“曰遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？冥昭瞢闇，谁能极之？”两千多年前，面对楚国宗庙壁画所描绘的奇诡创世传说，屈原在《天问》中发出了这样的灵魂之问。茫茫宇宙让人好奇，与之相比，作为个体的人实在太渺小了，能做的太有限了，只有极少数人能如屈原一样对宇宙进行深入的思考和提出质疑，但最终往往不了了之。
虽然古人尚未找到系统地研究宇宙的科学方法，但随着文明的发展，一些哲人开始了对宇宙的思辨，提出了种种玄思妙想，比如西方的四元素学说、原子学说，东方的阴阳五行和八卦学说等。用今天的眼光来看，这些学说显得有些随意和武断，但相比那些把一切归于神灵的论断，却闪烁着理性的光辉。
与大地相比，天空往往呈现出一种更明显的特殊规律性：天上的星宿组成固定的图案，太阳、月亮和五大行星（水星、金星、火星、木星、土星）周而复始地运动着。早在古代，人们已可对天体的运动给出比较精密的观测和推算，并为此发展了数学方法，数学也逐渐成为人类认识宇宙的一种重要工具。在多数情况下，古代的天文观测和推算是有实用（比如编制历法）或神秘学（比如占星）目的的。在某些方面，这种推算相当成功，如古巴比伦、古印度和古中国的天文学家曾给出日食和月食的预报。然而，能够对天象进行预报并不意味着对其有深入的理解。在古中国，虽一度兴起有关“盖天说”、“浑天说”“宣夜说”的学术争论，但从整体而言，这些和宇宙结构有关的玄奥学说并不能引起当时的知识阶层的持续兴趣。
反观古希腊时期，学术文化氛围驱使学者试图更深入地理解宇宙，构建宇宙的模型理论：彼时，生活在爱奥尼亚（今土耳其安纳托利亚西海岸）的阿那克西曼德（Anaximandre）已认识到大地是球形的；柏拉图提出用匀速而整齐的运动来解释行星的运动；柏拉图的弟子亚里士多德提出地球是宇宙的中心，而由于圆周被认为是最完美的几何图形，他认为天体也在做匀速圆周运动；柏拉图的另一位弟子欧多克斯（Eudoxus of Cnidus）则提出用同心球的复合运动来解释观测到的天体运动。基于古希腊智者的宇宙观，生活在埃及亚历山大城的托勒密提出了自己的宇宙模型，他认为地球位于宇宙的中央，日月星辰环绕地球旋转。为解释太阳和月亮在天球上的位置变化速度不均匀的现象，托勒密假定地球并不位于天球的中心，而是偏于一端。而对于水星、金星、火星、木星和土星在运动中呈现的顺行、驻留和逆行等特征，托勒密则引入了“本轮”和“均轮”的概念来加以诠释——每个行星沿着一个圆周（本轮）转动，同时，本轮的中心沿着均轮围绕宇宙中心转动。这个理论能近似地解释行星的运动。
此外，古希腊学者还曾尝试测量地球的大小和天体间的距离。在托勒密之前，埃拉托色尼（Eratosthenes）就通过测量亚历山大城到阿斯旺的距离和纬度差，推算出了地球的周长。阿里斯塔克斯（Aristarchus）则根据对弦月几何角度的估计，首次推算出了太阳和月球的大小及距离。虽然他的测量数据误差很大，但还是得出了“太阳比地球大得多”这个在当时看来完全出人意料的结论，也由此成为最早提出“日心说”的学者。
科学革命
