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在这最后一章， 我们将会研究宇宙本身， 尝试了解宇宙何时诞生？如 何 诞 生 ？何 时 死 亡 ？如 何 死 亡 ？宇 宙 之 外 是 甚 么 ？研 究 这 些 问 题 的 学 问 称 为 宇 宙 学 。
 宇 宙 学 原 理从实际观察之中， 我们得出了三个有关宇宙的基本假设， 我们称之为宇宙学原理。凭此， 我们才能建立一个简单的宇宙模型， 当然它不能百分百准确描述我们的宇宙， 但只要比较模型和真实之间的差异， 我们便可逐渐得知问题出在哪里。 宇 宙 一 致 性 原 理 ： 这是最基本的假设， 基本得很多书已把它当成太理所当然而不被列出。我们假设人类所知的物理定律， 亦普遍适用于宇宙任何一个角落， 没有了这个假设便万事皆休， 什么天文物理便会失去一切意义。遥远恒星和星系的研究结果仍然支持这个假设。 均 匀 性 原 理 ： 这个原理假设宇宙的物质是均匀地散布在整个宇宙内。若我们只看宇宙局部地方， 这个假设当然不对， 例如在太阳系内大部分的物质集中在太阳身上； 银河系内大部分的恒星集中在银盘上。那么究竟这个假设是不是完全错误呢？
 银 河 系 是 本 星 系 团 其中一员， 这个星系集团包括了M31 仙女座大星系、 大麦哲伦云和小麦哲伦云等星系。一个典型的星系团大小约一百万秒差距， 包含大约1000 个星系。众多星系团又再组成一个横跨1 亿秒差距、 包含100 个星系团的 超 星 系 团 。本星系团和例如室女座星系团等附近星系团， 便组成了称为 本 超 星 系 团 的 超 星 系 团 。 从更大尺度来看， 最近的星系研究显示， 星系分布有天文学家称为「 长城」 和「 空洞」 的大尺度结构。难道我们的宇宙并不是均匀的？虽然最新的研究结果皆显示了宇宙大尺度结构的存在， 但我们的答案依然是「 不」 ， 我们仍怀疑宇宙物质的分布在更大更大尺度的层面可能是均匀的。无论如何， 均匀性原理大大简化了我们的宇宙模型， 让我们无须迷失于复杂的运算中。
 各 向 同 性 原 理 ： 这个原理假设无论我们向宇宙哪一个方向观察， 所看到的皆会差不多。各向同性和均匀性不同， 宇宙可以是均匀但不是各向同性， 或各向同性但不是均匀的。
宇 宙 微 波 背 景 辐 射1965 年， 科学家发现天空任何方向皆可侦测到微波， 这是一个重要的天文发现， 但研究员却懵然不知， 后来才知道这些微波来自宇宙， 而这些辐射的光谱对应于绝对温度为3K 的黑体辐射。经过合理的修正， 天文学家发觉这些辐射显示了高度的均匀性和各向同性。我们相信它们是宇宙初开后所残留的辐射。这个发现， 增加了我们对宇宙学原理的信心。
奥 伯 斯 佯 谬不要被这个名称吓跑， 这个佯谬其实很简单─ 「 为什么天会是黑的呢？ 」 如果宇宙是无限而且恒星的分布是均匀的， 那么无论我们望向哪一方， 只要看得够远，视线最终总会碰到一颗恒星， 换言之， 天空将会和白昼一样光亮！ 有很多人用了简单的方法回答这个问题， 但可惜绝大部分是错的。正确的解答应该是由于光线需要时间到达地球， 当我们望向宇宙深处， 我们其实不单止在看一些遥远的物体， 我们其实正同时窥伺着宇宙的过去， 结果只要超越某一距离仍看不见星星， 那么更远之处亦不可能会有， 因为在这之前宇宙中还末有恒星诞生， 这样便能解决奥伯斯佯谬。问题是我们怎么知道宇宙的年龄是有限的呢？
宇 宙 红 移 和 哈 勃 定 律天文学家发现绝大部分星系皆有 红 移 现 象 ， 即星系的辐射向长波长方向偏移。 我们通常用z 来表示红移的幅度：
例如某星系的某一谱线波长为515 纳米， 但在地球上， 同一谱线的波长却为500 纳米， 那么波长的变化为15 纳米， 原本波长为500 纳米， 所以红移量z 等于0.03 。 红移是由多普勒效应造成的， 所以星系红移越大， 表示它正以更高的速度远离我们。若红移z 比1 少得多﹐ 则我们便可用以下公式找出星系的退行速度v ：
