宇宙学原理

研究宇宙结构和演化的科学原理

宇宙学原理（cosmological principle），是研究宇宙结构和演化的科学原理。任何客观存在的具体物质都有自己的结构，都在运动和变化；同样，“宇宙”这个客观存在也应该有结构，也要不断地演化。结构和形态的组成，演化通俗的讲就是指生老病死。研究宇宙结构和演化的科学就叫宇宙学。

简介

宇宙学研究的对象是整个可观测时空范围的大尺度特征。目前已探测到的距离尺度是150亿光年，时间尺度是100亿年，包含一亿个星系。根据星系计数、射电源计数和微波背景辐射等实测资料得知，在大于一亿光年的宇观范围内，物质的空间分布是均匀的和各向同性的。作为研究宇宙学的前提，宇宙学家建立了一个资用假设(working hypothesis)。这个假设就叫作宇宙学原理，就是说在宇宙学尺度上，任何时刻，三维空间是均匀的和各向同性的。它的含意是：

完全宇宙学原理是宇宙学原理的进一步推广。它的大意是：不仅三维空间是均匀的和各向同性的，整个宇宙在不同时刻也是完全相同的。根据宇宙学原理可以推导出演化态宇宙的罗伯逊－沃尔克度规。运用完全宇宙学原理则能得到稳恒态宇宙度规，利用不同的度规可建立各种宇宙模型。

建立

地心说是最符合人类直观感受的一种朴素的宇宙观。日月星辰东升西落，都是绕着地球在旋转。地球很直观地被认为处于宇宙的中心，人类和其发明的上帝也因此在宇宙中获得了特殊地位。地心说的观点统治了人类的认识一千多年，直到哥白尼革命性的日心说的出现。

相对于地心说来说，日心说可以更好地描述行星的运行规律。在日心说的基础上建立的开普勒行星运动定律更是被誉为“天空立法者”。哥白尼的日心说第一次将人类及其上帝从宇宙的中心位置拉了下来，也正是在这个意义上，今天的“宇宙学原理”又被称为“哥白尼原理”。但是，由于天文观测的时代局限，日心说的内涵是远远不能包涵今天的宇宙学原理的。日心说中，太阳是宇宙的中心，银河系、河外星系等现代天文学的概念还尚未出现。

从16世纪日心说的出现，到真正认识到太阳只是银河系中的一颗普通恒星经历了一段较为漫长的时间。首次基于观测数据，对银河系的结构做出系统的定量研究工作的是18世纪的著名天文学家威廉·赫歇耳。1785年，赫歇尔根据恒星位置的观测结果，发表了人类第一张基于观测数据的银河系的结构图（图1）。在这张图中，赫歇尔正确的绘出了银河系扁平状的结构。但是，也许因为测量的不精确性，也许因为人类天性中的不可避免的某种中心位置的偏见，赫歇尔将太阳放置于这张图的中心位置，也就是说太阳处于银河系的中心。

直到20世纪20年代，人们才逐渐认识到太阳不是处于银河系的中心。其中，一项标志性的研究成果是沙普利对球状星团进行的统计研究。该研究发现，银河系中的球状星团的分布并不是围绕着太阳呈对称分布，沙普利正确地推断出，不是太阳，而是球状星团围绕的对称中心才是真正银河系的中心（图2）。沙普利的这项研究成功地将人类的中心偏见从太阳身上拿走，但是历史比较吊诡的是，接下来他却把这个偏见放在了银河系上。

1920年4月26日，在美国科学院内发生了一场今天被称为“Greatdebate”的大辩论，辩论的主角之一正是上文提到的沙普利。在这场辩论中，沙普利坚持认为那些弥散的旋涡星云处于银河系内部，银河系就是我们所见的宇宙的全部。

今天，我们知道最终是哈勃利用一类特殊的变星准确地测量出了那些星云的距离，从而证实了那些星云是和银河系一样的“宇宙岛”。现有的观测数据表明，我们的宇宙中可能存在上千亿个星系，我们的银河系只是普通的一员，没有任何的特殊性。

除了宇宙中的茫茫星系外，最能体现宇宙学原理的是20世纪60年代的一项伟大的天文发现——“宇宙微波背景”。宇宙微波背景是指宇宙中无处不在的一种在微波能段的辐射，其能谱对应的是绝对温度为2.7开尔文的黑体辐射。该辐射几乎是完美的各向同性，其对应的温度在各个方向上的涨落小于万分之一开尔文。因此，宇宙微波背景辐射几乎是人类所能测量到的最完美的黑体辐射谱。

应用

宇宙学原理除了在认识论上的巨大价值外，在实际科研工作也有很多重要的应用。其最最重要的应用在于可以利用各向同性特征建立罗伯逊*沃克度规，从而可以简化爱因斯坦的场方程，建立标准的宇宙学模型。除此之外，宇宙学原理也处处体现在了天文学的统计研究当中，下面就举一些简单的例子加以说明。

宇宙中存在着一大类与银河系相类似的结构上呈扁平状的星系，这类星系通常被称为盘状星系。这类星系一个显著的特点就是可以看到明显的旋涡状结构，因此又通常被称为旋涡星系。图3中的左图给出的著名的风车星系M101，可以看到其壮观呈现顺时针方向的旋臂。

旋涡星系的物理特征及其形成和演化过程是现代天文学中的重要研究课题之一。但是由于星系呈盘状结构，我们从不同的角度往往只能看到其某一方向的特征。其中最极端的两个情况就是一个盘状星系完全面向我们，比如图3中的风车星系；另外一种情况就是完全的侧向我们，比如著名的草帽星系（图3中的右图）。但是，我们观测的星系只是一个投影，我们是如何知道草帽星系和风车星系是同一类星系的不同角度的投影的呢？答案就在于宇宙学原理。由于宇宙在大尺度上是各向同性的，因此，我们有理由相信，在大尺度上，旋涡星系盘的指向是随机的。如果不是随机的，我们就会获得一个特殊的方向，而这个方向的存在显然就会违背宇宙学原理。如果一个星系在物理上是一个盘状的结构，那么其投影的图像轴比（图像上的长轴和短轴比）就对应着其空间不同的指向。而如果盘的空间指向是随机的，那么我们从统计上可以预言不同轴比的盘状星系的数目差不多是均匀分布的。事实上，观测表明，不同轴比的旋涡星系的分布也的确是均匀的。除了轴比外，还有一个更简单的特征可以验证宇宙学原理，那就是旋臂的旋转方向。

比如，图3中风车星系的旋臂就是顺时针方向的。由于旋臂的旋转方向完全取决于观测角度，因此基于宇宙学原理，我们有理由相信旋臂的旋转方向（顺时针还是逆时针）也应该是个随机量。也就是说，在一定的尺度范围内，我们应该观测到相同数目的顺时针和逆时针的旋涡星系。奇异的是，最近一些研究者统计了不同天区的顺时针和逆时针旋臂的星系数目，却得到了一个比较令人震惊的结果：顺时针旋臂的数目比逆时针更多！这样一个结果引起了激烈的争议。有研究者重复研究这个现象，声称没有明显发现顺时针和逆时针的差异。有研究者认为这种数目的不对称可能和人的心理相关，人的认知在旋臂“旋转”方向不明显时会存在一种选择偏差，更倾向于顺时针而不是逆时针。但是最近一个利用机器学习方法进行的大样本的旋臂方向的辨认仍然发现了顺时针方向的星系更多这样的结论。这个结论到底是因为什么或者说明了什么，科学家还将继续深入地探索下去。

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