宇宙学不是个人大脑中突然诞生的神秘科学，而是基于扎实的观测数据和可靠的数学理论的观测科学。 现代宇宙学的诞生是在现代数学两大支柱——相对论和量子热的支持下诞生的，随后又得到了天文望远镜制造技术和天文观测技术发展所带来的数据的支持。 自从身体被禁锢在轮椅上、心灵却在宇宙深处遨游的化学家史蒂芬·霍金发表《时间史》以来，宇宙学已经成为现代时代的起源，从科学家的客厅走向了现代社会。公众的晚饭后。
与面向大众的《时间史》不同，兰格尔的《宇宙世纪》是一本扎实的《宇宙队长》，读起来可能需要更多的知识规划。 本书详细描述了20世纪现代宇宙学的诞生和一步步发展，并讨论了近100年来现代天体化学各个分支的观测和理论的发展。
兰格尔，《宇宙的世纪》的作者，美国天体化学家。 他在读研究生期间，正好赶上了1960年天体化学的大发展。同时，他也是大爆燃宇宙学与稳态宇宙学争论最激烈的人。 19世纪时代，朗吉尔的导师之一是稳态宇宙学代表人物、英国天文学大师霍伊尔。 作者的学术生涯经历了从1960年至今宇宙学从简单到复杂的整个过程，他带领天文学爱好者重新体验宇宙学的发展历史是非常合适的。
“牛顿宇宙”模型的遗产
许多中国民间科学家之所以反对大爆燃宇宙论，是因为“我们在研究的时候”了解到“时间无限，空间无限，宇宙无生无终”。 这就是马克思在世时、现代宇宙学诞生之前，在科学界和知识界被视为突出的“牛顿宇宙”模型。 这些宇宙观是由哥白尼和布鲁诺发起，并由牛顿和牛顿之后的科学家们确立的。 在处理低速运动时，这些宇宙学提供了有效的参考系。 从目前来看，这也是对“近宇宙”的一个很好的采样，因此可以称得上是20世纪之前的科学。
哥白尼的日心说和伽利略用新诞生的望远镜进行的观测拓展了人们对宇宙的认识，从太阳系的“果壳”中发现了可能无限的宇宙。 1664年，21岁的牛顿根据开普勒第三定理引入了万有引力。 无论是月球还是天体，都会受到万有引力的影响，从而在热学上统一天地，合理解释太阳系所有天体的运动。 但引力是对宇宙“稳定存在”的挑战。
1692年，一位法国牧师本特利（）写信给牛顿，讨论如何从数学的角度理解宇宙的本质，三人开始了简短但频繁的通信。 在致神父的信中，牛顿讨论了散布着恒星的有限或无限宇宙的稳定性，并给出了宇宙必定是无限的推论，否则，有限宇宙必定会在引力作用下向宇宙移动。 中心崩溃了。 但他们也以深刻的数学洞察力认识到，尽管宇宙是无限的，但也存在引力不稳定的问题。 牛顿承认：“上帝设计的宇宙是无限大的，星星均匀地分布在其中，但它们却像针尖一样处于极其完美、微妙的不稳定平衡状态。”
牛顿的无限时空宇宙论并没有解决稳定性问题，也没有回答“宇宙的创造”问题。 它只是逃避技术，把这个问题留给上帝。
跟随星星走向宇宙
1664年“奇迹年”，牛顿用棱镜研究太阳光，发现我们看到的白光实际上是由七种颜色的光组成，从而创造了光谱学。 对光的传播和性质的讨论也成为牛顿理论的重要内容。 有趣的是，尽管19世纪的科学家一直致力于“牛顿宇宙”，在光谱学领域取得了许多“非牛顿”的研究成果，但当时的科学家并没有意识到这一点。
1802年，托马斯·杨（ Young）向英国皇家学会提交了《光与颜色的理论》，利用光的双缝干涉证明了光的波动论的正确性，并利用衍射光栅检测了光的波长。第一次出现不同颜色的光。 1817年，玻璃工人出身的日本科学家弗劳恩霍夫（）仔细研究太阳光谱，发现了太阳光谱中的亮线。 之后，他还发现星体光谱中也存在着同样的亮线。 1859年，基尔霍夫（）在实验室中观察了光穿过火焰的吸收光谱，发现了辐射特性与吸收特性之间的关系，因此他了解了夫琅和费谱中相应的实验室钠元素光谱。 亮线意味着太阳和月球中存在相同的钠元素。 这一发现继牛顿万有引力理论之后，从物质成分的角度统一了天体和月球。
