当代宇宙学研究的历史与发展(公选课论文)

题目：2013年12月20日，世界顶级杂志《Science》展望2014年值得关注的科学领域，共四项，其中两项都是关于物理学的。（1）中微子研究；（2）探索宇宙历史。爱因斯坦的广义相对论开起来宇宙学的研究，而且人们在认识宇宙的起源和演化方面也取得了重大的进步，但是还有许多未知领域需要探寻，根据你所掌握的知识阐述宇宙学的研究历史及现状，以及研究的意义，文字在4000字以上。

论文：

当代宇宙学研究的历史与发展

宇宙的空间究竟有限还是无限？宇宙究竟有没有边疆？对这一命题的讨论可以追溯到人类文明的早期，几千年来，两种主张宇宙有限与宇宙无限的学说一直交替出现，直到今天也没有定论。

希腊时代的自然哲学家卢克莱修认为有限宇宙观念是非常荒谬的。他指出：如果宇宙是有限的，倘若一个人一直走到它的边缘，猛掷一根飞矛。那么试问：它将飞向何处？这个著名的“飞矛实验”竟成为后世反对有限宇宙学说的一个主要哲学根据。可以说，反对有限宇宙观念的最有力的证据通常都不过是类似的诘问。比如，中国古代哲学家杨慎就曾提出：“天有极乎，极之外何物也？”这种诘问在科学研究方法论中固然有着重要地位，但它只是从反面向科学提出问题，说明科学自身的不足，而没有从物理上作出对有限宇宙存在的否定证明。

以下是中国台湾“中央研究院”完整保存有一片甲骨，其上所刻甲骨文的内容是世界上世界上首次关于新星（Nova）的观察记录。

根据甲骨文出现的时间推断，最迟也可以追溯到秦朝前期，即公元前221年以前，这说明，茫茫宇宙对人类求知探索的吸引力是巨大的，早在公元以前，人们就对浩瀚的宇宙具有了一定的认识。

近代牛顿力学体系的建立，形成近代科学的主流。但是以经典力学来研究无限宇宙时，人们会发现研究的进行会遇到严重的瓶颈，可以说牛顿力学是无法建

立宇宙学框架的。为此，近代科学家们为解决这个瓶颈，对突破经典力学做了长期的探索。

现代宇宙学是以爱因斯坦的广义相对论为基础的，现代宇宙学是从整体角度研究宇宙的结构，起源和演化，天文学上通常将天文观察所及的整个时空范围称为“可观测宇宙”，简称宇宙。

现代宇宙学通过长期的探索与发展，在一定意义上说已经取得了相当的进步，例如：弥补了传统的宇宙观的不足；哈勃的发现；对大爆炸宇宙起源的假说以及论证以及对恒星寿命的研究等等，但是像任何科学学科一样，问题的解决以及进步的取得往往伴随着新问题的出现，而关于开篇所说宇宙边界的问题，迄今为止已有众多科学家投入研究，并取得了一定的进步，但是，不管当今宇宙学取得了怎样骄人的成果，当代宇宙学的发展仍然还有更广阔的天地未曾开启。

说到了宇宙学，不得不提的一个当代宇宙学名词就是：大爆炸宇宙模型。当代宇宙学研究的是我们宇宙的起源与演化。基于爱因斯坦广义相对论的大爆炸宇宙模型（宇宙的标准模型。）虽然被许多天文观测所证实，但是也存在很多基本困难，而近代暴涨宇宙模型为解决这些基本困难提供了一种途径。

以下是一段关于暴涨宇宙学研究的大致历史追溯，从中可以看出近代到当代宇宙学研究的一个缩影。

宇宙模型的研究历史可以追溯到牛顿1691年，牛顿根据他的万有引力理论提出过一个静态宇宙模型。这个模型的困难在于，在一个有限的空间区域内，恒星之间的相互吸引会使恒星向某中心一起坍缩。为了避免这种不稳定性，牛顿提出在这个区域之外的无限空间内加上足够多（但有限）的其他恒星。然而近代研究表明，外部的球壳不会影响内部的动力学。因此，牛顿的修正并不能避免不稳定性困难。近代宇宙模型的研究起源于爱因斯坦，1917年，为了使广义相对论给出静态宇宙学解，他引进了一个宇宙常数项，同年，德西特提出了一个完全没有物质存在的静态宇宙模型，可以解释当时观测到的遥远天体的红移。但是，爱丁顿等人后来证明了静态宇宙是不稳定的，从此，人们开始意识到宇宙可能是随时间变化的。1922年和1924年，俄国科学家Friedmann基于广义相对论研究了膨胀的闭合和开放宇宙模型。1929年，Robertson研究了平坦宇宙模型。同年哈勃基于对河外星系的观测数据发现了星系的红移（或退行速度）与距离之间成线性关系（即哈勃定律或哈勃关系），表明星系的运动不是随机的，因而彻底否定

