宇宙学研究的是宇宙的物理状况和变化过程,也就是研究宇宙的性质、结构、运动和演化。宇宙学的研究是建立在观测事实基础上的。近代宇宙学把天文学及天体物理以及广义相对论、核物理与粒子物理结合在一起。

1．哈勃定律  宇宙膨胀说

早在1914年V.M.Slipher发现星系的谱线有红移现象，即测得的光谱线波长比正常的光谱线向波长长的方向移动，称为宇宙红移。1929年哈勃（E.P.Hubble）进一步研究了一些已知距离的星系的光谱红移现象，他认为宇宙红移就是熟知的光学多普勒红移。根据多普勒效应，运动的光源所发的光的频率与静止光源的频率之差为

这说明这些星系都是在远离地球而去。他还发现谱线的红移量与它们离开我们的距离成正比，亦即星系离去的速度（退行速度）与距离成正比：

（16-19）

这就是著名的哈勃定律，其中称为哈勃常量。由于这个“常量”实际上是时间的常量，下标０表示当前的值。由于星系距离的测准非常困难，的测定一直是天文观测的重要课题，1994年从哈勃望远镜观测所推断的数值为(1Mpc=3.26 Mly(兆光年)≈3×10²² m)，1995年为，一般取

（16-20）

哈勃定律是在地球上观测星系得到的结论，但这决不意味着地球处于宇宙的特殊中心位置。根据宇宙学原理，无论在哪一个星球上观测，情况都一样的。

图16-17 二维曲面的膨胀

为了对宇宙膨胀进行直观的理解，我们设想在一个气球表面画上若干点（图16-17），然后将气球吹得更大，你会发现气球上任何两点之间的距离都成比例地增大。从任何一点量起，其他各点都离自己远去，且越远的点离去得更快。如把三维空间比拟作二维球面，哈勃定律正说明宇宙正在膨胀着。

2. 大爆炸宇宙模型

哈勃定律所揭示的膨胀宇宙图像还有更深刻的含义。膨胀使得宇宙空间体积变大，密度变小，温度降低。设想时间倒流，则时间越早，宇宙的密度就越大，温度就越高。在极限情况下，宇宙过去一定有一个密度和温度均为无穷大的状态，它相当于时空的一个“奇点”，而宇宙诞生于“奇点”的爆炸。早在1984年伽莫夫（G. Gamow）与他的合作者就提出了大爆炸宇宙模型，认为宇宙起源于一次大爆炸，大爆炸之后产生了各种物质粒子和辐射。伽莫夫还预言了应当观测到大爆炸的遗迹，即均匀各向同性的宇宙背景辐射，他并且估算出这个背景辐射的温度现在应当大约为10K。伽莫夫的大爆炸宇宙学说当时并没有引起人们的重视。因为这一学说与传统的宇宙观相去甚远。直到1965年彭齐亚斯（A.A.Penzias）和威尔孙（R.W.Wilson）发现了温度为2.7K的宇宙微波背景辐射后，大爆炸宇宙模型才最终被人们所接受，并成为现今的标准宇宙模型。

3．宇宙的演化

根据粒子物理研究进展，目前盛行的热大爆炸宇宙学描绘的宇宙演化过程如表16-11所示。

（1）普朗克时代

在时刻，宇宙从高温、高密度的奇点状态演化出来，这是由经典物理得到的概念。按照量子力学的不确定关系，原则上不可能完全精确地确定时间，其精度的限制是

（16-21）

（16-22）

（16-23）

（2）大统一时代

到约时，宇宙经历了大统一时代，产生出的重子略多于反重子，造成重子的不对称性，成为今天物质世界的基础。

（3）强子时代

宇宙演化到温度约为，相应的能量约为，这时质子和中子以及它们的反粒子大量产生。由于大部分强子，包括介子、超子和共振态粒子，它们的质量都在以下，因此这时代各种强子和它们的反粒子都大量存在。在温度高于这个范围时，宇宙中可能是以夸克和反夸克的夸克胶子等离子体形式存在的。

（4）轻子时代

宇宙演化到，温度约为，相应的能量约为，在这个温度范围的粒子大多是轻子：光子、中微子及其反粒子、电子和正电子。

随着宇宙的膨胀，在温度降到后，尽管中微子大量存在，却不再参与碰撞和热耦合，保持自由运动，这个现象称为中微子脱耦。当温度达时，正、负电子将大量湮灭而转化为光子，所剩下的少量电子的数目与质子相同，保持宇宙整体的电中性。

（4）核合成时代

当温度降到约时，中子与质子碰撞就大量生成氚核。氚核相撞又生成氦核。由于中子进入核内就不再衰变，从而为物质世界保持了大量中子。在生成核的同时，也生成和、、等轻核。总之，大约有四分之一的宇宙物质聚合成了氦，这个过程用完了所有可利用的中子，余下没有聚合的质子，就成氢原子核。因此，这一理论预言宇宙应当由75%的氢和25%的氦组成，与天文测量结果相符，又一次提供了支持宇宙大爆炸理论的令人信服的证据。

（4）复合时代

在温度降到约时，电子和质子开始复合成中性的氢原子，电子与氦核符合成氮原子，宇宙物质变成中性的原子气体。这时光子脱离热平衡而变成自由光子，成为的黑体辐射。随着宇宙膨胀，温度降低， 的黑体辐射降到了现在的的黑体辐射。

大约在150亿年之前，宇宙中大量的氢和氦在引力作用下，在高速运动中碰撞，在数千K的温度下，凝聚成了星系和类星体。约在100亿年时，即距今50亿年左右，形成了今天的银河系、太阳和行星。距今约20亿年时，出现了生命，人类的出现距今约万年。

在宇宙演化过程中，温度从约降到约时，发生以下核合成反应：

这些反应依次产生质量更大的核。但这个链到就停止了，原因是没有质量数为８的稳定核素，当时的温度已低到不能使轻核克服彼此间的库仑势垒而形成更重的核。1952年萨耳彼德（E.E.Salpeter）指出富氮的星体内核发生的反应，，等可以将合成延续到。更重的核要在超新星爆发中所具有的特殊环境（冲击波形成的巨大压力和温度）中形成。

4．大爆炸宇宙模型的成功和困难

大爆炸宇宙模型是以广义相对论为理论基础，并获得观测事实的强力支持，主要是（1）星系谱线红移；（2）宇宙背景辐射；（3）原始核合成中的氦丰度。这个理论对于从原始火球后秒直到150亿年后的现在宇宙演化给予了一个可靠并经过检验的描述，并且解释了大量的观测事实。这一理论的巨大成功，是20世纪科学研究的重大成就之一。

大爆炸宇宙模型也有问题和困难，如视界（horizon）问题、平坦问题、光滑困惑、磁单极密度问题和暗物质问题等，都是当今宇宙学的重大研究课题。

值得强调的是，物理学的两大前沿——粒子物理和宇宙学，近年来以始料未及的方式汇合在一起。人们发现，将物理世界之最大与最小的这两方面的知识汇集在一起，才能得到更完满的结果。