然而，在托勒密之后的很长一段时间里，人类对宇宙的认识并没有取得明显的进展。虽然一些阿拉伯天文学家试图改进托勒密的理论，但直到一千多年后，哥白尼才提出了超越托勒密理论的革命性理论——日心说，用地球的自转来解释昼夜的变化，用地球绕太阳的公转来解释四季的更替。之后，丹麦贵族第谷（Tycho Brahe）在汶岛建造了“天堡”天文台，系统、精密地观测了行星运动。晚年的第谷招募了擅长数学且经常脑洞大开的开普勒作为助手，帮助他分析观测所积累的大量数据。虽然，从建造规模上来看，纳西尔丁 · 图西（Nasir Din Tusi）在波斯的马拉盖建成的天文台和乌鲁伯格（Ulugh Beg）在中亚的撒马尔罕建成的天文台或许都不逊于“天堡”天文台（前两者至今遗迹犹存，而“天堡”天文台在第谷去世后几十年就已荡然无存），但开普勒对第谷数据的深入挖掘使得后者永彪史册。开普勒发现，即使用哥白尼的理论也并不能完全解释第谷的观测数据。最终，开普勒抛弃了古希腊人的“天体必按照圆形匀速运动”的观念，发现只有假定行星沿着以太阳为焦点的椭圆运动，且在单位时间内扫过的面积相等（因此靠近太阳时会以更快的角速度运动），才能与第谷的观测数据相吻合。擅长发现规律性的开普勒还发现，行星环绕太阳转动的周期的平方与其椭圆轨道半长轴的立方成正比，由此在宇宙的纷繁复杂中发现了数字上的规律。
开普勒的三大定律成了后来牛顿建立力学理论和万有引力理论的基石。牛顿理论不仅对地表物体的运动和天体的运动给出了统一解释，还预测了当大质量的天体相互接近时，它们的轨道运动规律会稍稍偏离开普勒定律——人们应用这样的预测发现了海王星。由此，人类对宇宙的认识进一步加深。从日心说到牛顿力学的建立，是人类历史上的一次空前的转变，也是近代科学革命的一个最典型的例子。此外，近代科学家重视实验或观测结果，自觉地采用“提出假说—建立理论—做出预测—实验或观测检验”的科学方法，这也在根本上改变了人类对宇宙的认识。
相对论和宇宙学
牛顿理论的成功一度使人们认为，人类对宇宙的认识（特别是有关基本原理的认识）已经接近顶峰。对于大多数人来说，时间和空间是隐藏在潜意识里不言自明的概念，而牛顿提出的绝对时间和绝对空间理论似乎完全符合一般人的直觉。高斯等数学家在发现非欧几何之后，曾考虑用观测数据来检验空间几何（牛顿假定空间满足欧几里得几何），但由于当时并没有理由认为空间是非欧的，因此这种测量仅有抽象的学术意义，而在当时的测量尺度和精度下，也没有可能发现任何偏离。物理学家、哲学家马赫（Ernst Mach） 从经验主义哲学的基本原理出发，认定只有相对运动才是能够在实验中观测到的，因此牛顿第一运动定律所说的“不受力的物体保持匀速直线运动”并非是相对于绝对空间而言的，而是相对于大量遥远的恒星（也就是宇宙物质总体）而言的。但是在当时看来，这些差别似乎只是学究气的咬文嚼字。
美丽新世界
[奥]恩斯特•马赫 / 著
庞晓光 李醒民 / 译
商务印书馆 2013
不过，尽管这种经典的宇宙观颇为符合一般人的直觉，但深入的思考往往会导致一些难以解决的思辨矛盾，例如康德指出的关于有限与无限的矛盾。举一个天文上的例子来说明：如果假定无穷的宇宙中均匀分布着恒星，且恒星一直在发光，虽然单个恒星的亮度随着距离的平方反比减小，但一个球壳中恒星的数量会随着球壳半径的平方正比增加，因此，当我们朝天空任一方向看去，天空的亮度都应该是无限大的，但实际上夜空是黑的。这就是所谓的“奥尔伯斯佯谬”，它意味着上述看似合理的关于宇宙的假设并不成立。
解决这些问题需要新的思想。通过分析时间和空间的测量原理，爱因斯坦发现大自然中并不存在绝对时间和绝对空间，时间和空间的性质与此前人们所假定的完全不同。他又进一步提出了广义相对论，为研究时空与物质提供了一个基本的理论框架：时空的几何不是先验的，物质的分布可以影响时空几何。这使得在一些合理的假设下讨论宇宙整体成为可能。
