这期我们再来聊一个宏大的话题：宇宙到底是什么样子的？
其实，对于宇宙的研究，历经了一代又一代科学家的努力，学者们猛然发现：随着研究的深入，越发觉得人类如此之渺小，宇宙的一切越发越广阔，越发越难以预测。
科学家对于宇宙的描述，其实不像很多人以为的那样，就是简单地讲一下宇宙是什么样子的。他们其实会根据观测建立一个宇宙模型，这个模型通常是用数学语言来表述的。这样做的关键其实是为了预测。
托勒密的地心说模型
1900多年前，古罗马帝国有位天文学家托勒密，他是最早建立完整宇宙模型的人。这个宇宙模型被称为：地心说模型，是托勒密基于大量的观测数据和各种理论相结合的成果。
在当时，这个模型已经能够指导人们预测天象，而且理论核心“地球是宇宙的中心”深得教会人士的认同。于是，这套理论被广泛使用，也是在众多宇宙模型中寿命最长的，流行了近1400年。
牛顿世界观的宇宙模型
不过，地心说模型也有自身的问题，因为它是基于亚里士多德的运动学理论，在这套体系里天体的运行只能是匀速圆周运动，但是实际观测中并不是这样，为了拟合现实和理论之间的矛盾，托勒密假设了80多个圈圈，一环套一环，使得现实观察可以符合亚里士多德的理论。
不过，这无形之中增加了大量的运算，用起来超级麻烦。哥白尼对此很不满，他尝试去简化，但也摒弃不了亚里士多德的理论，最终提出了日心说模型。
只是这个宇宙模型少用了一些圈圈，但还有40多个，还是很麻烦，而且也没有比托勒密的地心说模型更精准。
这个时候，有个被后世人成为“天空立法者”的开普勒提出了自己的观点，他基于大量的观测数据发现，其实天体的轨道是椭圆的，这一下子就把这些圈圈赶出了日心说模型，运算大幅度的锐减，而且还十分精准，所以说，放弃一个固有的观念确实很难，做到了说不定能够有很大的收获。
不过，还是有个问题，开普勒一直没有办法解释为什么天体轨迹会是椭圆的。这个时候，物理学界大佬牛顿出手了，他提出了自己的运动学理论，这套理论完爆亚里士多德的运动学理论。其次，他基于开普勒的理论提出了“万有引力定律”，成功解释了开普勒没能解释的问题“为什么天体轨迹会是椭圆的”。
经过牛顿这一顿折腾，日心说模型也没了，取而代之的是牛顿的宇宙模型，这个模型的内核是天体运动是跟距离平方反比的力的作用下运动。运动轨道不需要再观测了，可以直接通过计算预测很多未知的事物。
相对论宇宙模型
看起来牛顿的宇宙模型已经很完美了，实际上问题还是很多。首先，如果万物之间是引力，那宇宙应该在引力的作用下向中心收缩的。牛顿为了弥补这个漏洞，只能提出一个假设：宇宙是无限大的，没有中心，或者处处都是中心，这样就不会有向中心收缩的情况。这也是为什么日心说模型会被踢出局的原因。
但牛顿还是高兴的太早，后来科学家发现光速不变原理，这又违反的牛顿运动学的基本假设。也就是说，牛顿世界观模型看样子是不适用于超大尺度和高速的世界。紧接着，爱因斯坦的广义相对论横空出世，他弥补了牛顿世界观模型出现的问题，不过爱因斯坦深受前人“宇宙恒定不变”的影响，在广义相对论中的爱因斯坦场方程加了一个常数项，使得宇宙变成一个静态的世界。
此处的Λ是宇宙常数，其物理意义是宇宙真空场。Λ*g_uv为宇宙项。
看起来好像很完美了，可惜，爱因斯坦没得意太久。弗里德曼等科学家基于爱因斯坦场方程的研究，认为爱因斯坦的常数项是多余的，宇宙应该是膨胀的。紧接着，哈勃通过观测也发现了宇宙正在膨胀。
所以，相对论宇宙模型被修正，这个理论认为：宇宙会随着时间的推移而变化，尤其是会膨胀。并且预言了宇宙大爆炸之后的38万年会留下宇宙背景辐射，这后来被彭齐亚斯和威尔逊的观测所证实。
修正后的宇宙模型，我们现在更多的称为：大爆炸宇宙模型。
LCDM模型
但大爆炸模型也是有问题的，1933年有位科学家发现，银河系在星系团里的运动速度超级快，不符合牛顿力学。1977年又有一位科学家发现，太阳在银河系里的运动速度应该低于160km/s，实际上测出来的结果却是230km/s，这也不符合牛顿力学。继而很多科学家开始研究更大尺度的天体，他们发现星系团能引起的引力透镜效应更明显，这再一次违反了牛顿力学。那究竟是咋回事呢？
为了修正这些误差，科学家提出了“暗物质”的概念，暗物质不会和其他物质发生除了引力之外的相互作用，但除了这些科学家一所无知，只能提出一些没有证据的假说。暗物质的提出修正了大爆炸宇宙模型。
暗物质3D分布图 Credit：Wiki
模型中的引力和膨胀的矛盾，还是深深地让科学家感到不安。为了拟合针对矛盾，科学家设想了这样一幅情景，在地球表面向上扔石头，石头虽然是逆着引力方向，但速度一直在减小直到减小为零，再开始下落。所以科学家得出结论，宇宙的膨胀也应该是类似于扔石头，现在就是逆着引力方向在膨胀，所以膨胀的速度应该减小，等减小到零，宇宙就得开始收缩了。
可是，万万没想到，1998年，两个科学团队同时发表了对Ia型超新星的光度和红移值测量的结果，这个结果告诉我们宇宙的膨胀在加速，领导这两个团队的科学家，在2011年获得了诺贝尔物理学奖。
他们的发现和理论又出现了矛盾，这大大出乎了科学家们的预料，这相当于往上扔个石头，石头非但没不断地减速，还在加速，那肯定有个向上的力这作妖。科学家为了解释这个现象，只能再假设一个能提供和引力相反的斥力，而这个力的来源被科学家称为“暗能量”。
至于暗能量是什么，我们现在也是一所无知。根据暗物质和暗能量表现出的现象，科学家提出了了一个新的宇宙模型：LCDM模型。
在这个模型下，科学家计算出了宇宙的物质和能量的比例：暗能量68.3%，暗物质约为26.8%，游离的氢元素和氦元素约4%，剩下的其他物质约0.83%。
宇宙的未来到底是什么？其实我们还无法预知，如果按照现在的情况一直持续下去不改变，借用发现宇宙加速膨胀的科学家施密特的话来说就是：
“1000亿年以后，除了我们所在的银河系，所有星系都将消散，人们看到的宇宙将空无一物。”
你认同现在科学家对于宇宙的认知么？
在你的心目当中，宇宙到底又是什么样的呢？
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雷达卡
发表于 2020-10-26 05:39:42
