“这就是为什么物理宇宙学早就应该成为2019年诺贝尔奖的原”

想象你想了解宇宙的一切。 我想找到以下所有类型问题的答案。

宇宙是由什么构成的？

整个宇宙有多大？

宇宙存在了多久？

宇宙在最初阶段是什么样的？

那些类型的结构以及它们何时/如何形成？

有几个银河？

宇宙是如何像今天这样成长的？

不久的将来最终命运是什么？

考虑这个是很辛苦的任务。 但是，有解决所有这些问题的想法，应用物理宇宙学的方法也在增加。 今年10月初，2019年诺贝尔物理学奖共同授予迈克尔·马约尔( michel mayor )、迪迪埃·凯洛斯(发现系外行星)和吉姆·皮布尔斯(系物理宇宙学)。 尽管太阳系外的行星很容易理解——太阳系外的行星——物理宇宙学需要解释。 这是个很棒的故事。

如果想了解宇宙的所有对象和现象，有各种各样的方法。 可以用所有可以想象的不同方法注意。 这包括在不同波段检测光。 测量与寻找各种元素光谱特征的固有特征相关的可以注意的特征，测量其红移，搜索由此产生的粒子和引力波等。

但是，无论进行何种测量，存在的事实都对存在的所有结构和物体是正确的:它们在统一的自然规律下自然形成，受同一规律的支配，同时由各地的同一组件构成。 不知道为什么，自然的物理过程使宇宙摆脱了初始状态，变成了我们今天注意到的物体和现象。 宇宙学的关键是弄清楚该怎么做。

想象一下科学家在一个世纪前想象了宇宙。 在广义相对论到达首次被确认之后不久。 在不考虑其他观测结果之前——科学家们(当时)讨论银河系是否整个宇宙，或者什么样的模糊漩涡和椭圆形实际上是他们自己的星系。 远远超出我们的范围(破坏者:它们是宇宙论的物种)。 现代物理宇宙学的种子正在发芽。

在物理学方面，首先要做的是:

已知物理定律

正在研究的系统的相关物理成分、

宇宙起源的物理系统的初始条件是

以及成分之间相互作用的准确模型，包括时空背景。

如果拥有所有这些，就可以计算出来在我们的宇宙中找到想存在的东西。

注意事项显示后，与理论期望值进行比较。 注意与理论宇宙学相遇的地方，我们终于在科学上搞清楚了什么能准确地描述我们的宇宙。

广义相对论初期，物理宇宙学处于最基本的阶段。 但是，原始的开始还是开始，科学家们开始提出广义相对论中的精确解类。 换言之，我们可以在做简化宇宙性质的假设的同时，写出符合我们最佳引力定律的描述宇宙的方程式。 到20世纪20年代末，我们有了以下的处理方案。

一个空宇宙(米尔宇宙)

包含质量(不旋转的schwarzschild黑洞)的宇宙

包含宇宙常数(分贝空之间)的宇宙，

这是一个只充满正常物质的宇宙(爱因斯坦西斯宇宙)

一般来说，一个宇宙可以是各向同性的(所有方向相同)，也可以同时是均匀的(空之间的所有位置相同)，可以满足任何宇宙。

最后的选择产生了一组叫做弗里德曼方程的方程，并产生了多个收藏夹的结果。 首先，他们预测宇宙会膨胀或收缩。 静态不稳定。 其次，他们认为能量密度的各种可能类型(例如正常物质、暗物质、中微子、辐射、暗能量、畴壁、宇宙学弦、空之间的曲率、以及可以烹饪的其他物质)如何随着时间的推移

不仅是现在宇宙的膨胀速度，(通过各种观测技术)通过测量膨胀率的经时变化，可以开始提取构成宇宙的详细新闻。

所以，通过测量宇宙膨胀的速度和膨胀率的经时变化，可以推断出宇宙的密度是多少，它是由什么构成的，甚至可以推断出这些参数正好足够，那么宇宙最终的命运将会是什么。 这是物理宇宙学最基本的例子。 将物理定律应用于整个扩展的宇宙。

当然，这种近似对某些东西是有益的，对其他东西是不利的。 平均来说，应该可以告诉你宇宙是如何以最大规模扩大的。 但是，对于所有其他结果，我们必须考虑必须发生的物理性质和粒子的相互作用，但是我们之前有意省略了它们。

我们能做的一件事是思考包括质子、中子、电子在内的正常物质和放射线(光子等)，以及控制这种粒子相互作用的宇宙。 宇宙开始的时候，它基本上是统一的，但也包括了这种物质和射线。 因为扩大的宇宙会延长光子的波长，随着时间的推移能量会减弱。

追溯到过去，宇宙过去有很早的时间(温度足够高)，不能形成中性原子。 因为光子会使它们处于电离状态。 为了计算何时会发生，必须计算出宇宙原子何时稳定中性，以及这将如何影响今天看到的大爆炸剩余辐射所需的原子物理学:宇宙微波背景( cmb )。

以前对原子核也进行了同样的计算，能够调查碰撞在哪里将复合核分裂为质子和中子，在哪里没有足够的能量。 然后，测量这些轻元素的丰度(通过检测未形成恒星的气体云)，应该可以看到氢气、氘、氦3、氦4、锂7等特定比例的元素。

如果你去得更早，同时知道早期宇宙具有足够的能量来自发产生物质-反物质对(同时知道中微子这样的费米粒子和光子这样的玻斯粒子一样遵循不同的规则)，那么宇宙纽 来自早期宇宙的电子——正电子对pairs消失时，它们不会成为光子。 计算结果表明，中微子温度是cmb温度的(4/11 )倍。 因为后者是2.725 k，到目前为止的温度必须是1.95k。

物理宇宙学还告诉我们想在宇宙中发现什么样的结构。 虽然可以从大致同质的宇宙开始，但有密度(和/或温度)的缺陷，请对粒子和放射线的相互作用进行建模，包括重力，注意这些缺陷是如何演化的。

可见缺陷通过宇宙中存在的正常物质和暗物质的不同行为，通过不同的行为进化，在cmb上留下特定的烙印。 我们可以看到，高密度区域以可量化的速度增长直到达到临界密度，然后发生失控的衰变，形成恒星、星系和其他宇宙结构。 早期的星星使宇宙离子化，更大的结构形成了今天巨大的宇宙互联网。

现代科学一个引人注目的事实是，理论宇宙学的预测得到了不断改进的观测和测量的验证和证实。 更为明显的是，对人类收集的全套宇宙数据进行检测，一张照片可以准确地解释各项观测结果:具有138亿年历史的宇宙始于宇宙膨胀结束，引发大爆炸，宇宙为68%的暗能量，27%的暗物质，。

如果采用正确的物理定律和足够的计算能力，把这些成分放入理论上的universe中，就可以得到今天我们拥有的巨大、丰富、扩大、迅速发展的宇宙。 最初只有少数个体从事的事业，现在已经成为现代宇宙学精密科学。 20世纪中叶，传说中的物理学家雷夫兰( lev landau )有一句名言，宇宙学家经常犯错误，但很少有疑问。 随着2019年诺贝尔物理学奖被授予吉姆·皮尔苏斯( jim peebles )，全世界可能都注意到退休兰威的估算已经过去很久了。 我们可能生活在黑暗的宇宙中，但物理宇宙学和其他东西一样向我们揭示了这一点。