中国科大《宇宙学导论》：创新思维必须建立在对物理现象和规律深刻的理解之上
中国科大《宇宙学导论》：创新思维必须建立在对物理现象和规律深刻的理解之上
宇宙学作为一门科学，经历了从古代朴素认知到现代精确研究的漫长历程。从古希腊哲学家的思考，到爱因斯坦的广义相对论，再到现代宇宙学的蓬勃发展，人类对宇宙的认知不断深化。本文将带你走进宇宙学的世界，了解这门学科的发展历程、基本理论以及当前的研究现状。
向守平，1945年出生于湖南省吉首市。1963—1968年北京大学技术物理系本科学习。1978—1981年中国科学技术大学天体物理专业研究生，1981年底毕业并获硕士学位，之后留校任教。期间于1993年获瑞士巴塞尔大学博士学位。1995年晋升教授，同年被评为博士生导师。科研领域为宇宙学和相对论天体物理。在国内外核心学术刊物上发表研究论文50余篇。出版专著和译著6部。长期从事基础课教学工作，教学效果得到同学们的广泛好评。主持的“天体物理概论”课程于2008年被评为国家级精品课程，2013年被评为教育部国家级精品资源共享课。所著《天体物理概论》被评为教育部2009年度普通高等教育精品教材。2011年获教育部第六届高等学校教学名师奖。
方文娟，中国科学技术大学天文学系教授。2003年本科毕业于北京大学物理系，2009年博士毕业于美国哥伦比亚大学物理系。先后在美国密西根大学和伊利诺伊大学香槟分校从事博士后研究。研究领域为宇宙学，侧重于基础物理的宇宙学检验，特别是利用宇宙学巡天观测检验暗能量模型、引力理论，限制中微子质量等。产生较大国际影响的工作包括 1. 推翻了修正引力宇宙的领跑模型，即自加速DGP模型；2. 提出了普适的暗能量现象学描述，并开发相应程序软件，被国际同行包括各大主流巡天项目如 WMAP、Planck、SDSS 、DESI等广泛采用；3. 提出了新的检验引力理论的宇宙学探针，即宇宙大尺度结构形态学特征。
宇宙中最不可以理解的是——宇宙是可以被理解的。
——爱因斯坦
自远古以来，人类就对浩瀚壮丽的宇宙感到无限神秘和向往。王羲之在其千古名篇《兰亭序》中写道：“仰观宇宙之大，俯察品类之盛，所以游目骋怀，足以极视听之娱，信可乐也。” 康德也在其《实践理性批判》中写道：“世界上有两件东西能够深深地震撼人们的心灵，一件是我们心中崇高的道德准则，另一件是我们头顶上灿烂的星空。” 从古至今，人类就一直持续不断地对宇宙奥秘进行着探索。《庄子·知北游》中说：“天地有大美而不言，四时有明法而不议，万物有成理而不说。圣人者，原天地之美而达万物之理。” 但“圣人” 们的探索之路是漫长而曲折的。就拿“宇宙” 这个词本身的含义是什么，千百年来也是仁者见仁、智者见智。英文中的“宇宙”，可以用“universe” 表述，但它强调的主要是“天地万物”的包容；也可以用“cosmos” 表述，但它强调的主要是“万物和谐” 的秩序。我们的祖先在这个问题上展现出更高的智慧：战国时期的尸佼在其著作《尸子》中就说过：“四方上下曰宇, 往古来今曰宙。” “四方上下” 即空间，“往古来今” 即时间，这就是说，宇宙就是空间与时间。而西方学术界从爱因斯坦开始，才把宇宙与时空联系起来，并常常用“spacetime” 来代表宇宙。这表明，早在两千多年前，我们的祖先就对宇宙的本质有了深刻认知。当然，这种认知还只能算是一种朴素的直觉或感悟，谈不上真正的科学。