爱因斯坦首先提出了有限静止宇宙模型：假定空间满足正曲率的非欧几何，这样就可以避免空间的无限性带来的一些矛盾。但是，宇宙要获得静止状态并不容易，牛顿的万有引力换了一种形式仍然存在：受物质影响，一开始处于静止状态的有限空间将开始收缩，并在有限时间内缩成一点。于是，爱因斯坦引入了“宇宙学常数”，也即相对论框架下的“万有斥力”，使它恰好与物质产生的万有引力相平衡。此后，其他研究者也开始用广义相对论研究宇宙学问题。俄罗斯数学家弗里德曼（Alexander Friedmann）研究了仅包含物质而没有宇宙学常数的宇宙。他发现，在这种情况下，宇宙无法保持静止，而会整体膨胀或收缩，且物质密度与膨胀率一起决定了宇宙的几何结构：当宇宙的平均密度高于某个由膨胀率决定的临界密度时，宇宙空间曲率是正值（即宇宙有限）；如低于临界密度，则为负值；恰好等于临界密度时，宇宙空间曲率则是平直的。其后，比利时天文学家勒梅特（Georges Lemaître）也得出了类似结果。不过，“宇宙膨胀”的概念并不好理解，爱因斯坦一度认为这只是数学解，没有物理意义。
但实际上，宇宙的膨胀并不仅仅是一个数学解。这时人们已认识到大量恒星组成了银河系，而旋涡星云很可能属于其他星系。天文学家斯莱弗（Vesto Slipher）发现了一个奇特现象：根据星系谱线的多普勒效应，可以测出星系的运动速度，如果旋涡星云是随机运动的，那么它们中应该有一半在向我们靠近，一半在远离我们，但观测却表明绝大部分星系的光谱都在向红端移动，即在远离我们。哈勃（Edwin Powell Hubble）进而测量了这些星系的距离，发现这些星系间的距离与红移成正比。对此，勒梅特给出了解释：如果宇宙膨胀，星系间的距离会不断增大，因而绝大部分星系的光谱会出现红移，且正如哈勃发现的那样，红移量与距离成正比。此后，人们普遍接受了“宇宙膨胀”的概念。
埃德温·哈勃坐在加州威尔逊山天文台的100英寸反射望远镜前，
图片来源NASA官网。
宇宙大爆炸
如果宇宙在膨胀，那么现在彼此相距遥远的星系在过去的某个时刻可能处在同一点上，那时宇宙的密度很大。而且，在没有其他热源的情况下，气体膨胀，温度会降低，因此过去宇宙的温度更高。勒梅特和伽莫夫（George Gamow）等人认为，宇宙起源于一个原始火球，这个理论后来被称为“大爆炸理论”。
然而，英国天文学家邦迪（Hermann Bondi）、戈尔德（Tommy Gold）和霍伊尔（Fred Hoyle）不喜欢这种宇宙突然被创生出来的理论，因为其很难回答诸如“大爆炸之前的宇宙是什么”的问题。而且，在大爆炸理论中，宇宙的年龄是有限的，根据当时测定的哈勃常数得出的宇宙的年龄甚至比地球的年龄还小，这也是说不通的。因此，他们提出，在宇宙膨胀的过程中会有物质不断被创生出来，但创生率很低，因此并不容易被发现，而宇宙密度一直保持不变，这样的宇宙可以是永恒的——这一理论也被称为“稳恒态宇宙理论”。他们还进一步提出了“完美宇宙学原理”，即假定任一时刻的宇宙看上去都是相同的，这样就避免了“时间开始之前的宇宙是什么样的”这种令人困惑的问题。不过，到了20世纪50年代，人们发现了亮度巨大的类星体和射电星系，其可以在很远的距离（亦即很高的红移上）被观测到，但观测显示它们的分布并不满足完美宇宙学原理，而是随红移有明显的演化。
