宇宙學(xué)是物理學(xué)和天體物理學(xué)的一個(gè)分支，它主要研究的是宇宙的發(fā)展歷史（包括宇宙的起源，宇宙的膨脹，宇宙的演化），宇宙的結(jié)構(gòu)（包括空間幾何的多種可能性，元素構(gòu)成），及宇宙存在的形式（即不同可能性下宇宙的理論模型）。它主要利用物理和數(shù)學(xué)方法來(lái)對(duì)宇宙的真實(shí)樣貌進(jìn)行預(yù)言假設(shè)，并通過(guò)觀測(cè)宇宙學(xué)來(lái)對(duì)不同的模型進(jìn)行驗(yàn)證。這個(gè)學(xué)科和大眾所認(rèn)知的“看星星”的天文學(xué)有所差異，更偏向理論，但由于本人也學(xué)不會(huì)廣義相對(duì)論，所以我更愿意用大白話向別人解釋這些東西。首先，認(rèn)識(shí)宇宙學(xué)之前，我們必須知道宇宙學(xué)原理。
宇宙學(xué)原理
宇宙學(xué)原理：宇宙在大尺度的結(jié)構(gòu)上，應(yīng)該是均勻的和各向同性的。
首先我們必須知道，宇宙學(xué)原理，它實(shí)際上并不是一個(gè)真實(shí)的原理，而是一種合理的假設(shè)，基于這個(gè)假設(shè)我們才可以得到更多的理論，這個(gè)假設(shè)限制了許多看似合理的宇宙學(xué)理論，并且在各種驗(yàn)證下也表明這個(gè)假設(shè)是合理的。
接著我們來(lái)理解這個(gè)假設(shè)。
均勻性，代表宇宙在每個(gè)點(diǎn)都是一樣的，沒(méi)有哪個(gè)點(diǎn)可以認(rèn)為是宇宙的中心，大家都是一樣的。我們可以說(shuō)，宇宙沒(méi)有中心，或者，宇宙每一處都是中心。
各向同性，代表了宇宙在每個(gè)方向上都是一樣的。這是說(shuō)，我們站在地球上朝不同方向看，四面八方的宇宙應(yīng)該是是沒(méi)有差異的，而我們?cè)谟钪嬷腥芜x一個(gè)地方，仍然朝不同地方看，無(wú)論在哪里，這么看都是沒(méi)有差異的。
看完這兩個(gè)定義，你肯定會(huì)問(wèn)：那不對(duì)啊，你說(shuō)均勻性，那咱們的太陽(yáng)系，不同行星間的距離，還有小行星帶，就不均勻啊，你說(shuō)各向同性，那咱們位于銀河系邊緣，那我們往銀河系外看，和往銀心看，肯定是不一樣的啊。如果你有這樣的疑問(wèn)，很好，說(shuō)明你已經(jīng)對(duì)宇宙產(chǎn)生了思考。
所以宇宙學(xué)原理還有一個(gè)很重要的前提，那就是大尺度的結(jié)構(gòu)。什么意思呢，讓我們舉一個(gè)通俗的例子。想必大家都見(jiàn)過(guò)學(xué)校食堂的紫菜蛋花湯吧，就是那個(gè)你怎么撈都只有湯的紫菜蛋花湯。想象現(xiàn)在有一桶紫菜蛋花湯在你面前，我們先把它攪拌一下，這時(shí)候，我們隨便撈幾勺放在不同的碗里，很大概率上，這幾個(gè)碗里的湯所包含的紫菜和蛋花的數(shù)量是不一樣的。但是我們看這一整桶的紫菜蛋花湯（攪拌均勻后），你會(huì)覺(jué)得，這紫菜蛋花明顯就是均勻分布的啊，怎么我就撈不上來(lái)了呢？
是的，我們的宇宙就是這紫菜蛋花湯，我們的星系，星團(tuán)就是這紫菜蛋花，整個(gè)空間就是湯，我們隨便取一個(gè)小范圍（宇宙意義上的小范圍），很顯然，不同的小范圍內(nèi)包含的星系，恒星數(shù)量肯定是不一樣的，但這并不代表均勻性的假設(shè)是不正確的。正如我所說(shuō)，我們看這桶紫菜蛋花湯，它在大致均勻的，所以當(dāng)我們看整個(gè)宇宙時(shí)，它也是大致均勻的，宇宙學(xué)原理只有在大尺度的宇宙范圍內(nèi)才成立。
奧伯斯佯謬(Olber’s Paradox)
奧伯斯佯謬是德國(guó)天文學(xué)家?jiàn)W伯斯提出的。
我們想，如果這個(gè)宇宙是滿足宇宙學(xué)原理的，也就是說(shuō)宇宙是均勻的和各向同性的，那么，我們?cè)诘厍蛏?，隨便指一個(gè)方向，沿著這個(gè)方向一直走下去，無(wú)論多遠(yuǎn)，我們一定會(huì)碰到一顆恒星，它可能離我們幾光年，也可能幾億光年。（比如你拿一根筷子伸到紫菜蛋花湯里，四處亂攪一定會(huì)碰到紫菜或者蛋花）