从古老东方的“盖天”、“浑天”、“宣夜” 说和西方托勒密的地心说，到哥白尼的日心说和牛顿的万有引力定律，再到爱因斯坦建立的广义相对论宇宙论以及伽莫夫首倡的大爆炸宇宙学说，人类宇宙观的进化经历了艰难坎坷的历程，最终达到今天的科学宇宙观。古希腊哲人曾为自然科学的研究归纳了三个要素，即“逻辑、数学和观察实验”。我们可以看到，科学宇宙观就是在这三个要素的原则上建立起来的，这其中最重要的贡献当属爱因斯坦。爱因斯坦提出的“宇宙学原理”，就是一个宏伟逻辑体系的出发点，即公理，是一个从零到一的伟大发现。他运用黎曼几何学，为科学描述时空找到了适合的数学工具。而宇宙学原理的提出，以及其后现代宇宙学的诸多发展，都离不开对现实宇宙的观察和实证。
▲ 宇宙演化的主要阶段
引自esa/hubble（哈勃空间望远镜官网）, 2006
今天，大爆炸宇宙模型已经被人们普遍接受，成为研究宇宙结构形成和演化的基本模型。按照这一模型，宇宙起源于一百多亿年前的一次大爆炸，随之时空形成并不断膨胀。在此后的时间里，宇宙曾经历了暴胀(inflation) 阶段，其大小在极短的时间内膨胀了几十个数量级；之后，随着温度的不断降低，宇宙依次经历了强子时期、轻子时期、早期核合成、复合时期等重要演化阶段，最终形成了我们今天观测到的宇宙结构。通常把星系以上尺度的结构称之为宇宙大尺度结构，它的形成和演化与宇宙学的整体模型密切有关，即与宇宙的拓扑结构(如曲率) 和基本宇宙学参数(如哈勃常数H₀、宇宙学常数Λ、各种宇宙物质成分的密度参数等) 密切有关；同时，宇宙大尺度结构的基本组元是由巨量恒星构成的星系，而星系的形成是内容极其丰富多样的天体物理过程，其中包括气体冷却、坍缩、加热、再电离等过程，还要考虑周围环境的能量反馈、磁场、角动量交换等一系列复杂因素。因而，宇宙大尺度结构的形成和演化长期以来就是宇宙学极具吸引力的研究领域。近年来，随着科学技术的巨大进步，从地面到太空，从射电、红外、光学直到X 射线、γ 射线以及引力波，多个窗口的观测已经延伸到宇宙越来越大的纵深，为理论研究提供了海量的观测数据；大容量、高速度的计算机也已成为理论分析极其强有力的辅助工具，人们可以用它对宇宙结构的形成进行大规模的数值模拟。现在普遍认为，今天的宇宙学研究已经步入精确研究阶段，人们已经能够在相当高的精度上确定宇宙学基本参数的取值范围，并把观察的目光从十几亿光年、几十亿光年扩展到千百亿光年的宇宙深处，接近了宇宙诞生的时刻。理论和观测研究至今所取得的巨大成功，使我们对于建立在爱因斯坦广义相对论理论基础上的宇宙学说充满了信心。
在取得这些巨大成就的同时，我们还要看到，科学宇宙观仍然面临着诸多的难题甚至挑战。例如多年来一直困扰宇宙学研究者的暗物质问题，以及近二十年来由于宇宙加速膨胀的发现而提出的暗能量问题等。这些问题不仅受到宇宙学研究者的强烈关注，而且受到理论物理及粒子物理研究者的强烈关注。即使是星系及星系团形成这个看来发生时间较晚、观测资料也非常丰富的过程，也还有许多难点问题有待解决，例如第一代天体形成的时间、复合之后宇宙再电离的时间和范围、星系团中弥漫X 射线背景的产生等。在研究方法上，线性扰动理论被广泛应用于宇宙大尺度结构形成的早期阶段，并在与宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background radiation, CMB) 的观测结果相比较时获得了很好的一致；但当宇宙结构的形成进入非线性阶段后，理论处理就不得不采用许多人为的近似，尽管有些近似明显看来是差强人意的。计算机数值模拟在处理非线性演化过程中显示了强大的威力，用它甚至可以模拟出两个星系的碰撞、并合过程；但即便如此，不足之处依然时常可见。总之，虽然人们已把今天的宇宙学研究称为精确宇宙学，但实际上离真正的“精确” 还有很长的路要走，例如就连占宇宙总质量(能量) 绝大部分的暗物质和暗能量究竟是什么，至今仍一片茫然。面对形态万千、变幻无穷的宇宙，我们已经了解的和还没有了解的相比，也许仍然是树木和森林、江河与大海的关系。这意味着，浩瀚深邃的宇宙，仍然还有许许多多的奥秘等待我们去继续努力探索。
