數千年來，人類一直在觀看星星，並想知道宇宙是如何成為的。但是直到第一次世界大戰的幾年，研究人員才開發了第一個觀察工具和理論工具，將這些大問題轉變為精確的研究領域：宇宙學。
普林斯頓大學宇宙學家保羅·斯坦哈特（Paul Steinhardt）說：“我認為宇宙學是人類感興趣的最古老的主題之一，但作為最新的科學學科。”
簡而言之，宇宙學研究了宇宙作為一個實體，而不是分別分析填充它的恆星，黑洞和星系。這個領域問大問題：宇宙從何而來？為什麼它有星星，星系和星系簇？接下來會發生什麼？紐約大學的粒子物理學家格倫尼斯·法拉爾（Glennys Farrar）說：“宇宙學正在試圖對宇宙的本質進行非常大規模的了解。”
因為該學科努力應對許多現象，從真空中的粒子到時空的結構，因此宇宙學在許多領域（包括天文學，天體物理學以及越來越多的粒子物理學）上大大吸引。
Steinhardt說：“宇宙學的一部分完全屬於物理學，完全存在於天體物理學的部分以及來回的部分。” “這是興奮的一部分。”
宇宙歷史的歷史
該領域的跨學科性質有助於解釋其相對較晚的開始。我們的現代宇宙圖片僅在1920年代開始匯聚在一起，艾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）發展一般相對論的理論，一個數學框架，描述了由於空間和時間的彎曲而導致的重力。
斯坦哈特說：“在理解重力的本質之前，你真的不能說出為什麼事物的樣子。”其他力對顆粒具有更大的影響，但重力是行星，星星和星系領域的主要參與者。艾薩克·牛頓（Isaac Newton）對重力的描述也經常在該領域中起作用，但它將空間（和時間）視為刻在衡量事件的僵化和不變的背景。愛因斯坦的工作表明，空間本身可以擴展和收縮，將宇宙從舞台轉移到演員，並將其作為一個動態的研究對象。
在1920年代中期，天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）從最近在加利福尼亞州威爾遜山天文台建造了最近建造的100英寸（254厘米）的妓女望遠鏡進行了觀察。他試圖解決有關天文學家可以看到的某些雲中位置的辯論。哈勃證明，這些“星雲”並不小，本地雲，而是龐大的，遙遠的恆星簇，類似於我們自己的銀河系- 當時的“島嶼宇宙”。今天，我們稱它們為星系，知道他們數万億。
宇宙視角上最大的動盪尚未到來。哈勃在1920年代後期的工作表明朝各個方向的星系越過來自我們，引發了數十年的進一步辯論。最終測量宇宙微波背景（CMB） - 從宇宙早年留下的光，從那以後延伸到微波爐中 - 在1960年代證明，現實與一般相對論所建議的一種可能性相匹配：始於小而熱，從那以後，宇宙一直在變得越來越冷。這個概念被稱為大爆炸理論，它使宇宙學家嘎嘎作響，因為它暗示即使宇宙也可以開始和結束。
但是至少那些天文學家可以在望遠鏡中看到星系的運動。法拉爾說，宇宙學最巨大的轉變之一是，那裡的絕大多數東西都是其他東西，這是完全看不見的。我們可以看到的材料只不過是宇宙舍入誤差，只有大約5％的宇宙中的5％。
其他95％的宇宙中的第一個居民，即“黑暗部門”，在1970年代抬起頭來。那時，天文學家維拉·魯賓（Vera Rubin應該分開。 Farrar說，除了將星系放在一起的東西不僅是難以看見的事情，因此物理學家完全不知道，除了其引力吸引力以外，完全忽略了普通的物質和光線。後來的映射顯示，我們看到的星系只是巨大“暗物質”球中心的核。遍布整個宇宙的可見物質的細絲懸掛在一個遠遠超過可見顆粒的深色框架上。
這哈勃太空望遠鏡然後，發現了意外的能量的跡象 - 宇宙學家現在說，這是在1990年代考慮到暗物質（25％）和可見物質（5％）之後剩下的70％的宇宙的70％，當時它將宇宙的擴展為擴展為像失控的火車一樣加速。 “暗能量”，可能是一種能量空間本身固有，將宇宙的推動速度超過重力可以將宇宙融合在一起。在數百萬年的時間裡，任何以銀河系的天文學家都將發現自己在一個被黑暗所包圍的真實島嶼宇宙中。
Steinhardt說：“我們處於宇宙歷史上的過渡點，從物質佔據主導地位到它是由一種新的能量形式主導的地方。” “暗物質確定了我們的過去。暗能量將決定我們的未來。”
現代和未來的宇宙學
當前的宇宙學將這些具有里程碑意義的發現包裝成其冠冕成就，Lambda-CDM模型。有時稱為宇宙學的標準模型，這組方程式從大約第一秒開始描述了宇宙。該模型假設一定量的暗能量（lambda，以表現為一般相對論）和冷暗物質（CDM），並對可見物質的量，宇宙的形狀和其他特徵進行了類似的猜測，所有這些都由實驗和觀察確定。
Steinhardt說，播放嬰兒宇宙電影的前鋒138億年，宇宙學家獲得了一個快照，“從統計上講，我們可以衡量的一切都可以達到一定的觀點。”當宇宙學家將對宇宙的描述更深入到過去和未來時，該模型代表了擊敗的目標。
與Lambda-CDM一樣成功，它仍然有許多需要鍛煉的糾結。宇宙學家獲得矛盾的結果當他們嘗試研究宇宙當前的擴展時，取決於它們是直接在附近星系中測量的還是從CMB中推斷出來的。該模型也沒有說明暗物質或能量的構成。
然後是一個麻煩的第一秒，當時宇宙大概從無限的斑點變成了相對良好的泡沫。 “通貨膨脹“是一種流行的理論，試圖處理這一時期，解釋了更快的擴展的短暫時刻是如何將微小的原始變化吹入當今星系的大規模不均勻度以及lambda-CDM輸入如何獲得其價值的方式。
但是，沒有人知道通貨膨脹是如何詳細工作的，或者為什麼它在大概做的地方停止了。斯坦哈特說，通貨膨脹在許多空間地區都應該繼續，這意味著我們的宇宙是只有一片“多元宇宙”包含所有可能的物理現實 - 許多實驗者認為令人不安的一個不可檢驗的想法。
為了在此類問題上取得進展，宇宙學家希望從諸如哈勃太空望遠鏡之類的空間望遠鏡和即將到來的空間望遠鏡進行精確測量詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，以及重力波天文學新興領域的實驗，例如國家科學基金會的激光干涉儀重力波觀測站。宇宙學家也加入粒子物理學家和天體物理學家在跨學科的競賽中，以檢測暗物質的顆粒。
正如宇宙學直到物理學成熟之前才開始，直到其他領域更完整之前，它才能揭示宇宙的歷史。 “而且其中任何一個都可以從根本上改變宇宙學的故事。”
法拉爾說，她不知道這是否會發生，但驚訝於人們掌握了宇宙的複雜性。她說：“令人驚訝的是，人腦已經演變成顯然可以回答這些問題的程度。” “至少其中一些。”
額外的資源：
- 宇宙學家肖恩·卡洛爾（Sean Carroll）糾正您的常見誤解關於宇宙。
- 閱讀NASA揭開黑暗部門的使命。
- 手錶PBS的“時空”解釋了一場危機在宇宙學的標準模型中。
