看我們如何從銀河邁向宇宙。

人類對宇宙的了解程度,。斯隆數(shù)字化巡天

100年前,，人類對宇宙的認識還非常有限。那時人們認為,，構成整個宇宙的,，只是銀河內的恒星、星團和星云,。構成物質的,，也只不過是原子核和電子。那時人們認為宇宙間只存在兩種基本作用力——引力和電磁力,。那時的科學,，自1600年代以來，一直被牛頓引力學說統(tǒng)治著,。但在兩個月間,，就遭遇了愛因斯坦廣義相對論強有力的挑戰(zhàn)。

在隨后的100年間,，每隔10年，就會有一個大發(fā)現(xiàn),，這些發(fā)現(xiàn)重塑了我們腦海中和宇宙有關的概念,。

1919年11月10日的《紐約時報》（左）和1919年11月22日的《倫敦插畫新聞》（右）。

1910年代——廣義相對論

愛因斯坦的學說被證實,。廣義相對論解釋了牛頓引力學說無法解釋的現(xiàn)象：水星軌道的進動,。作為一種科學理論,，解釋已知現(xiàn)象顯然還不夠，它還需預言我們未曾見到的事件,。于是在這100年中,，引力時間膨脹、強引力透鏡和弱引力透鏡,、慣性系拖拽,、引力紅移等現(xiàn)象被一一發(fā)現(xiàn)。第一種現(xiàn)象是1919年,，由愛丁頓等人在一次日全食期間,，觀察被彎曲的星光時發(fā)現(xiàn)的。太陽周圍被彎曲的星光總量與愛因斯坦的預言相符,，而與牛頓學說相悖,。由此，我們對宇宙的看法被永遠改變,。

埃德溫·哈勃 / NASA / ESA / R. Gendler / Z. Levay / 哈勃遺產小組

1920年代——膨脹的宇宙

在此之前,，我們不知道銀河系以外還有宇宙。但這種看法被1920年代的埃德溫·哈勃改變,。他在觀察天空中的所謂“旋渦星云”時發(fā)現(xiàn),，那里存在和銀河系變星相似的天體。它們的亮度是如此之低,，因此必然存在于數(shù)百萬光年以外,。哈勃并未就此停止探索，他還測算出了大量星系的后退速度和與我們的距離,，把一個膨脹著的浩瀚宇宙捧到了我們面前,。

后發(fā)座星系團。Adam Block / 萊蒙山天空中心 / 亞里桑那大學

1930年代——暗物質

人們一直以來都認為,，如果我們能夠測出所有恒星的質量,，再加上氣體和塵埃，便能夠獲知宇宙中究竟有多少物質,。但是弗里茨·茲威基在觀察了高密度星系團（如上圖的后發(fā)座星系團）后發(fā)現(xiàn),，恒星和我們所知的“普通物質（如原子）”質量總和不足以解釋這些星系團內部的高速運動。他稱這些缺失的質量為“dunkle materie”,，也就是德語的“暗物質”,。人們直到1970年代，在對普通物質有了更好的了解后,，才對這方面的觀察加以重視,。暗物質廣泛地分布在各個星系中。據(jù)我們現(xiàn)在所知，它們和普通物質的比例高達5比1,。

1940年代——宇宙大爆炸

在這個時期,，雖然大量的實驗和觀測資源涌向間諜衛(wèi)星、導彈和核技術的研發(fā)領域,，理論物理學家也沒有停止努力,。1945年，喬治·伽莫夫根據(jù)宇宙的膨脹學說,，作了一個大膽的推論：假如宇宙今天在持續(xù)地膨脹和冷卻,，那它必然有一個熾熱和致密的過去。繼續(xù)追溯宇宙的過往,，必然存在一個熾熱和致密到中性原子無法存在的時期,，在此之前，連原子核也無法存在,。如果確實是這樣,，那么在宇宙中第一顆恒星誕生之前，宇宙必然是由數(shù)種最輕的元素按一定的比例構成的,，那么到了今天,，在宇宙的所有方向上，必然滲透著大爆炸的余暉,，它的溫度必然只比絕對零度高了那么一點,。這個理論框架就是今天我們所知的“宇宙大爆炸”，而這個偉大的觀點就出自1940年代,。

1950年代——重元素從何而來

與大爆炸競爭的便是霍伊爾的恒穩(wěn)宇宙學說,。這個學說中最引人注目的觀點是，他認為今天的所有重元素并非是在宇宙早期形成的,，而是由前幾代恒星制造出來的,。在霍伊爾和劍橋大學其他學者的努力下，人們從細節(jié)上了解了這些元素是如何在恒星內部的核聚變反應中出現(xiàn)的,。最突出的一點是,，他們認為氦聚變?yōu)樘嫉姆绞绞侨藗兦八匆姷模?α過程（氦原子核又被稱為α粒子），這一過程產生的碳,，其存在的方式是一種新的狀態(tài),。這種新的狀態(tài)在數(shù)年后被別的科學家發(fā)現(xiàn)，今天被稱為“碳的霍伊爾狀態(tài)”,。由此我們知道,，今天地球上的所有重元素，都源自前幾代的恒星,。