伽莫夫和他的学生阿尔弗（Ralph Asher Alpher）、赫尔曼（Robert Herman）等科学家则使用核物理理论来推测宇宙大爆炸的过程。在早期宇宙温度非常高的情况下，由多个核子组成的原子核无法存在，核子主要以自由质子和中子的形式存在。随着温度下降，通过核反应可以形成由多个核子组成的原子核。伽莫夫等人一开始希望能用这种方式生产出自然界中存在的各种原子核，但后来发现只有较轻的原子核可以在大爆炸中产生，而比锂更重的核素则是在这之后的恒星核燃烧或爆炸中产生的。这一理论很好地解释了为什么氢和氦分别约占宇宙重子物质的76%和24%，而其他核素所占的比例很小。
此外，如果宇宙在早期经历了大爆炸，那么其必然会遗留下大量光子，并随着宇宙膨胀不断红移，且这些光子今天将红移到微波波段，形成一种宇宙微波背景辐射（CMB）。在很长一段时间里，这一预言并未引起人们的重视。直到20世纪60年代初，迪克（Robert H. Dicke）等人才重新发现了这一点并开始试图探测这一大爆炸的余晖，不过在他们的观测开始之前，彭齐亚斯（Arno Penzias）和威尔逊（Robert Woodrow Wilson）在测试贝尔实验室的一台射电望远镜时首先意外发现了CMB，找到了大爆炸理论最有力的证据。
宇宙的起源和演化
在宇宙学理论最初的研究中，为了简化起见，人们常常假定宇宙是均匀且各向同性的，但显然宇宙并非完全均匀。星系内部的密度远远高于星系之间的空间的密度，星系的空间分布也不是完全均匀的。这些结构是如何形成的呢？解释结构的形成也是现代宇宙学理论中重要的一环。宇宙中密度高的区域在局部引力作用下由膨胀逆转为收缩，最后形成星系。星系内高密度的气体再进一步收缩，形成恒星。人们将现代宇宙学理论的星系形成模型与观测数据进行多方面、定量化的比较和检验，这为现代的宇宙学理论提供了坚实而广泛的观测基础。
至此，包括大爆炸理论在内的宇宙学理论勾绘出了一幅宇宙演化的历史图景。早期宇宙的温度和密度都很高，其状态可以用现代粒子物理理论来描述。随着宇宙膨胀冷却，形成了氢、氦等轻元素，但其仍处于电离状态。在经过大约38万年的演化后，宇宙中的等离子体复合，CMB光子开始自由传播，宇宙进入了所谓的“黑暗时代”。这时，随着原初扰动在引力作用下逐渐增长，星系间开始形成最初的非均匀结构。又经过大约一亿年的演化后，第一代恒星开始形成，宇宙进入“黎明时期”。随着越来越多的恒星和星系形成，它们发射的光子将宇宙中的气体电离了。此后，更多的星系逐渐形成，同时，一些星系也相互并和，最终演化成为今日的宇宙。
尽管大爆炸理论得到了观测数据的支持，但也存在一些令人困惑的问题。比如，按照弗里德曼方程，今天宇宙的密度与临界密度是同一个数量级的，这意味着宇宙早期的密度与临界密度的差别非常之小。为何如此？这就是所谓的平坦性问题。另外，广义相对论允许非均匀的宇宙存在，但实际观测显示不同方向的CMB温度相同，这表明这些不同点在宇宙早期就达到了均匀状态。在物理上，不同物体的相互作用可以使它们的压强和温度趋同，但由于光速的限制，这种趋同的区域在宇宙早期应该很小，而观测却表明这些区域全天都具有相同的CMB温度。此外，在弱电相互作用统一理论建立之后，很多粒子物理学家开始考虑大统一理论。这些理论往往预言宇宙中存在着质量很大的磁单极子，而宇宙在热大爆炸早期的高温条件下很容易产生大量的磁单极子，但在实际观测中其数量显然没有这么多。尽管这些问题并不直接与大爆炸理论相矛盾，但大爆炸理论却无法对之给出合理的解释。