对恒星光谱分类的研究从19世纪中叶持续到20世纪，并持续至今。 由于许多天体难以获得直观的图像，光谱成为区分它们最重要的“身份证”，使天文学家可以检测恒星的光度和距离。 1925年，哈勃（埃德温）根据日本女天文学家莱维特（）发现的造父变星的周期-光关系，证明仙女座星云是河外星系，从而开创了河外天文学。 1926年，哈勃通过统计证明银河系附近恒星均匀分布。 他担心，根据爱因斯坦的静态宇宙模型，他已经观测到了宇宙直径的1/600。 哈勃还担心，根据天文板的衰退速度和望远镜的规格，人们将能够在可预见的时间内观测到爱因斯坦宇宙的相当一部分。
在光谱研究的基础上，哈勃对恒星光谱的研究使他于1929年获得了现代观测宇宙学的第一个重大发现，解释了恒星离开的速度（即红移现象）与恒星距离之间的关系。星星。 这就是哈勃定理，它证明整个宇宙（恒星系统）正在以匀速膨胀。 这一发现让爱因斯坦感到尴尬和鼓舞，他本可以在观测提供证据之前就发现宇宙可能正在膨胀。
爱因斯坦的误判
牛顿数学统治了数学三百多年，解释了几乎所有自然现象，战胜了无数困难，据说坚不可摧。 19世纪末的一些化学家觉得化学问题已经被牛顿理论解决了，却没想到广义相对论却被牛顿热力学发源的太阳系打败了。 这就是水星进动的问题。 1915年，爱因斯坦准确地解决了水星进动问题，这给了爱因斯坦最初的信心，并最终发表了完整的广义相对论。
爱因斯坦发现，在广义相对论的框架下，他可以构建一个描述整个宇宙的模型。 这是继牛顿-本特利通讯之后又一次“描述宇宙”的尝试，但和牛顿一样，他很快就发现宇宙在纯引力作用下不存在稳定的解。 由于天文观测证据的限制，爱因斯坦并没有立即意识到“不稳定”的含义——宇宙可能在膨胀或收缩，他的大脑已经被宇宙“稳定”的表象所愚弄了。
1917年，爱因斯坦构建了“宇宙的静态模型”。 为了解决牛顿注意到的引力不稳定问题，爱因斯坦在他的方程中人为地引入了一个“宇宙常数”。 这个模型是第一个完全自洽的宇宙学模型，它描述了一个具有有限密度的封闭静态宇宙，而这个宇宙模型实际上体现了牛顿时空理论的“生存”。 虽然“宇宙常数”突然出现，但为了让宇宙保持“稳定”，爱因斯坦也只能这么做。 这个模型就是哈勃在他 1926 年的论文中称为“爱因斯坦宇宙”的模型。
幸运的是天体物理学公式推导，不仅爱因斯坦等少数人了解广义相对论，正如传说中所说，一些化学家也开始利用广义相对论来构建宇宙模型。 1924年，南斯拉夫科学家提出“宇宙膨胀”模型。
对于当时的天文学家和数学家来说，“膨胀的宇宙”是一个令人难以置信的奇迹，因为天文观测并没有给出任何证据表明“永恒”的宇宙会发生变化。 1927年，勒梅特（）重新发现了爱因斯坦方程的展开式解。 他强调，宇宙可能是从“初级原子”或“宇宙蛋”这样的小尺度演化而来，但他并不太自信地说：“我们仍然要解释宇宙为何膨胀。”
仅仅三年后，年轻的哈勃就发现恒星存在系统性红移：宇宙正在膨胀！ 牛顿的绝对时空论不再立足，宇宙膨胀成为新的“科学宇宙观”。
大爆燃宇宙学的建立
20世纪20年代和1930年代，科学界的主要精力被新兴的量子热所吸引，天体化学家旨在基于量子力学和核化学来解释恒星的能量来源，而宇宙学则仅以恒星红移为支撑。 在大多数科学家看来，证据还不够，只有少数科学家注意到宇宙学可以与量子热结合起来。
