看看我们如何从银河系移动到宇宙。
人类对宇宙的理解。斯隆数字巡天
100年前，人类对宇宙的了解非常有限。当时，人们认为整个宇宙仅由银河系中的恒星、星团和星云组成。物质只由原子核和电子组成。当时人们认为宇宙中只有两种基本力——引力和电磁力。自 1600 年代以来，当时的科学一直以牛顿的万有引力理论为主导。但在两个月内，它遇到了来自爱因斯坦广义相对论的强烈挑战。
在接下来的 100 年，每 10 年，都会有一个重大发现，重塑我们脑海中的宇宙概念。
1919 年 11 月 10 日的《纽约时报》（左）和 1919 年 11 月 22 日的《伦敦新闻画报》（右）。
1910 年代 – 广义相对论
爱因斯坦的理论得到了证实。广义相对论解释了牛顿引力理论无法解释的现象：水星轨道的岁差。作为一种科学理论，仅仅解释已知现象显然是不够的；它还需要预测我们未见过的事件。所以在这100年里，引力时间膨胀、强弱引力透镜、惯性系拖曳、引力红移等现象被一一发现。第一个现象是 等人在 1919 年发现的。围绕太阳弯曲的星光总量与爱因斯坦的预测相符，与牛顿的理论相矛盾。结果，我们对宇宙的看法永远改变了。
Edwin / NASA / ESA / R. / Z. Levay / Team
1920 年代 – 膨胀的宇宙
在此之前，我们不知道银河系之外还有一个宇宙。但是这种看法在 1920 年代被 Edwin 改变了。当他在天空中观察到所谓的“螺旋星云”时，发现有类似银河系变星的天体。它们的亮度是如此之低，以至于它们必须存在于数百万光年之外。哈勃没有停止探索，他还计算了大量星系的后退速度和与我们的距离，给我们带来了一个不断膨胀的浩瀚宇宙。
昏迷团。Adam Block / 莱蒙山天空中心 / 亚利桑那大学
1930 年代 – 暗物质
长期以来，人们一直认为，如果我们能够测量所有恒星的质量，加上气体和尘埃，我们就会知道宇宙中有多少物质。但弗里茨·兹威基观察了上面的彗发星团等高密度星系团，发现恒星质量和我们所知的“普通物质（如原子）”之和不足以解释这些星团内部的高速运动. 他用德语称这些缺失的质量为“，”或“暗物质”。直到 1970 年代，在对普通物质有了更好的了解之后宇宙奥秘，这一观察才被认真对待。暗物质广泛分布在各种星系中。据我们现在所知，它们与普通物质的比例高达5比1。
1940 年代 – 大爆炸
在此期间，理论物理学家并没有停止工作，即使大量的实验和观测资源投入到间谍卫星、导弹和核技术的发展中。1945年，乔治·伽莫夫根据宇宙的膨胀理论做出了一个大胆的推论：如果宇宙今天还在不断地膨胀和冷却，那它一定有一个炽热而稠密的过去。继续追溯宇宙的过去，一定有过一个时期，它是如此的炽热和稠密，以至于中性原子都不存在，而在此之前，甚至原子核都不存在。如果真是这样，那么在宇宙中第一颗恒星诞生之前，宇宙必定是由几种最轻的元素按一定比例组成的，那么今天，宇宙的各个方向，必定会被大爆炸所渗透. 余辉，它的温度必须只比绝对零高一点。这个理论框架就是我们今天所知的“大爆炸”，这个伟大的想法来自 1940 年代。
1950 年代 – 重元素从何而来
与大爆炸竞争的是霍伊尔的稳定宇宙理论。这一学说最引人注目的一点是，他认为今天存在的所有重元素都不是在早期宇宙中形成的，而是由前几代恒星制造的。感谢霍伊尔和剑桥大学其他学者的工作，详细了解了这些元素如何在恒星内部的核聚变反应中出现。最突出的是，他们认为氦以一种人们以前从未见过的方式融合成碳：3α 过程（氦核也称为 α 粒子）宇宙奥秘，它以一种新的方式产生碳。地位。几年后，其他科学家发现了这种新状态，今天被称为“霍伊尔碳状态”。