对此，美国宇宙学家古思（Alan Guth）首先意识到，如果宇宙极早期有一个他称之为“暴胀”（inflation）的极为短促但剧烈的加速膨胀过程（即在短短10-32秒内宇宙膨胀了1020倍以上），然后再转入我们通常认知的热大爆炸模型，上述问题就可以得到合理的解释：这时，我们可观测的整个宇宙在极早期都处在光速传播可及的范围之内，因此可以达到相同的密度。此后，在宇宙暴胀的过程中，大片区域的膨胀速度超过光速，把这些区域拉到非常大的尺度上，使我们以为它们是光速传播所不能达到的区域。在这一过程中，宇宙的密度趋近临界密度，而即便磁单极子存在，也会被这一轮剧烈膨胀所稀释。如果早期宇宙的主要能量来自所谓的“标量场”[1] ，这种暴胀就可以实现。这一理论提出后，很多宇宙学家迅速跟进提出改进理论。俄罗斯宇宙学家林德（Andrei Linde）认为，宇宙的暴胀可以在标量场的慢滚演化[2] 中实现，而如果标量场在空间各点的初始值随机分布，这些点就会形成持续时间长短不一的暴胀，这种“混沌暴胀”将形成一种在极大尺度上的分形，但由于我们可见的宇宙仅是其中的一小部分，作为观测者看到的是其均匀、各向同性的分布。
暴胀理论也提供了一种产生原初扰动的物理机制。在微小尺度上，测不准原理导致的量子扰动随着宇宙快速膨胀而固化下来，并被拉长到巨大的宏观尺度。人们可以根据量子理论预测这些原初扰动的统计性质。此外，暴胀理论也预测了原初引力波的存在。对原初扰动和引力波的精细观测为我们提供了探索宇宙起源的宝贵线索。
当然，除了暴胀宇宙模型外，宇宙学界还提出了一些其他的宇宙起源模型。例如，火劫理论认为，宇宙起源于高维空间两个“膜”的剧烈碰撞。还有其他理论认为，宇宙是循环的，多次发生膨胀、收缩、反弹等。受观测资料限制，关于宇宙起源的研究仍有很大的难度。
自20世纪90年代以来，随着观测技术的快速进步，精确宇宙学的时代来临。CMB及大尺度结构的数据精度达到了1/100的量级。这些理论与观测在多方面、不平凡的吻合不仅为标准宇宙学理论提供了坚实的证据，而且也对宇宙学参数给出了很精确的测量结果。目前，绝大部分现有的观测都能被宇宙学常数冷暗物质模型（ CDM）很好地容纳。
暗物质、暗能量之谜
20世纪30年代，瑞士天文学家茨维基（Fritz Zwicky）通过分析星系团观测数据，发现星系团中存在大量不发光的“暗物质”。到了70年代，茹宾（Vera Rubin）等人又发现，星系的恒星盘之外有由不发光的暗物质组成的球形晕。人们很容易想到，暗物质可能是某些不发光的天体，如褐矮星、行星、小黑洞、碎石等。不过，通过各种观测，由普通物质组成的不发光天体作为暗物质主要成分的可能性已被排除。
现在，人们猜想暗物质可能是某些标准模型之外的未知粒子，且不同的暗物质粒子对宇宙的结构形成有着不同的影响。那些在宇宙早期能够以接近光速运动的暗物质粒子被称为“热暗物质”，它们将抹平星系尺度的原初扰动，导致星系形成的滞后。因此，暗物质也有可能是冷暗物质模型和温暗物质模型（温暗物质是指运动速度远小于光速，但比冷暗物质大一些的暗物质，因此可以抹掉小于星系尺度的一些涨落）。还有一类质量大于几个质子，只参与万有引力和弱相互作用而不参与电磁相互作用和强相互作用的未知粒子——弱相互作用重粒子（WIMP），可以很好地满足目前大部分的天文观测，其也是暗物质的候选者之一。许多超越标准模型的粒子物理理论（如最典型的超对称理论）也可以自然地预言这样的粒子的存在。为了寻找这种暗物质，人们利用被厚厚的地层或山体屏蔽的实验室（比如我国的锦屏山地下实验室）进行WIMP搜寻实验，若这种粒子真的存在，应该能够轻松穿过其他粒子无法透过的屏障，与深藏其中的灵敏探测器相互作用。这些实验已经相当灵敏，可以排除很多模型，但迄今为止，人类还没有发现这种潜在的暗物质。
