙诞生于大爆炸的流行观念。相反，他们提出了一个稳态宇宙，即由于物质的不断创造而随着时间的推移保持恒定密度的宇宙。这种稳态模型旨在解释观测到的星系分布，而不诉诸单一诞生事件。
稳态模型的核心是物质不断创造的思想，这个概念需要不断产生新物质来抵消宇宙的膨胀。虽然这个模型提供了大爆炸理论的替代方案，但它并非没有挑战。批评者指出，稳态模型缺乏观测证据，难以解释某些宇宙现象，例如宇宙微波背景辐射。
随着观测技术的进步和我们对宇宙了解的加深，稳态模型面临着越来越多的审查。由于缺乏连续物质创造的证据，以及宇宙微波背景辐射（宇宙早期热致密相的残余物）的发现，对稳态理论造成了重大打击。宇宙微波背景辐射与大爆炸模型的预测更加一致，逐渐将稳态理论推向宇宙学话语的边缘。
宇宙膨胀和暴涨理论的出现，标志着宇宙学思想的革命性转折。艾伦·古斯 (Alan Guth) 在 20 世纪末提出了暴胀理论，旨在解决标准大爆炸模型中一些挥之不去的疑问和问题。暴胀理论假设宇宙在最初的时刻会发生快速的指数膨胀。这种膨胀可以解释观测到的宇宙微波背景辐射的均匀性和宇宙的大尺度结构。
通货膨胀解决的重大挑战之一是“地平线问题”。宇宙的大尺度结构看起来非常均匀，但今天相距很远的空间区域在早期宇宙中可能并不存在因果联系。这就提出了一个难题：这些遥远的区域是如何获得一致的温度和结构的？
现代宇宙学进展：从暗物质到多元宇宙理论
现代宇宙学景观见证了一系列引人注目的进步和理论，它们重塑了我们对宇宙及其底层结构的理解。从维拉·鲁宾对暗物质的开创性观察、发现暗能量驱动的宇宙加速膨胀，到具有挑衅性的多元宇宙理论，宇宙学领域已经扩展到涵盖神秘和猜测的新维度。
维拉·鲁宾对星系旋转曲线的开创性观察为我们了解令人困惑的暗物质领域打开了一扇窗户。20 世纪中叶，鲁宾的细致研究表明，星系的外部区域正在以意想不到的高速旋转，这违背了仅基于可见物质的预测。
这种差异表明存在看不见的物质，这种物质后来被称为暗物质。暗物质不发射光或电磁辐射，因此难以捉摸且难以探测。然而，它的引力影响是在宇宙尺度上感受到的，影响着星系、星系团的动力学，甚至宇宙的大尺度结构。
暗物质假说虽然得到了越来越多证据的支持，但却是现代宇宙学中最有趣的谜团之一。随着研究人员努力解开构成这种神秘物质的基本粒子，对其性质和成分的探索仍在继续。对暗物质的探索导致了粒子物理学和天体物理学交叉领域的创新实验和合作。
宇宙加速膨胀的发现给我们的宇宙叙事带来了另一层复杂性。20世纪末，天文学家研究遥远的超新星发现，宇宙的膨胀并没有像预期的那样因为引力的作用而减慢，而是加速了。这一观察结果挑战了既定的观念，并产生了暗能量的概念——一种抵消重力并推动宇宙膨胀的神秘力量。
虽然暗物质构成了宇宙质能含量的很大一部分，但暗能量被认为主导着宇宙的能量密度。然而，它的确切性质仍然难以捉摸，让宇宙学家们努力解决有关控制宇宙演化的基本力量的深刻问题。暗物质和暗能量的综合影响使我们认识到宇宙戏剧远非简单，这些神秘的实体对其动力学产生了深远的影响。
多元宇宙理论是现代宇宙学中另一个引人注目的概念，它将我们的想象力扩展到单一可观测宇宙的范围之外。该理论的发展表明存在多个宇宙，每个宇宙都有其独特的物理特性和定律。
这个想法源于宇宙学、量子物理学和弦理论的考虑。多元宇宙理论认为，我们的宇宙只是众多宇宙中的一个，每个宇宙都有自己的一组参数和特征。
弦理论是协调量子力学和广义相对论的一种有前途的方法，在多元宇宙理论中发挥着重要作用。这一理论框架提出，宇宙的基本组成部分不是点状粒子，而是微小的振动弦。
