宇宙學原理

宇宙學研究的對象是整個可觀測時空範圍的大尺度特徵。目前已探測到的距離尺度是150億光年，時間尺度是100億年，包含一億個星系。根據星系計數、射電源計數和微波背景輻射等實測資料得知，在大於一億光年的宇觀範圍內，物質的空間分佈是均勻的和各向同性的。作為研究宇宙學的前提，宇宙學家建立了一個資用假設(working hypothesis)。這個假設就叫作宇宙學原理，就是説在宇宙學尺度上，任何時刻，三維空間是均勻的和各向同性的。它的含意是 ^[1]  ：

完全宇宙學原理是宇宙學原理的進一步推廣。它的大意是：不僅三維空間是均勻的和各向同性的，整個宇宙在不同時刻也是完全相同的。根據宇宙學原理可以推導出演化態宇宙的羅伯遜－沃爾克度規。運用完全宇宙學原理則能得到穩恆態宇宙度規，利用不同的度規可建立各種宇宙模型。

地心説是最符合人類直觀感受的一種樸素的宇宙觀。日月星辰東昇西落，都是繞着地球在旋轉。地球很直觀地被認為處於宇宙的中心，人類和其發明的上帝也因此在宇宙中獲得了特殊地位。地心説的觀點統治了人類的認識一千多年，直到哥白尼革命性的日心説的出現 ^[2]  。

相對於地心説來説，日心説可以更好地描述行星的運行規律。在日心説的基礎上建立的開普勒行星運動定律更是被譽為“天空立法者”。哥白尼的日心説第一次將人類及其上帝從宇宙的中心位置拉了下來，也正是在這個意義上，今天的“宇宙學原理”又被稱為“哥白尼原理”。但是，由於天文觀測的時代侷限，日心説的內涵是遠遠不能包涵今天的宇宙學原理的。日心説中，太陽是宇宙的中心，銀河系、河外星系等現代天文學的概念還尚未出現。

從16世紀日心説的出現，到真正認識到太陽只是銀河系中的一顆普通恆星經歷了一段較為漫長的時間。首次基於觀測數據，對銀河系的結構做出系統的定量研究工作的是18世紀的著名天文學家威廉·赫歇耳。1785年，赫歇爾根據恆星位置的觀測結果，發表了人類第一張基於觀測數據的銀河系的結構圖（圖1）。在這張圖中，赫歇爾正確的繪出了銀河系扁平狀的結構。但是，也許因為測量的不精確性，也許因為人類天性中的不可避免的某種中心位置的偏見，赫歇爾將太陽放置於這張圖的中心位置，也就是説太陽處於銀河系的中心。

直到20世紀20年代，人們才逐漸認識到太陽不是處於銀河系的中心。其中，一項標誌性的研究成果是沙普利對球狀星團進行的統計研究。該研究發現，銀河系中的球狀星團的分佈並不是圍繞着太陽呈對稱分佈，沙普利正確地推斷出，不是太陽，而是球狀星團圍繞的對稱中心才是真正銀河系的中心（圖2）。沙普利的這項研究成功地將人類的中心偏見從太陽身上拿走，但是歷史比較弔詭的是，接下來他卻把這個偏見放在了銀河系上。

1920年4月26日，在美國科學院內發生了一場今天被稱為“Greatdebate”的大辯論，辯論的主角之一正是上文提到的沙普利。在這場辯論中，沙普利堅持認為那些彌散的旋渦星雲處於銀河系內部，銀河系就是我們所見的宇宙的全部。

今天，我們知道最終是哈勃利用一類特殊的變星準確地測量出了那些星雲的距離，從而證實了那些星雲是和銀河系一樣的“宇宙島”。現有的觀測數據表明，我們的宇宙中可能存在上千億個星系，我們的銀河系只是普通的一員，沒有任何的特殊性。

除了宇宙中的茫茫星系外，最能體現宇宙學原理的是20世紀60年代的一項偉大的天文發現——“宇宙微波背景”。宇宙微波背景是指宇宙中無處不在的一種在微波能段的輻射，其能譜對應的是絕對温度為2.7開爾文的黑體輻射。該輻射幾乎是完美的各向同性，其對應的温度在各個方向上的漲落小於萬分之一開爾文。因此，宇宙微波背景輻射幾乎是人類所能測量到的最完美的黑體輻射譜。

宇宙學原理除了在認識論上的巨大價值外，在實際科研工作也有很多重要的應用。其最最重要的應用在於可以利用各向同性特徵建立羅伯遜*沃克度規，從而可以簡化愛因斯坦的場方程，建立標準的宇宙學模型。除此之外，宇宙學原理也處處體現在了天文學的統計研究當中，下面就舉一些簡單的例子加以説明。

宇宙中存在着一大類與銀河系相類似的結構上呈扁平狀的星系，這類星系通常被稱為盤狀星系。這類星系一個顯著的特點就是可以看到明顯的旋渦狀結構，因此又通常被稱為旋渦星系。圖3中的左圖給出的著名的風車星系M101，可以看到其壯觀呈現順時針方向的旋臂。

旋渦星系的物理特徵及其形成和演化過程是現代天文學中的重要研究課題之一。但是由於星系呈盤狀結構，我們從不同的角度往往只能看到其某一方向的特徵。其中最極端的兩個情況就是一個盤狀星系完全面向我們，比如圖3中的風車星系；另外一種情況就是完全的側向我們，比如著名的草帽星系（圖3中的右圖）。但是，我們觀測的星系只是一個投影，我們是如何知道草帽星系和風車星系是同一類星系的不同角度的投影的呢？答案就在於宇宙學原理。由於宇宙在大尺度上是各向同性的，因此，我們有理由相信，在大尺度上，旋渦星系盤的指向是隨機的。如果不是隨機的，我們就會獲得一個特殊的方向，而這個方向的存在顯然就會違背宇宙學原理。如果一個星系在物理上是一個盤狀的結構，那麼其投影的圖像軸比（圖像上的長軸和短軸比）就對應着其空間不同的指向。而如果盤的空間指向是隨機的，那麼我們從統計上可以預言不同軸比的盤狀星系的數目差不多是均勻分佈的。事實上，觀測表明，不同軸比的旋渦星系的分佈也的確是均勻的。除了軸比外，還有一個更簡單的特徵可以驗證宇宙學原理，那就是旋臂的旋轉方向。

比如，圖3中風車星系的旋臂就是順時針方向的。由於旋臂的旋轉方向完全取決於觀測角度，因此基於宇宙學原理，我們有理由相信旋臂的旋轉方向（順時針還是逆時針）也應該是個隨機量。也就是説，在一定的尺度範圍內，我們應該觀測到相同數目的順時針和逆時針的旋渦星系。奇異的是，最近一些研究者統計了不同天區的順時針和逆時針旋臂的星系數目，卻得到了一個比較令人震驚的結果：順時針旋臂的數目比逆時針更多！這樣一個結果引起了激烈的爭議。有研究者重複研究這個現象，聲稱沒有明顯發現順時針和逆時針的差異。有研究者認為這種數目的不對稱可能和人的心理相關，人的認知在旋臂“旋轉”方向不明顯時會存在一種選擇偏差，更傾向於順時針而不是逆時針。但是最近一個利用機器學習方法進行的大樣本的旋臂方向的辨認仍然發現了順時針方向的星系更多這樣的結論。這個結論到底是因為什麼或者説明了什麼，科學家還將繼續深入地探索下去。