于是這就存在這么一個(gè)問(wèn)題，既然每個(gè)點(diǎn)的盡頭都有一顆恒星，那為什么我們會(huì)有黑夜和白天之分？為什么在地球上看，天上不是布滿星星而隨時(shí)照亮大地，而是有的地方星星密集有的地方星星稀疏？
這里我們要引入一個(gè)概念，紅移。當(dāng)一束光遠(yuǎn)離我們而去（速度要足夠）的時(shí)候，它的顏色會(huì)偏紅，比如我們拿一個(gè)發(fā)白光的手電筒，以光速遠(yuǎn)離我們，這時(shí)候我們看到手電筒發(fā)光應(yīng)該偏紅色而不是白色。具體原理這里就不贅述了，想了解的朋友可以參見(jiàn)多普勒紅移
讓我們繼續(xù)來(lái)看奧伯斯佯謬。在奧伯斯提出這個(gè)問(wèn)題之后，事情很快就得到了解決。
有兩種合理的解釋:1、宇宙的年齡是有限的；2、宇宙正在紅移。
首先，宇宙的紅移，表示了天體正在遠(yuǎn)離我們，也就是我們通常所說(shuō)的，宇宙在膨脹，這是我們觀測(cè)的結(jié)果，之后會(huì)專門探討。其次，我們的宇宙并不是一直存在的，而是有一個(gè)起點(diǎn)，所以當(dāng)宇宙誕生開始，它就在不停膨脹。我們想象一個(gè)場(chǎng)景，一個(gè)人拿著一把槍對(duì)你射擊，他離你越遠(yuǎn)，子彈到達(dá)你的時(shí)間就要越久。這時(shí)候，那個(gè)人就是天體，子彈就是光，天體在不停離我們遠(yuǎn)去，所以光到達(dá)我們的時(shí)間也就越來(lái)越長(zhǎng)。
并且，我們先考慮一個(gè)勻速膨脹的宇宙，那么最遠(yuǎn)處的天體的光到達(dá)我們的時(shí)間，應(yīng)該就和宇宙年齡一樣。但事實(shí)上，宇宙是在加速膨脹的（之后討論），這意味著最遠(yuǎn)處的光到達(dá)我們所需要的時(shí)間是遠(yuǎn)大于宇宙年齡的！這意味著在一個(gè)范圍外的天體，它們的光還沒(méi)來(lái)得及到達(dá)地球，也就沒(méi)法被我們觀測(cè)到，所以我們的天空并不是布滿星星的，這就解決了奧伯斯佯謬。
事實(shí)上，根據(jù)這個(gè)思路，我們很容易知道，在一個(gè)范圍外的光，是永遠(yuǎn)不可能到達(dá)地球的，這就讓我們無(wú)法知道宇宙的真實(shí)大小。而我們現(xiàn)今所探討的宇宙大小，是被稱作可觀測(cè)宇宙的一個(gè)概念，顧名思義，在可觀測(cè)宇宙內(nèi)的光可以到達(dá)地球，而在此范圍外的光，可能還沒(méi)到達(dá)地球，可能永遠(yuǎn)也到不了了
宇宙大爆炸
我們最想知道的問(wèn)題應(yīng)該是，大爆炸是在哪里發(fā)生的？很多人可能知道奇點(diǎn)的概念：大概意思是，既然我們發(fā)現(xiàn)我們的宇宙現(xiàn)在是在膨脹的，那么時(shí)間進(jìn)行倒退，宇宙應(yīng)該會(huì)不停收縮，最終回到一個(gè)質(zhì)量無(wú)限大的點(diǎn)，這就是我們通常所說(shuō)的奇點(diǎn)，也被我們認(rèn)為是宇宙大爆炸也就是宇宙起源的地方。所以，當(dāng)被問(wèn)到宇宙大爆炸是在哪里發(fā)生的，大多數(shù)人應(yīng)該會(huì)說(shuō)，那是在一個(gè)特定的點(diǎn)吧！但事實(shí)上并非如此。
我們應(yīng)該知道，宇宙學(xué)原理是大爆炸宇宙學(xué)的基礎(chǔ)，也就是說(shuō)，我們時(shí)刻都得記住，我們的宇宙在大尺度上是均勻的，我們的宇宙沒(méi)有中心點(diǎn)，所以，如果宇宙大爆炸是在一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行并且向周圍膨脹的，那我們的宇宙就有了中心點(diǎn)和邊緣，這顯然是和宇宙學(xué)原理背道而馳的。
讓我們來(lái)考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的爆炸現(xiàn)象，比如電影里看到的炸彈爆炸，它是能量從一個(gè)小炸彈里突然釋放到四周的空間，能量充滿整個(gè)火焰到達(dá)的區(qū)域，這時(shí)候的爆炸，是能量在已有空間中的傳播。也就是說(shuō)，這個(gè)空間（比如說(shuō)一個(gè)商場(chǎng)），它是在炸彈爆炸前就存在的，或者說(shuō)，無(wú)論炸彈是否爆炸，這個(gè)空間都存在。這是我們傳統(tǒng)的爆炸，即物質(zhì)穿過(guò)已經(jīng)存在的空間。