弦理论意味着除了熟悉的三个空间维度和一个时间维度之外还存在其他维度。弦理论的某些版本表明，这些额外的维度可能会产生大量具有不同物理特性的宇宙。
多元宇宙的概念虽然令人着迷，但也是科学界激烈争论和审查的主题。挑战在于设计可测试的预测来区分不同的多元宇宙场景。批评者认为，如果缺乏经验验证的手段，多元宇宙理论可能无法成为真正的科学理论。
史蒂芬·霍金的不朽遗产：霍金辐射和信息悖论
斯蒂芬·霍金是一位杰出的物理学家和宇宙学家，他在理论物理学领域留下了不可磨灭的印记，重塑了我们对宇宙最神秘现象的理解。
他在黑洞辐射方面的开创性工作，即霍金辐射，不仅彻底改变了黑洞的研究，而且挑战了物理学的基本原理，导致了挑衅性的信息悖论。霍金的贡献留下了持久的遗产，激发了科学界持续关注的持续研究和辩论。
霍金进入黑洞物理领域的旅程始于他对黑洞量子特性的研究。1974年，他提出了突破性的霍金辐射概念，这种现象违背了经典的预期。根据量子理论，粒子和反粒子在黑洞的事件视界附近不断地出现和消失。
有时，这些粒子对中的一个会逃脱，而另一个则落入黑洞，导致黑洞本身的质量逐渐损失。这个过程导致辐射的发射，现在被称为霍金辐射。
霍金辐射是一个启示，因为它表明黑洞并不是真正的黑色——它们可以释放能量并最终在很长一段时间内蒸发。这一发现将量子力学与引力领域联系起来，预示着对微观宇宙和宏观宇宙之间相互作用的更深入理解。霍金辐射还引发了范式转变，引发了有关黑洞最终命运和信息保存本质的问题。
霍金对黑洞物理学的探索超越了霍金辐射，深入研究了一个深刻难题的核心——信息悖论。在经典物理学中，信息被认为是守恒的，这意味着它不会丢失。然而，霍金辐射所描述的黑洞蒸发过程似乎违反了这一原理。当黑洞辐射出它们的质量和能量时，落入其中的物质所包含的信息似乎永远消失了。
霍金的大胆提议挑战了这种传统观点。他假设被黑洞吞噬的信息并没有不可逆转地丢失，而是被编码在蒸发过程中发出的辐射中。这一主张与经典物理学截然不同，意味着随着时间的推移，信息可以通过霍金辐射的逐渐发射从黑洞中逃逸。
信息悖论引发了科学界的激烈争论，引起人们对量子力学和广义相对论之间根深蒂固的紧张关系的关注。解决这一悖论成为一项关键任务，其影响远远超出了黑洞物理领域。这一悖论强调了需要一种能够调和量子世界和引力世界的统一理论，这一探索引发了对弦理论、量子引力和其他前沿理论框架的探索。
尽管自其提出以来已经过去了几十年，信息悖论仍然是一个未解决的难题，研究人员仍在努力解决其影响。协调量子力学、信息保存和引力塌缩的尝试引发了关于空间、时间和现实基本结构的新观点。
尾声
牛顿关于静态宇宙的命题，受他的运动定律和万有引力定律的支配，为几个世纪以来提供了稳定的基础。然而，随着埃德温·哈勃等天文学家观察到星系彼此快速远离，20 世纪预示着一场巨大的转变。哈勃定律的建立将红移与距离联系起来，为大爆炸理论奠定了基础——大爆炸是引发宇宙膨胀的爆炸性诞生事件。
斯蒂芬·霍金登场，他的革命性见解将量子力学和广义相对论结合在一起。霍金关于黑洞辐射和宇宙有起点的观念打破了范式，挑战了长期以来的信念。霍金辐射的概念揭示了黑洞的量子动力学，而标志着宇宙诞生的奇点的想法则推动了深入的探究。
参考文献：
波乃耶父子译著《中国神话选》中的宇宙论和创世论 姚达兑 世界宗教文化 2023
教育即人生宇宙——论宇宙观、人性观和教育观的同步变革 陈建翔 中国教育科学(中英文) 2023
《淮南子》宇宙生成论研究 叶海雄 山东师范大学 2023