第8章：宇宙学的意义
在前面的章节中，我们已经看到爱因斯坦的广义相对论如何彻底改变了我们对空间、时间和重力的理解。这个理论将重力解释为时空曲率的表现，而这个曲率是由质量和能量的存在引起的。爱因斯坦场方程提供了一个数学描述，描述了时空的几何性质是如何由物质和能量的分布决定的。
尽管广义相对论的推论在太阳系尺度上得到了惊人的证实，但当我们将宇宙整体来考虑时，它的一些最深刻的后果就会显现出来。在本章中，我们将探讨广义相对论在宇宙学中的应用如何导致一个动态、演化的宇宙的全新图像。我们将看到埃德温·哈勃在20世纪初的观测结果首次提供了扩张宇宙的证据，并且这个想法与广义相对论相结合，形成了宇宙大爆炸模型的基础。我们还会遇到现代物理学中最大的谜团之一 - 暗能量的本质，一种看似致使宇宙加速膨胀的神秘能量形式。
宇宙膨胀和哈勃定律
现代宇宙学的故事始于20世纪初美国天文学家埃德温·哈勃的研究工作。利用加利福尼亚州威尔逊山观测台的100英寸胡克望远镜，哈勃进行了一系列具有开创性的观测，这些观测将彻底改变我们对宇宙的理解。
哈勃的关键观测之一涉及到了夜空中某些模糊的光斑，被称为“星云”。许多天文学家认为这些星云是我们自己的银河系内相对较小的气体结构。然而，哈勃能够分辨出其中某些星云内的个别恒星，并通过将它们的视亮度与银河系中类似恒星的亮度进行比较，估计它们的距离。令他惊讶的是，他发现这些星云实际上非常遥远，远超过银河系的边界。哈勃发现宇宙比以前的计划要大得多，充满了无数的“岛宇宙”- 我们现在称之为星系。
但是，当哈勃观测了这些遥远星系的光谱时，他发现已知元素的光谱线被系统地向光谱的红端移动，这种现象称为红移。这种移动程度随着星系距离的增加而增加。这种红移的解释是多普勒效应引起的，由于星系远离我们而引起。红移越大，星系的远离速度就越快。
哈勃的观测结果导致了一个令人震惊的结论：宇宙正在膨胀。星系不是静止的，而是相互远离，就像烤面包中的葡萄干一样。而且，一个星系的远离速度与其与我们的距离成比例。这个关系被称为哈勃定律：
$$v = H_0 d$$
这里，$v$是星系的远离速度，$d$是其与我们的距离，$H_0$是一个比例常数，被称为哈勃常数。哈勃常数的值是宇宙当前膨胀速率的度量。
哈勃发现的宇宙膨胀是一个重大的突破。它推翻了长期以来对于一个静态、不变的宇宙的信念，引入了一个有历史的宇宙的观念 - 它随着时间的推移而演化。这一认识标志着现代宇宙学的诞生。
大爆炸模型
膨胀宇宙的发现立即引出一个深刻的问题：如果星系现在相互远离，过去它们是更接近一起的吗？向时间的过去推导，似乎在远古时期，宇宙中的所有物质都会集中到一个无限密度的点上 - 一个奇点。这个想法构成了宇宙大爆炸模型的基础。
根据宇宙大爆炸模型，宇宙在138亿年前的一个极热、极致密状态下开始。在这个初始时刻，宇宙是无限密集和无限热的。然后宇宙迅速膨胀和冷却。随着宇宙的膨胀和冷却，它经历了一系列的相变，有点类似水在受热时变成蒸汽或在冷却时变成冰。这些相变导致了形成我们所知的基本粒子和力的形成。
在宇宙大爆炸的最早阶段，宇宙是一个热闹的能量大锅。随着宇宙的膨胀和冷却，这种能量开始凝聚成物质 - 首先是夸克和电子，然后，随着宇宙进一步冷却，这些夸克结合形成了质子和中子。距离大爆炸发生约380,000年后，宇宙已经冷却到足够使这些质子和电子结合形成原子，主要是氢和氦。这个阶段被称为重组，标志着物质和辐射的解耦。在这个点之前，光子不断与带电粒子相互作用，使宇宙不透明。重组之后，光子能够自由传播，宇宙变得透明。 这些原初光子的余辉仍然可以观测到，就是宇宙微波背景辐射（CMB）。CMB在1965年被Arno Penzias和Robert Wilson首次探测到，它是一种几乎均匀的填满整个天空的微波辐射背景。它具有与约2.7开尔文温度相对应的热黑体光谱，这是对宇宙大爆炸模型的强有力证实。CMB中的微小不规则性，首次在1990年代由COBE卫星详细绘制，提供了重组时宇宙的快照，并成为未来所有宇宙结构（星系、恒星和行星）通过重力作用生长的种子。
基于对膨胀宇宙和CMB的观测，大爆炸模型提供了一个极其成功的宇宙历史描述。它通过大爆炸核合成过程解释了早期宇宙中轻元素的起源，并为理解宇宙结构的形成提供了一个框架。
然而，该模型并非没有问题。标准的大爆炸模型依赖于几个高度特定的初始条件-早期宇宙需要非常均匀，物质需要分布均匀到非常高的精度，并且需要具有非常特定的扩张速率。偏离这些条件将会导致与我们观察到的非常不同的宇宙。这个初始条件问题被称为平坦度问题和地平线问题。
