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| 編輯推薦： |
1. 2019年诺贝尔物理学奖获得者、现代理论宇宙学的奠基人之一詹姆斯·皮伯斯，从历史和重要亲历者的视角审视宇宙学一个世纪以来的演进历程
2. 2020年诺贝尔物理学奖获得者罗杰·彭罗斯、2015年基础物理学科学突破奖获得者罗伯特·科什纳赞誉推荐
3. 8页全彩插图，直观展现宇宙学模型的演化历程以及宇宙学百年发展中的关键人物
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| 內容簡介： |
一个世纪前，伴随着爱因斯坦提出广义相对论和20世纪20年代的一系列观测发现，诞生了现代宇宙学。在爱因斯坦的眼中，我们身处的宇宙必须是均匀的，才能在哲学层面上令人满意。在《百年宇宙学：我们对宇宙的百年探索》中，2019年诺贝尔物理学奖获得者、现代理论宇宙学的奠基人和领军人物之一詹姆斯·皮伯斯以此为起点，从历史和重要亲历者的视角出发，回顾了一个多世纪以来人类对宇宙认识的演进历程。从宇宙是静态的还是在膨胀，到宇宙中物质和辐射的分布是否均匀，从宇宙的稳恒态模型与热大爆炸模型之争，到微波背景辐射存在的预测和发现，从被爱因斯坦评价为“丑陋”的宇宙学常数，到包含它的大爆炸冷暗物质模型（ΛCDM模型），作者历数了一个世纪以来人类认识宇宙的里程碑和关键时刻，其中有绝妙的见解、幸运的猜想、基于实证的检验，也有未被选择的道路和错误与歧途。皮伯斯重点回顾了1998—2003年这5年间宇宙学领域的重大观测进展，并将其称为一场“宇宙学革命”。这些研究结果都指向ΛCDM模型，使其成为当前宇宙学领域的标准模型。
宇宙学的发展离不开技术的进步以及科学研究方法的演变。除了回顾宇宙学的历史并展望未来外，作者还审视了感光底片、大型望远镜和巡天、太空探测器、计算机技术等技术进步在宇宙学发展过程中起的作用，以及从彼此独立的小型研究组为研究单位到“大科学”研究项目的科研策略的转变。
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| 關於作者： |
詹姆斯·皮伯斯，美国天体物理学家、理论宇宙学家、普林斯顿大学阿尔伯特·爱因斯坦科学教授、美国科学院院士、英国皇家学会会士。皮伯斯被学界普遍认为是现代理论宇宙学的奠基人和领军人物之一，他的研究“为几乎所有现代宇宙学研究奠定了基础”（邵逸夫奖授奖词），他也是最早预测存在宇宙微波背景辐射的研究者之一。在大爆炸模型、核合成、宇宙微波背景辐射、宇宙结构形成等有关宇宙起源的诸多领域，皮伯斯都做出了极为重大的理论贡献。
2019年，皮伯斯因为他“在物理宇宙学领域的诸多理论发现”获诺贝尔物理学奖。除诺贝尔奖外，他获得的学界高级别重大奖项还包括：邵逸夫奖、格鲁伯宇宙学奖、克拉福德奖、英国皇家天文学会爱丁顿奖章、国际理论物理学中心狄拉克奖章等。 北京师范大学天文系和天文与天体物理前沿科学研究所教授，中国天文学会会员，国际天文联合会宇宙学分会会员，发表论文120多篇，其中发表在《自然·天文学》的研究成果入选中国天文学会与中国科学院国家天文台评选的2017年度“十大天文科技进展”。 北京大学科维理天文和天体物理研究所博士后，研究方向包括发射线致密星系、空间分辨的多波段能量分布拟合等。 北京师范大学翻译专业硕士研究生，曾参与中国图书进出口（集团）有限公司国际书讯译写项目。
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| 目錄：
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译者序与致谢 I
前言与致谢 V
第 1 章 简 介 1
第 2 章 均匀宇宙 15
第 3 章 宇宙学模型 45
第 4 章 化石：微波背景辐射和轻元素 141
第 5 章 宇宙结构如何增长 227
第 6 章 亚光度质量 293
第 7 章 非重子暗物质 343
第 8 章 宇宙学模型的井喷时代 371
第 9 章 1998—2003 年的革命 399