1965年發(fā)現(xiàn)的宇宙微波背景,。NASA / WMAP科研小組

1960年代——宇宙微波背景

在經歷了20年的爭論后,，人們獲得了能夠決定宇宙歷史的關鍵性發(fā)現(xiàn)——預言中的大爆炸余輝,，也就是宇宙微波背景,。這個統(tǒng)一的、溫度只有2.725K的余輝是1965年由阿諾·彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)的,，但當時他們都沒有意識到,。直到這一幅射的完整黑體頻譜及其漲落被測定之后。

1970年代——宇宙暴脹

1979年末,，年輕的科學家阿蘭·古斯突然意識到,，如果宇宙有一個暴脹期,，就可以解釋宇宙大爆炸中的諸多未解之謎——為什么宇宙如此平坦？為什么宇宙的各個方向溫度是相同的,？為什么沒有超高能量遺留下來？暴脹理論認為,，在宇宙到達熾熱,、致密階段之前，曾經有一個呈幾何級膨脹的時期,，此時,，所有的能量都被束縛在空間本身之中。幾經改進后,，古斯不成熟的念頭最后變成了現(xiàn)代暴脹理論,。隨后的諸多觀測結果，如宇宙微波背景中的漲落,、宇宙大尺度結構,，以及星系的聚集和形成，都證實了暴脹理論的預言,。由此我們知道,，我們的宇宙不但起源于大爆炸，而且在大爆炸發(fā)生之前可能還存在著一個階段,。

ESA / 哈勃太空望遠鏡 / NASA

1980年代——中微子天文學

1987年,，天空中出現(xiàn)了一顆超新星，這是100年以來離我們最近的一顆超新星,。雖然星系中超新星眾多,，但由于它離我們相當近，我們可以直接觀測這顆超新星釋放出來的中微子,。這標志著中微子天文學的開啟,，隨之而來的就是諸如中微子振蕩、中微子質量和百萬光年外超新星中微子等發(fā)現(xiàn),。

1990年代——宇宙的命運

暗物質的發(fā)現(xiàn)是一件大事,，但直到1998年人們才了解宇宙有可能會怎樣死去,。通常我們認為有這樣三種可能性：

一是宇宙的膨脹無法克服物質的引力拖拽，最終在大坍縮中重新回歸原點,。

二是宇宙的膨脹超越了能將所有物質結合在一起的引力,，宇宙中的一切將分崩離析，最終的結果是大凍結,。

三是情況位于兩者之間,，膨脹速率將無限接近零，但永遠不會到達零,，這樣的宇宙被稱為臨界宇宙,。

然而，從對遙遠超新星的研究結果中我們得知,，宇宙的膨脹在加速,，隨著時間的推移，遙遠的星系之間的距離將加速擴大,。宇宙不但將面臨大凍結,，而且所有未被引力束縛在一起的星系最終都會從宇宙的視線中消失。除了我們本星系群中的星系,，沒有任何其它星系會靠近銀河系,，我們的命運注定是寒冷和孤寂。1千億年后,，我們將看不到除了我們自己所在星系以外的任何星系,。

2000年代——宇宙的構成

對宇宙微波背景的發(fā)現(xiàn)并沒有在1965年后終止，我們對大爆炸余輝的觀測讓我們有了一個非常了不起的發(fā)現(xiàn)：宇宙的構成,。來自COBE,、普朗克等衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，以及從大星系巡天中獲得的宇宙大尺度結構和遙遠超新星的數(shù)據(jù),，讓我們對宇宙的構成有了一個新的認識,，它包含：

0.01%的輻射，以光子形式存在,；

0.1%的中微子,，它構成了包圍著星系和星系團的引力暈的極少一部分；

4.9%的普通物質,，包括構成原子的一切,；

27%的暗物質，這是一種神秘的,，不與普通物質發(fā)生作用（除了引力以外）的物質,，而我們看到的宇宙結構之形成卻與它分不開；

68%的暗能量,，這種能量是空間本身固有的能量,。

宜居帶內的小型系外行星,。NASA

2010年代——？

2010年代又將如何奉獻它的偉大發(fā)現(xiàn),？我們是否會迎來引力波天文學,？我們是否會發(fā)現(xiàn)暗物質的真相？宇宙暴脹理論的最后一個預言是否會被證實,？還是我們會在地球以外發(fā)現(xiàn)生命的存在,？

讓我們拭目以待。