了静态宇宙模型，从此，膨胀宇宙模型逐渐被人们所接受。○1注

在以上资料中，提到了一个名词：静态宇宙模型。牛顿力学认为无限多的星体均匀的分布在无限的绝对空间中,靠万有引力作用相互联系,沿着各自的轨道循环运行；宇宙是无限无界的静态模型,宇宙空间是三维欧几里德几何学空间。这一模型在当时可以说是广泛为人们所接受的，毕竟牛顿时代，牛顿代表的是当时最高的科学理论。牛顿认为“无限多的星体均匀的分布在无限的绝对空间中靠万有引力作用相互联系,沿着各自的轨道循环运行.”但是，这幅图景是一开始就这样的吗？力不可能凭空产生，这需要在茫茫宇宙中有一个客观存在的第一推动力，但是牛顿却没有明确地给出这一推动力的来源，这样，静态宇宙模型就陷入了窘境。

为了摆脱这一窘境，1917年，爱因斯坦提出第一篇宇宙学研究论文——《根据广义相对论对宇宙学所作的考查》。文章一开始就对牛顿理论无法解释无限宇宙的困境作了历史性的批判。当然，正如爱因斯坦本人在文章中所述，在寻找一

个合理的宇宙理论过程中，他自己也同样走过“一条有点崎岖和曲折的道路”。在创立广义相对论的艰辛历程中，使他萌发一个全新的思想，即根据广义相对性的要求，如果有可能把宇宙看作是一个就其空间广延来说是封闭的连续区，那么就可以得到一个自洽的动力学宇宙模型，即一个有限无边的模型。在这个模型中，爱因斯坦放弃了空间的三维欧几里得几何无限性的传统观念，主张宇宙空间是一个闭合的连续区，连续区的体积是有限的，但它是一个弯曲的封闭体，因而是没有边界的。天体则均匀地分布在这弯曲的封闭体中。这就好像一个球体的表面，虽然面积是有限的，但是沿着球面运动总也遇不到边。这就是相对论宇宙学的第一个宇宙模型——宇宙有限无边。

对静态宇宙的反驳，除了爱因斯坦之外还有许多科学家都曾涉足，早在1826年奥勃斯提出若宇宙是无限的,恒星又均匀分布在无限的时空中,那么在足够古老的宇宙中,星系物质同恒星处于某种平衡状态,前者吸收的光应同后者发射的光一样多,所以宇宙的总亮度不会减少,即夜晚的天空不会是黑暗的，应十分明亮，昼夜不分。这一理理论就是宇宙学著名的“黑夜洋缪”。除此之外，我们可能不知道1874年,西里格也曾提出假如认为宇宙是无限的,天体均匀分布于整个宇宙中,当宇宙中全部物质对空间中任一质点作用引力时,该点会受到无限大的引力的撕拉。这一理论称为“引力洋缪”。

在爱因斯坦提出第一个相对论宇宙学模型出现的同时，他也令人意外地发现，根据广义相对论计算结果，这个有限无边的宇宙必定是动态的，或者膨胀，或者收缩，或者兼而有之（振荡）。这一理论发现在当时看来，正如美国物理学家惠勒(J．Wheeler)所说：“这是一个对作者本人来说也是太离奇的推断。”

1924年,俄国的弗里德曼明确提出提出宇宙要么膨胀,要么收缩,但不会保持静止状态。但是在这之后的1929年，Robertson研究了平坦宇宙模型，同年，哈勃发现几乎所有的星系光谱都是红移，并提出了哈勃定理，即：星系的退行速度与距离是明显地正比关系，这表明星系的运动并非随机，从而否定了静态宇宙模型学说。

在否定了静态宇宙模型之后，1948年乔治·伽莫夫与他的两位年轻研究生拉尔夫·阿尔弗和罗伯特·赫尔曼，首次预言我们今天看到的膨胀着的宇宙开始于一次猛烈的大爆炸。以下是他们所描绘的大爆炸宇宙模型图。