宇宙学简介：现代宇宙学中的物理学工具箱
当我们观察太空时 ， 我们可以看到许多物体 。 为了看到这些物体 ， 我们必须接收它们所发射的光 。 在狭义相对论和现代电动力学的帮助下 ， 我们对光已经有了深入的了解 。 在现代宇宙学中 ， 我们还使用广义相对论作为理解和模拟宇宙的主要工具之一 。 当然 ， 宇宙学不仅仅有相对论 ， 该研究领域使用物理学的各个方面 ， 包括牛顿力学、热力学、量子力学和量子场论 。 因此 ， 为了解决宇宙学问题 ， 我们或多或少地使用了整个物理学工具箱 ， 试图了解我们所生活的宇宙 。
理论发展宇宙学是物理学中最古老的主题之一 ， 在17世纪引入哥白尼原理后 ， 它成为了一门严谨的科学 。 哥白尼原理表明所有天体都受相同的物理学支配 ， 这在今天看来是很明显的道理 ， 但当时还不清楚物理定律在火星上是否会有所不同 。
借助牛顿力学 ， 我们获得了让我们能够理解行星轨道等事物的定律 。 但当时我们对太阳系以外的东西了解不多 。 宇宙学领域直到1915年才随着爱因斯坦和他的广义相对论而真正开始发展起来 。 我们终于得到了一个纠正牛顿力学错误的理论 ， 我们可以相信它可以描述太阳系以外的宇宙 。 广义相对论为我们提供了许多新事物 ， 例如黑洞、引力透镜 。
1915年之后 ， 在接下来的几年里 ， 人们有了许多有趣的发现和观察 ， 并且通过弗里德曼方程 ， 我们得到了整个宇宙的模型 。 不久之后 ， 欧文·哈勃发现了我们银河系之外的星系 。 20世纪的所有这些发展构成了现代宇宙学的核心 ， 但我们仍在发现新事物并更多地了解我们的宇宙 。
观测结果我们对宇宙学的理解首先来自于观测 ， 所以让我们谈谈一些关键观测 。 上个世纪最重要的发现之一无疑是宇宙微波背景的发现 ， 它本质上是我们宇宙非常年轻时的光 。 通过观测 CMB ， 我们可以了解很多关于宇宙的信息 ， 例如宇宙的物质和能量含量 。
我们还能够观察到非常遥远的超新星 ， 通过观察此类物体的红移 ， 我们对宇宙的膨胀有了更好的了解 。 宇宙正在膨胀的事实在1920年代首次被理解 ， 但直到最近我们才意识到宇宙正在以更快的速度膨胀 ， 这导致了2011年的诺贝尔奖 。
到目前为止所提到的所有事情都帮助科学家们提高了我们对宇宙的理解 ， 它导致了我们已经讨论过的λCDM模型 ， 这个模型在数学上是基于弗里德曼方程的 。
然而 ， 仍有一些大谜团有待解决 。 一个问题是 ， 在1930年代 ， 人们发现星系的旋转速度过快 。 快速计算表明 ， 这些星系中的引力不足以使星系保持在一起 ， 这导致了暗物质的提出 。 这是一种新型物质 ， 仅与引力相互作用 ， 因此几乎不可能被探测到 。 最近 ， 暗物质的证据越来越多 ， 这对于我们对宇宙的理解至关重要 。 为了确保这个假设是正确的 ， 物理学家试图弄清楚这个暗物质背后可能是什么新粒子 ， 但到目前为止还没有成功 。
另一个谜团是引力常数或暗能量 。 这种能量起到某种反重力作用 ， 导致宇宙加速膨胀 。 这种暗能量是什么 ， 仍然是一个很大的谜 。
有趣的研究领域宇宙学中一个有趣的研究领域是引力波 。 引力波是时空结构中的涟漪 ， 我们在2016年才成功观测到第一次引力波 。 这些波背后的理论来自广义相对论 ， 它已经被理论预测了几十年 ， 但问题是这些时空涟漪是如此之小 ， 以至于我们需要使用现代物理学极其精确的工具才能检测到这些波 。 随着我们技术的进步 ， 我们可以探测到更小的波信号 ， 这将为发现新物理学和检验当前理论开辟新途径 。 预计会有引力波背景 ， 就像CMB一样 ， 这可以告诉我们关于早期宇宙的新事物 ， 因为这些信号可比CMB信号更早产生 。
宇宙学另一个有趣的方面是结构的形成 ， 也就是说星系、恒星和太阳系是如何形成的 。 这是一个极其复杂的话题 ， 但只要考虑牛顿力学就可以走得很远 。 然而 ， 宇宙极其庞大和复杂 ， 因此我们没有特别准确的模型来了解大规模结构的形成方式 。 了解更多信息的方法之一就是在太空中向外看 ， 然后制作一张宇宙地图 。 然后我们也可以看看恒星等物体仍在形成的地方 ， 这样就可以很好地了解恒星的形成 。
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