1965 年发现的宇宙微波背景。NASA/WMAP 研究小组
1960 年代 – 宇宙微波背景
经过 20 年的争论，一个可以决定宇宙历史的关键发现已经出现——大爆炸的预测余辉，或宇宙微波背景。这种温度仅为 2.725K 的统一余辉是由 Arno 和 在 1965 年发现的，但当时他们都没有意识到。直到确定了这种辐射的完整黑体光谱及其波动。
1970 年代 – 宇宙膨胀
1979年底，年轻的科学家艾伦·古斯突然意识到，如果宇宙有一段暴胀期，就可以解释大爆炸的许多未解之谜——为什么宇宙如此平坦？为什么宇宙各个方向的温度都一样？为什么没有剩余超高能量？膨胀理论表明，在宇宙达到一个炎热、稠密的阶段之前，有一段几何膨胀时期，所有能量都被困在空间本身中。经过几次提炼，古斯的基本思想终于成为了现代暴胀理论。随后的观测，如宇宙微波背景的涨落、宇宙的大尺度结构、星系的聚集和形成等，都证实了暴胀理论的预言。
ESA / 哈勃太空望远镜 / NASA
1980 年代 – 中微子天文学
1987年，一颗超新星出现在天空中，这是100年来离我们最近的一次。虽然银河系中有很多超新星，但因为离我们太近，我们可以直接观察到这颗超新星释放的中微子。这标志着中微子天文学的开始，随后发现了数百万光年外的中微子振荡、中微子质量和超新星中微子等发现。
1990年代 – 宇宙的命运
暗物质的发现是一件大事，但直到 1998 年，人们才明白宇宙是如何死亡的。通常我们认为有三种可能：
一是宇宙膨胀无法克服物质的引力拖拽，最终在大紧缩期间回归本源。
二是宇宙的膨胀超过了将所有物质维系在一起的万有引力，宇宙中的一切都会分崩离析，最终的结果就是大冻结。
三是情况介于两者之间，膨胀率会无限接近于零，但永远不会达到零。这样的宇宙称为临界宇宙。
然而，我们从遥远超新星的结果得知，宇宙的膨胀正在加速，遥远星系之间的距离会随着时间的推移而加速。不仅宇宙将面临大冻结，而且所有没有引力结合在一起的星系最终都会从宇宙视野中消失。除了我们本星系群之外，没有其他星系能接近银河系，我们的命运注定是寒冷和孤独的。1000 亿年后，我们将无法看到除我们自己以外的任何星系。
2000 年代 – 宇宙的形成
宇宙微波背景的发现并没有在 1965 年之后结束，我们对大爆炸余辉的观察让我们有了一个非常了不起的发现：宇宙的组成。来自COBE和等卫星的数据，以及通过对大型星系的调查获得的宇宙大尺度结构和遥远超新星的数据，让我们对宇宙的组成有了新的认识，包括：
0.01%的辐射以光子的形式存在；
0.1% 的中微子，它们构成围绕星系和星系团的引力晕的一小部分；
4.9%的普通物质，包括构成原子的一切；
27%的暗物质，是一种不与普通物质（引力除外）相互作用的神秘物质，我们所看到的宇宙结构的形成与它密不可分；
68% 暗能量，空间本身固有的能量。
宜居带内的小型系外行星。美国国家航空航天局
2010 年代——？
2010 年代将如何奉献其伟大的发现？我们会迎来引力波天文学吗？我们会发现暗物质的真相吗？暴胀理论的最后一个预测会得到证实吗？或者我们会在地球之外找到生命吗？
让我们拭目以待。