← 左右滑动查看 目录 →
《宇宙学导论》（向守平,方文娟编著. 北京：科学出版社，2024.8）一书基于作者在中国科学技术大学讲授宇宙学课程的讲义，目的是向读者(主要是天体物理专业的高年级本科生及研究生) 介绍宇宙学领域的基本概念与基础理论知识。在教材内容的选取方面，我们优先考虑的是内容的基础性、重要性与成熟性。因此，在处理基础与前沿的关系上，我们把重点放在基础，特别对一些经典的基础概念和理论方法进行了较为详细的介绍，例如线性扰动理论中的规范变换、非线性扰动演化中的普雷斯–谢克特(Press-Schechter) 质量函数、高斯(Gauss)随机扰动场及其统计性质等。尽管现在这些经典的概念和方法已被拓展甚至融入数值计算的软件包之中，但对于初学者来说，了解它们的来龙去脉对于领会科学前辈们的智慧、启迪创新思维，是会有所帮助的。正如S. Weinberg 指出的那样，“这些计算机程序并不能用以解释其中的物理现象”，而创新思维必须建立在对物理现象和规律深刻的理解之上。这也是本书作者在这些经典内容上面着墨较多的初衷。当然，由于授课课时所限，这些内容不可能都在课堂上细讲，特别是对于非宇宙学研究方向的同学，可以把这些内容缩减甚至略去。但对于将要从事宇宙学研究，特别是理论研究的同学，还是建议他们耐心读读这些内容，这对于他们今后的研究工作是会有所裨益的。
宇宙学研究是一个宏大的学术领域，涉及核物理、原子物理、粒子物理、量子场论、流体力学、引力理论等诸多方面的知识。限于篇幅，本书还有许多问题没有深入展开讨论，许多研究前沿的最新进展(可能还有最新的观测数据) 也没有包括进来。特别是，囿于作者的学识，对许多问题的看法不免有落伍甚至不妥之处，敬请读者谅解并批评指正！
在本书的编写过程中，承蒙中国科学技术大学物理学院赵文教授、王慧元教授以及蔡一夫教授在百忙中拨冗审阅并提出了宝贵的意见，我们在此表示衷心的感谢！
本文摘编自《宇宙学导论》（向守平,方文娟编著. 北京：科学出版社，2024.8）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。
责任编辑: 陈艳峰 田轶静
本书系统介绍了现代宇宙学的基本概念与基础理论知识。特别对一些经典的基础概念和理论方法进行了较为详细的介绍，例如，线性扰动理论中的规范变换、非线性扰动演化中的普雷斯-谢克特(Press-Schechter)质量函数、高斯(Gauss)随机扰动场及其统计性质等。全书主要内容包括：标准宇宙学模型及热大爆炸宇宙简史，小扰动的线性演化理论，宇宙各主要组分(冷暗物质、重子物质、光子及有质量中微子)密度扰动的线性演化方程以及密度扰动功率谱，宇宙微波背景辐射的各向异性，扰动的非线性演化与密度扰动场的统计分析，张量扰动与引力波，高红移天体与宇宙再电离，引力透镜原理与观测等。每章之后都附有相应的习题。
本书可作为天体物理专业以及理论物理相关专业高年级本科生和研究生的教学用书或参考书，也可供从事宇宙学研究的科研工作者以及对宇宙学感兴趣的读者参考。
（本文编辑：刘四旦）
一起阅读科学!
专业品质 学术价值
原创好读 科学品位
科学出版社 视频号
硬核有料 视听科学
传播科学，欢迎您点亮★星标，点赞、在看