公 式 中 的 c 为 光 速 ， 即 约 3x108 米 / 秒 。把数值代入， 便可以得出以上例子的星系退行速度为每秒九千公里。 假若星系运动的方向是随机的， 那么应该有一半的星系正在远离我们， 另一半则接近我们， 但结果实在出人意表， 哈勃发现不单绝大部分星系正在远离我们， 而且它们的退行速度和与地球的距离成正比， 这个关系可以下式表示：
公式中的H 是一个比例常数， 我们称之为 哈 勃 常 数 ， 而 这 个 定 律 称 为 哈 勃 定 律 。简单来说， 这个定律说星系离我们越远， 远离我们的速度越高。哈勃常数可能是最难以量度的天文参数， 不同的天文学家用不同的方法， 得出不同的结果， 计算出的数值由50 公里/ 秒/ 百万秒差距至100 公里/ 秒/ 百万秒差距不等， 现在最被广泛接受的数值约为60 公里/ 秒/ 百万秒差距。假若我们可以准确得出哈勃常数， 那么我们便可以轻易利用它计算出星系的距离。例如上例中的星系， 如果哈勃常数是60 的话， 它便距离地球150 百万秒差距。
大 爆 炸 理 论在以上章节我们已罗列了不少有关宇宙的观测结果， 现在我们将要讨论一个广为科学界所接受的宇宙演化理论─ 大爆炸理论﹐ 它是一个既简单又符合观测结果的理论。宇宙不是无绐无终的， 它亦有一个起源， 一个诞生点， 当宇宙的年龄只有1 微秒的时候， 宇宙的一切皆挤压在一个细小、 高密度的炽热火球内， 温度达1012 K 。由诞生开始， 宇宙便不断膨胀， 温度亦同时不断下降， 现在的温度只剩下3 K ， 这便是3K 背景辐射的由来。 某程度上来说， 宇宙的演化有如烘葡萄干面包， 随着面包不断胀大， 葡萄干的距离亦不断增加。假若你是其中一颗葡萄干上的蚂蚁， 你会看见所有葡萄干皆离你越来越远， 同时， 离你越远的葡萄干， 离开你的速度亦越快。
 大爆炸理论亦解释了宇宙红移。一个遥远的星系， 由于它的光线需要更长的时间才能到达地球， 在光线进行的时间里， 宇宙的膨胀会把光子的波长拉长。
 利用大爆炸理论亦可以估算宇宙的年龄， 由于我们知道星系的退行速度， 只要我们来一个倒镜， 计算所有星系回到原点所需的时间， 便可得出宇宙的年龄， 结果是大约有150 亿年( 1.5x1010 年 ) 。
宇 宙 的 演 化 与 未 来究竟一个炽热、 高密度而细小的火球怎样可以成为现今的宇宙， 一直是天文学上的一个大课题。我们仍未弄清宇宙的大尺度结构和星系是怎样形成的， 但我们相信在最初的数百万年， 宇宙中充满着光子， 数量可比其他物质多， 再经过约数百万年， 物质才成为宇宙的主要成分， 并开始形成了大尺度结构和星系。
宇宙的质量密度决定了宇宙的命运， 假若质量密度大过某一称为 临 界 密 度 的数值， 引力便足以使宇宙停止膨胀， 并令它重新收缩， 这称为 封 闭 宇 宙 ； 若质量密度比临界值少， 宇宙便会无休止地膨胀， 我们称之为 开 放 宇 宙 ； 最后若密度和临界值一样， 便会得出一个 平 坦 而 开 放 的 宇 宙 。
封闭宇宙就好像球体的表面， 大小有限但无边。开放宇宙是无限大的， 而它的几何特性和双曲面相似。宇宙的几何特性会影响三角形的内角和， 但这牵涉到非欧几理得几何， 篇幅所限， 我们不能作深入探讨。
要准确量度宇宙的质量密度非常困难， 最大的障碍来自宇宙的 黑 暗 物 质 ， 这些物质眼不能见， 我们仍无法准确估计它们的数量， 引 力 透 镜 效 应 虽然对估计宇宙空间物质的质量有点帮助， 但仍不足够。另一个大难题是究竟中微子有没有质量？由于宇宙有大量中微子， 即使每颗中微子的重量微不足道， 但累积起来的数目却绝不能小觑。
总括来说， 虽然最新的研究表示我们可能在一个开放的宇宙内﹐ 但我们仍不能肯定﹐ 天文学家仍需努力。
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来自： LM0318 > 《21 遼寧(遼)》