第 10 章 研究方法 423
参考文献 439
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| 內容試閱：
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第1章 简 介
宇宙学的发展历程与其他学科相比相对比较简单，但仍然很复杂，想要将它整理清楚，需要一个比一般的科学实践更好的计划。报告宇宙学和物理学其他研究领域的论文通常从概述过去开始，很少提及被抛弃的思想和未走过的路。此外，研究者还倾向于遵循其他新近发表的论文的引言中的因果模式。这构建起了不断演化的“创生故事”，为论文将描述的研究有效地设定了当前的背景。我们在课堂上讲述这些创生故事，以便快速切入我们真正感兴趣的东西：科学的本质。但是这些故事充其量只是与实际发生的事情模糊地相关。除非是忽视或者抛弃了好的想法，否则对于正在进行的研究来说，这些创生故事的不完整性并不会引发什么问题。但是这样的创生故事，在“科学是如何进步的”这件事上，给人们留下了极不完整和不准确的印象。
只有及时回顾过去才能做得更好，当然，我们也必须小心对待某些想法，它们有的看似有趣但实际上被曲解了，有的则被发现毫无趣味。按时间顺序对宇宙学的发展做更进一步的解释非常不便，因为现有的宇宙学理论由不同部分融合而成，而这些组成部分的研究方法、研究动机和发展速度均不相同。因此，我在本书中分别讲述了宇宙学的6条研究脉络，内容或详或略。第2章至第7章便是对它们的回顾。这样安排可以保证每一章内部的连贯性，但需要读者及时查阅前后各章，来将不同研究领域中发生的事情联系到一起。在本章的第2节中，我将以提纲和导览的形式对本书的谋篇布局进行更详细的说明。首先，让我们审视一 下自然科学研究的传统，特别是宇宙学研究的运行条件。
1.1?宇宙学的科学和哲学
如同自然科学的所有分支一样，宇宙学的初始假定是：自然是通过各种逻辑和规则来运行的。我们可以通过仔细检查观测到的数据，并根据以往的成功经验来发现这些逻辑和规则。由此得出的结果十分振奋人心，如果有人持不同意见，我建议想一想制造和操作手机的过程中大量使用的基础物理学知识。尽管物理学从多方面展示出了它的强大力量，但它也同其余自然学科一样仍不完备。或许将来的发现会把科学的物理学根基补充完整，进而揭示自然界运行的根本规律。又或者，这些发现将不断逼近这一根本规律。
当然，科学的标准和公认的方法必须与可以完成的任务相适应。在物理宇宙学和河外天文学中，我们可以对天体进行观测但无法触及它们。在宇宙学中，实验无法复现，人们只能诉诸“时间的化石”（fossils of times），从中推断出一些东西。我们发现，一些化石年代较新，比如地球上的岩石或是宇宙中的某些星体，它们都有自己的创生故事。因为我们探测到的辐射一直以光速接近我们，所以过去的光锥让我们可以观测过去：物体的距离越远，能够观测到的宇宙演化就越早。融合于人类历史的光锥捕获了一直在发生的事件中极短暂的一个片段，但它揭示了广阔宇宙中很长一段时间内事物的面貌，该现象提供了很多可以供人们观测与解读的信息。
正如自然科学中常见的那样，在宇宙学中，引领我们走到当前位置的研究之路，以对开放性问题的讨论为标志。但是人们对宇宙学问题极富热情，因此它所获得的支持和遭受的批评都比当时已发现的证据可以提供的支持和批评多得多。部分原因是可以解决宇宙学问题的观测似乎不可能实现，或者说几乎不可能。但我认为一个重要的因素是人们对宇宙本质的问题往往有着浓厚的兴趣。宇宙真的在演化吗？还是说处于一种稳定的状态？如果不断演化，最终结局会是怎样呢？是大挤压还是大冻结？一切从何而来？如今我们已探索出一套经过大量检验的理论，相关论证虽日渐沉寂，但尚未结束。