此外，标准的大爆炸模型预测了某些奇异粒子的存在，例如磁单极子，但从未观测到。这被称为单极子问题。
上述问题在20世纪80年代得到了宇宙膨胀理论的解决。根据膨胀理论，在非常早期的宇宙中，存在一段由假设的场驱动的极快指数级膨胀的时期，称为通胀。这种快速膨胀消除了任何初始的不规则性，将宇宙推向了一个平坦、均匀的状态。它还将任何奇异粒子稀释到不可观测的水平。通胀为标准大爆炸模型的问题提供了一个优雅的解决方案，并成为现代宇宙学的一个重要组成部分，尽管通胀场的物理性质仍然是一个谜。
暗能量和加速膨胀宇宙
在1990年代末，对遥远超新星的研究带来了一个令人惊讶的发现，再次彻底改变了我们对宇宙的理解。超新星是巨大恒星的爆炸性死亡，非常明亮，并且可以观测到广阔的宇宙距离。一种特殊类型的超新星，被称为Ia型，对宇宙学特别有用。这些超新星发生在一个二进制系统中的白矮星从其伴星吸积物质，最终引发了热核爆炸。因为这种爆炸的条件总是相似的，Ia型超新星具有非常一致的内在亮度。通过将这种内在亮度与它们的表观亮度进行比较，天文学家可以确定它们的距离。它们作为测量宇宙尺度的“标准烛光”。
1998年，两个独立的天文学团队，超新星宇宙学项目和高Z超新星搜寻团队，使用Ia型超新星测量了宇宙的膨胀历史。他们预期发现，宇宙的膨胀速度由于物质的引力吸引而放缓。然而，他们发现了相反的情况：宇宙的膨胀正在加速。
这个结果令人震惊和意外。在标准的宇宙模型中，宇宙可以以逐渐减速的速度无限膨胀，或者最终在自身内部崩溃为“大瘪三”，但加速膨胀并未被考虑。在广义相对论的框架内解释这种加速的唯一方法是引入宇宙的一个新组成部分：暗能量。
暗能量是一种假设的能量形式，弥漫在整个空间中并具有负压。根据广义相对论的方程，物质和能量的压力对引力效应起作用。普通物质具有正压力，这使得它们通过引力聚集在一起。暗能量具有负压力，产生相反的效果：它使得宇宙加速膨胀。
暗能量最简单的模型是宇宙常数，用希腊字母Λ表示。宇宙常数最初是爱因斯坦为了允许一个静态宇宙而引入的方程修改。在哈勃发现膨胀宇宙后，他后来放弃了宇宙常数，并称其为他“最大的错误”。然而，在暗能量的背景下，宇宙常数取得了显著的回归。它可以被解释为真空的本征能量密度。
当前的标准宇宙模型被称为$\Lambda$CDM模型（冷暗物质+宇宙常数），包括暗能量以$\Lambda$的形式和暗物质，一种只通过引力相互作用的不可见物质，来解释宇宙的观测结构和演化。在该模型中，暗能量占据宇宙总能量密度的约68％，而暗物质占据约27％。普通物质，即我们看得见和触摸得到的一切，只占宇宙的不到5％。 虽然$\Lambda$CDM模型在解释广泛的宇宙观察方面非常成功，但暗能量的物理性质仍然是物理学中最深奥的谜团之一。宇宙常数的观测值比量子场论预测的值小了许多个数量级，这种不一致被称为宇宙常数问题。已经提出了暗能量的替代模型，如quintessence模型，该模型假设了一个动态的、不断演化的暗能量场，但在观测上区分这些模型是具有挑战性的。
暗能量的发现对宇宙的最终命运具有深远的影响。在以物质为主导的宇宙中，膨胀最终会减缓并逆转，导致一个“大坍缩”。然而，在具有宇宙常数的宇宙中，膨胀将继续加速，导致一个“大冻结”。在这种情况下，星系将最终迅速远离彼此，以至于来自一个星系的光将无法到达另一个星系。宇宙将变得寒冷、黑暗和空虚。
结论
将广义相对论应用于宇宙学已经对我们对宇宙的理解产生了深远的变革。牛顿的静态、永恒宇宙已经被一个在炙热的宇宙大爆炸中开始并不断膨胀和冷却的动态、演化宇宙所取代。扩展宇宙的发现、宇宙微波背景辐射和暗能量描绘了一个比我们想象的更为奇妙和奇特的宇宙图景。
然而，这个图景还远未完整。构成宇宙95%的暗物质和暗能量的性质仍然未知。早期宇宙物理，即在量子效应变得重要的时候，仍然知之甚少。宇宙的最终命运，即宇宙是否将永远膨胀还是最终会收缩回来，仍然是一个开放的问题。
要回答这些问题，需要进行新的观测和新的理论洞察。即将进行的宇宙学调查，如大型巡天巡视望远镜和欧几里德卫星，将以前所未有的精确度绘制宇宙的结构，提供对广义相对论的新测试，并对暗能量的性质提供新的约束。引力波观测设施，如LIGO和Virgo，将开启一个新的窗口，观测早期宇宙和黑洞物理。而理论发展，如弦理论和环量子引力理论，可能为统一广义相对论和量子力学提供框架，这是通往量子重力完整理论的关键一步。
在爱因斯坦革命性理论的一个世纪之后，对宇宙的研究仍然是科学界最令人激动和活跃的领域之一。随着我们继续探索广义相对论对宇宙学的影响，我们可以期待未来几年中出现更多的惊喜和启示。从大爆炸到遥远的未来，宇宙的故事仍在书写中。