百年宇宙学

一个世纪前，伴随着爱因斯坦提出广义相对论和20世纪20年代的一系列观测发现，诞生了现代宇宙学。在爱因斯坦的眼中，我们身处的宇宙必须是均匀的，才能在哲学层面上令人满意。在《百年宇宙学：我们对宇宙的百年探索》中，2019年诺贝尔物理学奖获得者、现代理论宇宙学的奠基人和领军人物之一詹姆斯·皮伯斯以此为起点，从历史和重要亲历者的视角出发，回顾了一个多世纪以来人类对宇宙认识的演进历程。从宇宙是静态的还是在膨胀，到宇宙中物质和辐射的分布是否均匀，从宇宙的稳恒态模型与热大爆炸模型之争，到微波背景辐射存在的预测和发现，从被爱因斯坦评价为“丑陋”的宇宙学常数，到包含它的大爆炸冷暗物质模型（ΛCDM模型），作者历数了一个世纪以来人类认识宇宙的里程碑和关键时刻，其中有绝妙的见解、幸运的猜想、基于实证的检验，也有未被选择的道路和错误与歧途。皮伯斯重点回顾了1998—2003年这5年间宇宙学领域的重大观测进展，并将其称为一场“宇宙学革命”。这些研究结果都指向ΛCDM模型，使其成为当前宇宙学领域的标准模型。 宇宙学的发展离不开技术的进步以及科学研究方法的演变。除了回顾宇宙学的历史并展望未来外，作者还审视了感光底片、大型望远镜和巡天、太空探测器、计算机技术等技术进步在宇宙学发展过程中起的作用，以及从彼此独立的小型研究组为研究单位到“大科学”研究项目的科研策略的转变。

詹姆斯·皮伯斯，美国天体物理学家、理论宇宙学家、普林斯顿大学阿尔伯特·爱因斯坦科学教授、美国科学院院士、英国皇家学会会士。皮伯斯被学界普遍认为是现代理论宇宙学的奠基人和领军人物之一，他的研究“为几乎所有现代宇宙学研究奠定了基础”（邵逸夫奖授奖词），他也是最早预测存在宇宙微波背景辐射的研究者之一。在大爆炸模型、核合成、宇宙微波背景辐射、宇宙结构形成等有关宇宙起源的诸多领域，皮伯斯都做出了极为重大的理论贡献。 2019年，皮伯斯因为他“在物理宇宙学领域的诸多理论发现”获诺贝尔物理学奖。除诺贝尔奖外，他获得的学界高级别重大奖项还包括：邵逸夫奖、格鲁伯宇宙学奖、克拉福德奖、英国皇家天文学会爱丁顿奖章、国际理论物理学中心狄拉克奖章等。 北京师范大学天文系和天文与天体物理前沿科学研究所教授，中国天文学会会员，国际天文联合会宇宙学分会会员，发表论文120多篇，其中发表在《自然·天文学》的研究成果入选中国天文学会与中国科学院国家天文台评选的2017年度“十大天文科技进展”。 北京大学科维理天文和天体物理研究所博士后，研究方向包括发射线致密星系、空间分辨的多波段能量分布拟合等。 北京师范大学翻译专业硕士研究生，曾参与中国图书进出口（集团）有限公司国际书讯译写项目。

第1章 简 介 宇宙学的发展历程与其他学科相比相对比较简单， 但仍然很复杂，想要将它整理清楚，需要一个比一般的 科学实践更好的计划。报告宇宙学和物理学其他研究领 域的论文通常从概述过去开始，很少提及被抛弃的思想 和未走过的路。此外，研究者还倾向于遵循其他新近发 表的论文的引言中的因果模式。这构建起了不断演化的 “创生故事”，为论文将描述的研究有效地设定了当前 的背景。我们在课堂上讲述这些创生故事，以便快速切 入我们真正感兴趣的东西：科学的本质。但是这些故事 充其量只是与实际发生的事情模糊地相关。除非是忽视 或者抛弃了好的想法，否则对于正在进行的研究来说， 这些创生故事的不完整性并不会引发什么问题。但是这 样的创生故事，在“科学是如何进步的”这件事上，给 人们留下了极不完整和不准确的印象。 只有及时回顾过去才能做得更好，当然，我们也必 须小心对待某些想法，它们有的看似有趣但实际上被曲 解了，有的则被发现毫无趣味。按时间顺序对宇宙学的 发展做更进一步的解释非常不便，因为现有的宇宙学理 论由不同部分融合而成，而这些组成部分的研究方法、 研究动机和发展速度均不相同。因此，我在本书中分别 讲述了宇宙学的6条研究脉络，内容或详或略。第2章至 第7章便是对它们的回顾。这样安排可以保证每一章内 部的连贯性，但需要读者及时查阅前后各章，来将不同 研究领域中发生的事情联系到一起。在本章的第2节中 ，我将以提纲和导览的形式对本书的谋篇布局进行更详 细的说明。首先，让我们审视一 下自然科学研究的传 统，特别是宇宙学研究的运行条件。 1.1?宇宙学的科学和哲学 如同自然科学的所有分支一样，宇宙学的初始假定 是：自然是通过各种逻辑和规则来运行的。我们可以通 过仔细检查观测到的数据，并根据以往的成功经验来发 现这些逻辑和规则。由此得出的结果十分振奋人心，如 果有人持不同意见，我建议想一想制造和操作手机的过 程中大量使用的基础物理学知识。尽管物理学从多方面 展示出了它的强大力量，但它也同其余自然学科一样仍 不完备。或许将来的发现会把科学的物理学根基补充完 整，进而揭示自然界运行的根本规律。又或者，这些发 现将不断逼近这一根本规律。 当然，科学的标准和公认的方法必须与可以完成的 任务相适应。在物理宇宙学和河外天文学中，我们可以 对天体进行观测但无法触及它们。在宇宙学中，实验无 法复现，人们只能诉诸“时间的化石”（fossils of times），从中推断出一些东西。我们发现，一些化石 年代较新，比如地球上的岩石或是宇宙中的某些星体， 它们都有自己的创生故事。因为我们探测到的辐射一直 以光速接近我们，所以过去的光锥让我们可以观测过去 ：物体的距离越远，能够观测到的宇宙演化就越早。融 合于人类历史的光锥捕获了一直在发生的事件中极短暂 的一个片段，但它揭示了广阔宇宙中很长一段时间内事

译者序与致谢 前言与致谢 第1章 简介 第2章 均匀宇宙 第3章 宇宙学模型 第4章 化石：微波背景辐射和轻元素 第5章 宇宙结构如何增长 第6章 亚光度质量 第7章 非重子暗物质 第8章 宇宙学模型的井喷时代 第9章 1998—2003年的革命 第10章 研究方法 参考文献