在20世纪，宇宙学研究通常以研究小组的形式进行，可能是一个人单独工作，也可能是与同事或一两个学生一起工作。但在21世纪，不断发展的宇宙学研究变得越来越丰富，这就需要更大的研究组开发用于数据采集的专用设备，数据处理和分析小组也得相应地扩充人手。“大科学”对宇宙学来说已经变得很重要：我们必须收集大量数据，分析这些数据并采用大尺度的数值模拟来帮助弥合理论与观测之间的鸿沟。但“大科学”最好将目标放在动机明确、定义清晰的问题上。本书主要考虑的问题是，研究方向看似彼此独立的小组是如何发现他们的研究成果汇聚到一起，形成一个经得住推敲、值得用“大科学”来严格检验的宇宙学理论的。在我看来，实现这一革命性的汇聚并得出一个似乎可信的理论，是在1998年至2003年的这五年。
在这革命性的五年后，宇宙学研究仍十分活跃并富有成果。不同之处在于，用库恩（1962）的术语来说，学界已就一个范式达成了共识（当然，这是大多数人的想法，并非所有人都同意）。遵循常规宇宙学的一个例子是对星系的形成和演化进行研究，它在标准和公认的宇宙演化理论基础上建立了星系形成理论。进行这种常规研究可能会发现异常的现象，这些现象则可能揭示出一个更好的基础理论。这是宇宙学中特别值得关注的一点，因为该理论既经过了充分的、有说服力的检验，但又特别不完备。
我们目前的正统宇宙学中涵盖了一个绝妙的案例，能够证明存在与普通物质仅有极弱相互作用甚至完全没有相互作用的暗物质。宇宙学对暗物质的性质有着严格限定，但是除了从引力吸引的影响进行推断之外，尚没有明确的探测证据可以证明这种物质的存在。一些人认为，除非有更多证据证明暗物质的存在，否则它只能是一种假说：这些证据也许会来自实验室中的探测结果，也许会来自提示暗物质除了能够将星系紧紧结合在一起之外，还能对星系产生其他作用的发现。其他人则认为这个问题已经很明确，暗物质确实存在。爱因斯坦的宇宙学常数Λ也是如此，它还获得了一个新名称：暗能量。但这只是一种“敷衍手段”的拙劣伪装，我们之所以接受宇宙学常数，是因为它能很好地统一理论和解释观测现象。在当前标准的宇宙学和自然科学的其他分支中，还有其他的“敷衍手段”，这些假说使得理论可以解释现象。科学研究一直在不断改进对理论的检验，无论是不是刻意为之，这些检验都可能催生更加严密的理论，而后者又有可能启发产生出新的检验。而且这些检验有时可能会用范式中的统一理论来替换那些“敷衍手段”，从而使这项事业中的各个部分更加紧密地联系在一起。这样的事情时有发生。
作为这本历史视角作品主题的物理宇宙学是一门实证科学，也就是说，它是基于探测器（例如显微镜、望远镜和人）观测或测量到的结果的，也是用这些结果来检验的。但我们必须注意理论与直觉的作用，以及理查德·戴维德（2013，2017）所说的“非实证性理论评估”。这段历史中的一个显著的例子是，在宇宙学研究过去一个世纪的多数时间里，宇宙学界的大部分人都心照不宣地接受了爱因斯坦的广义相对论。很少有人指出，这只是由20世纪60年代几次不甚严谨的广义相对论检验得出的过度推论。20世纪90年代，随着宇宙学研究汇集出一个得到了很好的检验的理论，研究者在小到实验室尺度，大到太阳系的尺度对广义相对论的预测进行了苛刻的检验，探测长度范围达10^13 cm。但是在宇宙学哈勃长度尺度（约10^28 cm）上的应用，是我们从精确测试中外推的结果，其跨越的长度尺度约有15个数量级。以我的经验来看，这一点没有被经常提及，一旦提及，往往会造成某些科学家的不安，至少暂时如此。在21世纪的前几十年，广义相对论中与标准宇宙学有关的部分已经通过了大量苛刻的检验。简言之，爱因斯坦基于实验室实验建立的理论，只在水星轨道上进行了严格的检验（由插图III中的人物主导，对太阳质量引起的光的引力偏折的预言的检验广受推崇，但仔细想想，证据似乎并不充分）。该理论可以成功地外推到在可观测宇宙这一广阔尺度上的应用，这是一个了不起的结果。
广义相对论是电磁学在平坦时空中的优雅延伸。有人说，这是一个等待被发现的理论（事后说这些总是很容易的）。对其外推法的信念体现了非实证性理论评估的强大影响力和实际的成功。当然，非实证性评估太有影响力可能会误导他人：请考虑一下，在20世纪30年代至90年代，很少有人会反对某些权威专家的观点，即爱因斯坦的宇宙学常数Λ肯定会被抛弃。现有证据表明，以新名称“暗能量”命名的Λ是我们久经检验的宇宙学的重要组成部分。
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