但宇宙大爆炸并非如此，時(shí)間和空間是在宇宙大爆炸的那瞬間被創(chuàng)造的。為了更好的理解，我們應(yīng)該把宇宙大爆炸當(dāng)做一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，而不是一個(gè)事件，它只是代表了一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，一個(gè)時(shí)間和空間共同被創(chuàng)造的時(shí)間點(diǎn)，而不是真正意義上的從一個(gè)點(diǎn)向四處擴(kuò)散的“爆炸”。所以我們可以說(shuō)，宇宙大爆炸發(fā)生在每個(gè)地方，一定一定要記住，我們說(shuō)的不是很多個(gè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行傳統(tǒng)意義上的“爆炸”，而是這整個(gè)空間和時(shí)間的誕生。如果任意選擇我們現(xiàn)在宇宙中的一點(diǎn)，追溯它的過(guò)去，都會(huì)回到一個(gè)“爆炸點(diǎn)”。所以我們說(shuō)大爆炸是發(fā)生在”everywhere”。
再考慮現(xiàn)在的空間。假設(shè)我們是一種二維生物（因?yàn)槲覀兪侨S生物，所以我們沒(méi)法站在四維角度看清我們的世界），比如螞蟻，現(xiàn)在有一個(gè)氣球，我們給它進(jìn)行吹氣，螞蟻在氣球上爬行。一開始?xì)馇蚴前櫚桶偷模覀兛梢哉J(rèn)為氣球的表面是在一個(gè)點(diǎn)，但隨著氣球慢慢被吹大，氣球表面上的同兩個(gè)點(diǎn)距離也慢慢變遠(yuǎn)，這時(shí)候膨脹開始的點(diǎn)應(yīng)該在氣球的內(nèi)部，也就是說(shuō)，對(duì)于氣球表面上的螞蟻，它是永遠(yuǎn)無(wú)法再到達(dá)內(nèi)部了，更通俗的說(shuō)，對(duì)于氣球變大后的螞蟻而言，它們的世界里沒(méi)有膨脹開始的點(diǎn)（我們是從三維看它們，我們知道內(nèi)部有個(gè)起始點(diǎn)，但它們生活在球面上，它們永遠(yuǎn)無(wú)法看到）。
類比到我們的宇宙，我們的宇宙在不停膨脹，所以我們根本無(wú)法知道我們開始的點(diǎn)在哪里，對(duì)于我們現(xiàn)在的世界，那些起始點(diǎn)已經(jīng)不存在于我們所生活的世界了。你可能會(huì)感到奇怪，膨脹不就是三維的嗎，為什么我們看不到呢，但你忽略了時(shí)間，我們把三維空間和一維時(shí)間加在一起稱作四維時(shí)空，宇宙大爆炸是時(shí)間和空間的起始點(diǎn)，所以我們不能僅僅考慮空間上的膨脹，應(yīng)該再考慮時(shí)間上的流逝，或者你可以這么理解，昨天的世界和今天的世界不是同個(gè)世界，雖然地點(diǎn)（即空間）相同，但這兩個(gè)世界位于時(shí)間軸上的不同位置。因此，基于以上的討論，宇宙大爆炸發(fā)生的地點(diǎn)根本不存在我們現(xiàn)在的時(shí)空中，所以我們可以說(shuō)，大爆炸發(fā)生在”nowhere”。
所以當(dāng)有人問(wèn)你，宇宙大爆炸究竟發(fā)生在哪里時(shí)，答案應(yīng)該是”everywhere and nowhere”。從宇宙大爆炸的那個(gè)時(shí)間來(lái)說(shuō)，是everywhere，從現(xiàn)在的時(shí)間點(diǎn)來(lái)說(shuō)，是nowhere。
宇宙學(xué)中所說(shuō)的宇宙大爆炸是一個(gè)描述現(xiàn)在宇宙所用的模型，它對(duì)宇宙的形成給出了合理的解釋，而這里我只是闡述了“大爆炸”那個(gè)時(shí)間點(diǎn)，我們一般認(rèn)為那是在138億年前，但其實(shí)在那之后還有很多故事，大爆炸模型還有很多過(guò)程，包括核合成、復(fù)合時(shí)期、光子退耦、暴脹宇宙等等一系列宇宙的發(fā)展，還包括對(duì)不同物質(zhì)含量的假設(shè)下宇宙的幾何和宿命。