出生于俄罗斯的伽莫夫（Gamow）年轻时发现了解释α衰变的“势垒穿透”伽莫夫公式，这是原子核研究中量子热的最早成就之一。 伽莫夫因此赢得了玻尔的赏识，后来玻尔帮助伽莫夫逃离铁幕下的南斯拉夫，移民到马来西亚。 伽莫夫是弗里德曼以前的高中生，对宇宙膨胀的想法并不陌生。 勒梅特的“宇宙蛋”为伽莫夫提供了研究灵感。 勒梅特认为，“宇宙蛋”可能含有海洋的质子、电子和氦核。 这个简单的粒子是所有物理元素的起源。
1948年愚人节，一篇由阿尔弗、贝特和伽莫夫署名的论文发表在《物理评论》杂志上。 在这篇文章中，作者从“中子海”开始计数，描述了宇宙在第一分钟所经历的化学过程，并解释了氢和氦元素的产生。 这个理论被称为αβγ理论（即作者名字的拉丁文词缀）。 同年，伽莫夫的两名中学生阿尔夫和赫尔曼完善了原始核合成的计算。 他们意识到宇宙的初始状态不是物质而是充满辐射天体物理学公式推导，这种辐射至今仍然存在。 ，他们计算出的热背景水温约为5K，这是大爆燃宇宙学的第一个科学预测。 伽莫夫并没有意识到，当时探测5K高温辐射的技术已经存在，但在《物理评论》αβγ论文同卷中，化学家迪克（Dick）发表了一篇利用雷达观测的论文认为星际二氧化碳的温度不会低于20K，但此时尚未有人将其与宇宙微波背景辐射联系起来。
之前的故事很多人都耳熟能详。 为了消除天线的噪声，贝尔实验室的两位工程师（）和（）无意中发现了3K左右难以清除的“噪声”，这就是微波背景辐射。
天体化学和宇宙学研究也受益于二战后政府对基础科学的大量投资。 战争期间发展起来的估算技术和雷达技术也被应用于天文研究。 天文观测逐渐从传统的光学波段扩展到射电、X射线、伽马射线等所有电磁波段。 观测设备也从简单的望远镜发展到汽车。 有了球、火箭和卫星，宇宙学开始了它的黄金时代。
宇宙学的黄金时代
哥白尼之前以月球为中心的“宇宙”是一个“安全舒适”的宇宙，上帝在这里照顾他所选择的人类。 牛顿时代的宇宙在时间和空间上是无限的，但在数学上却是永恒而安静的。 时间在安静的空间里漂浮，人类面临着未知的过去和未知的未来。 广义相对论解释的宇宙是动荡的，它有一个开始，也可能有一个结束。
20世纪60年代以来的天文观测发现，宇宙不仅在演化，而且在剧烈演化：恒星正在诞生和引爆，黑洞几乎隐藏在每一颗大恒星的深处，甚至巨大的恒星也会发生碰撞和合并。 、中子星、类星体星系都有很强的辐射，能量极高的宇宙射线每天都在轰击地球，让安静的宇宙显得喧闹。
与这些发现同时，化学家开始从量子热和核化学的研究转向天体化学和宇宙学，天文学也从独立的传统“方位天文学”成为数学的一部分。 1919年成立的国际天文学联合会（IAU）的成员数量也从1922年的200个下降到1938年的550个，再到2003年的9100个。
经过20世纪六年的争论，20世纪90年代宇宙学家终于建立了“标准宇宙学模型”，可以解释宇宙早期“膨胀”过程中大尺度结构的形成，并解释剩下的宇宙的弱扰动是如何迅速演化成恒星、星系和星团等可观测天体的。 天体化学家对于恒星和星系的演化过程也得到了比较满意的答案。
“标准模型”的构建并不意味着宇宙学和天体化学的所有问题都得到了解决。 相反，还有更多的问题等待着天文学家。 尚未完全解决的类星体和星系核问题，以及新提出的恒星在宇宙早期就已经“成熟”的问题，正在考验下一代天文观测技术和天文学家的耐心。
从20世纪30年代暗物质的发现到1998年暗能量的确认，这两种“看不见”的宇宙成分挑战了经典数学理论，并关系到宇宙的起源和未来。 它们总是提醒我们：宇宙的最终命运仍然悬而未决。