暗物质的另一热门候选者是轴子（axion）。这是一种于20世纪70年代被提出的假想粒子，并不在粒子的“标准模型”之中。轴子与普通物质的相互作用非常弱，其质量要远低于WIMP。不过，轴子虽然很轻，但由于其产生时处于玻色—爱因斯坦凝聚状态，因此其动量很小，仍然属于冷暗物质。目前，学界也展开了很多搜寻轴子的实验。同时，人们也继续进行精密的天文观测，试图根据暗物质的分布推断其性质，或者探寻暗物质可能的湮灭或衰变信号。
1998年，天文学家发现宇宙的膨胀正在加速。一般我们所熟悉的物质对时空的影响都是使宇宙的膨胀减速，因此，这意味着宇宙中存在着一种性质非常特殊的、被称为”暗能量“的物质。为了满足观测条件，暗能量必须与普通物质和光子没有相互作用，或者即便有，这种作用也要非常微弱。暗能量比暗物质更难以直接研究，人们通过精密地测量宇宙膨胀速度和大尺度结构演化速度随时间的变化来了解暗能量的性质。一些可能的暗能量模型包括爱因斯坦引入的“宇宙学常数”，或者某些性质非常特殊的标量场等。但是，为什么有这样的暗能量，它在整个物理体系中的起源是什么，这些问题仍然是未知的。
综合现有的宇宙学观测，普通的已知物质只占宇宙总平均密度的4.7%左右，暗物质约占25%，暗能量约占70%。因此，可以说宇宙中95%以上的物质组分仍然是未知的。
另外，现有的宇宙学模型虽然能够成功地解释绝大部分天文观测，但仍与一些观测存在矛盾。比如，近年来，人们使用两种不同方法测量的宇宙膨胀率（即所谓哈勃常数）存在明显的差异。一种是通过测量近邻宇宙中天体的距离和红移，然后根据这些距离和红移的关系得出结果，这种测量得到的数值比较高。而另一种观测方法则是用CMB、大尺度结构等数据拟合最佳的宇宙学模型参数。虽然这两种结果在数值上相差并不大，但却已明显超过了统计误差的范围。这一问题被称为哈勃冲突（Hubble tension）。哈勃冲突的存在已持续了若干年，但随着测量精度的改进，这一矛盾没有消失，反而越来越明显。这是否意味着我们的宇宙学理论还存在着未知的漏洞？
结语
至今，人类对宇宙的认识已取得了巨大的进步。通过使用科学方法，我们已经找到了描述物质结构、物质运动和相互作用甚至时间和空间的规律。身处地球的我们也已经认识到：地球只是太阳系中的一个行星，太阳不过是银河系上千亿颗恒星中的一个普通成员，银河系外的宇宙中分布着亿万个星系。我们所处的可观测宇宙起源于大约138亿年前的大爆炸，我们业已建立了一个可以很好地描述其演化过程的理论模型，其预言与观测相符。但奇怪的是，这一模型中的大部分物质成分仍然是由我们所不知道的暗物质与暗能量组成的。我们现在也还无法回答宇宙在其最早的时刻，甚至在大爆炸之前是怎样的。宇宙的奥秘仍有待进一步的探索和发现。
注 释
[1] 根据一个物理场在时空坐标中的变换, 可以将之分为标量场、矢量场、张量场等。标量场的势能具有类似真空能的性质。现代粒子物理标准模型中的希格斯场就是一种标量场。[2] 在形式上, 描述标量场在膨胀宇宙中的演化的方程类似于描述一个小球从一个带阻尼的斜坡上滚落的方程, 如果斜坡非常平缓, 小球的滚动也很缓慢, 类似的宇宙演化被称为“慢滚演化”。
（原载于《信睿周报》第66期）
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