新千年的宇宙学
Wendy L. Freedman & Michael S. Turner
译自Sky & Telescope, Vol. 106, No. 4 (2003)
旋涡星系NGC 4603。（图片提供：NASA/STScI）
以新观点和新技术为支持，我们对宇宙起源和演化的了解正发生着一场革命。空间望远镜在整个电磁波谱上巡视着宇宙；而巨型地面望远镜、超级计算机、粒子加速器乃至地下“望远镜”也都发挥了各自的作用。
多亏有了爱因斯坦的广义相对论和当代粒子物理学，我们可以有把握地回溯到宇宙诞生后的百万分之一秒，万物只是一团基本粒子混合物之时。我们也正在将认识领域继续向前推溯，直到当今宇宙中最大的物体还仅仅是微小起伏的那一刻，而这样的起伏最终将演变成今日所见的星系和星系团。甚至宇宙起源这样的问题也进入了科学研究的范围。
经过几十年的努力，我们已探明了宇宙的基本特征。当今大部分宇宙学家达成了一个新的，而且在十年前几乎是不可想象的共识：他们认为我们的宇宙有137亿年的历史，而且是平坦的（也就是说，它遵从欧几里得几何学，平行线永远平行，三角形内角之和为180度）。新的共识解决了许多困扰该领域达数十年之久的难题——其中最值得一提的是宇宙似乎比在它之中的恒星还要年轻这样一个谜题。同样重要的是对一些象哈勃常数这样的关键参数完全独立的测量结果的一致。
但这并不意味着我们宇宙学家的工作已使自己失业。新宇宙学中包含有一些未曾料到的惊奇事物。宇宙中的大部分物质是不发光的，而且与我们所熟悉的物质不同，它们并非由中子和质子组成。这些占据了宇宙质量—能量总数30%的奇异暗物质被认为是由一种产生于大爆炸后不久的未知基本粒子组成。更令人惊讶的是，宇宙质能总量的2/3是以非常神秘的暗能量形式存在的，这种能量正使宇宙的膨胀加速。现在，让我们一起回顾一下关于这个超乎预计而又愈加可信的宇宙的证据。
大爆炸体系
理解宇宙演化的概念基础是基于爱因斯坦广义相对论及埃德温·哈勃所观测到的宇宙膨胀而提出的热大爆炸模型。
这里，理论和观测的相互影响是关键。在广义相对论的图景中，空间和时间可以被扭动、弯曲或伸展；而对大爆炸的正确理解应该是空间连带其中的物质的膨胀，而不是一次使物质猛冲入空旷空间中的爆炸。
同样，对遥远星系所发出光的红移的恰当解释不是由于星系在空间中运动而产生多普勒效应，而是由于空间的膨胀导致光子在前往地球途中其波长被伸长。（“红移”这个术语的提出是由于使遥远星系向地球方向发出光的波长变长会导致其吸收线，也就是组成恒星中某种特定原子或分子的“指纹”与银河系内邻近恒星相比，在可见光谱中会向红端偏移。）
遥远星系的红移值（以z表示）直接测出了自光线离开星系时起宇宙增长的尺度；尺度的变化等于1+z。目前已发现的最遥远的类星体红移值为6.4。也就是说，在类星体刚发出光时占据1百万光年尺度的空间，现在已变为740万光年！
大爆炸体系包容但并未完全解释当今宇宙的一些关键特性：空间的平坦性，大爆炸的余热（宇宙微波背景辐射，简称CMBR），以及为产生现在宇宙中明显的大尺度结构而必须存在于“原初汤”中的微小团块。1980年，麻省理工学院的物理学家Alan H. Guth提出了“暴涨”理论；之后，其他人（包括这篇文章的作者之一Turner）完善了这个观点。通过将现代粒子物理学应用于早期宇宙，这个理论令人瞩目地解释了当今宇宙中所有这些重要的特征。
在暴涨中，早期宇宙的微小部分以指使形式膨胀，大小增加了40倍甚至更多，使今天我们所见的那部分宇宙变得平坦，这与气球膨胀会使其表面的蚂蚁认为附近一小块区域变平的情况很类似。
加速膨胀背后隐藏的原因被认为是一种与假设中的能量场——暴涨场（inflation）有关的潜在能量。正是暴涨场的潜在能量产生了大爆炸的巨大热量。（这种场与物理学家为解释粒子具有质量的原因而引入的Higgs场并不相同。）在暴涨中，亚原子尺度的量子涨落由于惊人的膨胀而被放大到了天文尺度。根据该理论，这些增长在之后长久的年代中以引力的形式增加，并最终造就了今日所见的星系和星系团。
暴涨理论作出了三个基本预测：可见宇宙应是平坦的；天文尺度的物质分布应反映其量子起源；而且整个空间应被产生于宇宙诞生10-32秒后时空结构量子涨落的引力波背景辐射所弥漫。现在，前两个预言正被对CMBR的测量结果所检验——而且它们已通过了严格的测试。（第三个预言可能会在不远的将来被类似的测量结果检验。）现在，我们转而讨论宇宙的膨胀。
宇宙的膨胀
旋涡星系M100。（图片提供：NASA/STScI）
1929年，卡耐基天文台的天文学家埃德温·哈勃和米尔顿·赫马森（Milton Humason）测量了一些邻近星系的距离，并发现了距离和退行速度之间的关系（当星系以不超过百分之几光速的速度离我们而去的时候，速度与红移值是成比例的）。如今，这个比例系数被称为哈勃常数（以H0表示），它表示了现在宇宙膨胀的速度。
星系的距离出人意料地困难，而且大批棘手的问题阻碍了为确定H0而作出的努力。只是在最近，由于仪器的改进、哈勃空间望远镜的发射，以及其他几种测量方法的发展才让我们取得了对H0数值的共识，而且我们对其不确定性的大小也获得了可靠的结果。作为对河外星系距离尺度研究的哈勃空间望远镜关键计划（Hubble Space Telescope Key Project，本文作者之一Freedman是其领导人）的一部分，星系距离的精确数据也被获取了。
通过在24个旋涡星系中发现并测量造父变星，哈勃空间望远镜使从事关键计划的科学家能够校准5个不同的所谓次级距离指针（Second Distance Indicator）——这些是能够在10亿光年乃至更远的范围内测定星系距离的方法。这样的距离一直延伸到被称作“哈勃流（Hubble flow）”的范围，即室女星系团这样的大质量星系聚集区带来的扭曲效应对测量基本没有影响的区域。
当把数据结合起来之后，这五种方法都表明，H0等于72千米/秒*百万秒差距（一百万秒差距相当于326万光年），其不确定程度约为10%。与关键计划所得结果相比，哈勃最初获得的同单位数值是550！由于可观测宇宙的尺度和年龄都与H0的倒数成比例，这个修正使可见宇宙的范围扩大了8倍。
其他使用完全独立的方法测量H0的小组取得了与关键计划相吻合的结果。因此，这个宇宙学中最重要的常数应该算是被最终确定了。
