著者：黃媂

『天文學(xué)的第一性原理』被稱為「宇宙學(xué)原理」，這個詞當(dāng)中的含義就是——擁有生命的地球在宇宙中是很普遍的一點也不特殊。

或許你對這個詞的含義感到很驚訝，「宇宙學(xué)原理」憑借什么能夠成為『天文學(xué)的第一性原理』，在回答這個問題之前，首先要了解天文學(xué)的難處。

?

天文學(xué)是一個研究遙遠(yuǎn)區(qū)域的學(xué)科

天文學(xué)所研究的對象都是我們目前無法近距離觀察的。簡單地說如果可以近距離或者可以踏足去觀察的對象，就不能稱得上是天文學(xué)的領(lǐng)域了。

舉例說明：

在人類第1次登上月球之前，也就是人類還沒有辦法登上月球的時候，月球還是屬于天文學(xué)的，可是當(dāng)人類可以登上月球的時候，月球就不再屬于天文學(xué)領(lǐng)域了，這個時候月球是屬于地質(zhì)學(xué)的，因為研究月球的主力科學(xué)家是地質(zhì)學(xué)家，比如我國的登月項目，首席科學(xué)家都是以地質(zhì)學(xué)家為主，因此天文學(xué)的使命就是研究遙遠(yuǎn)的區(qū)域。

人類的研究朝向哪里，天文學(xué)就會跟著擴(kuò)張到哪里。相反地，人類能夠近距離或者踏足的時候就不再歸納為天文學(xué)，所以說天文學(xué)最大的困難就是去觀測那些遙遠(yuǎn)的區(qū)域，因此就局限了我們只能夠從遠(yuǎn)距離進(jìn)行觀測，而且能夠得到的數(shù)據(jù)和信息也是非常有限的，但是憑借「宇宙學(xué)原理」人類和地球不特殊這一點，就可以從中發(fā)現(xiàn)更多有關(guān)宇宙真相的信息。

?

圖解：登月

舉例說明：

目前所有的探測器只能從遠(yuǎn)距離對恒星進(jìn)行觀測，但是目前已經(jīng)掌握了一些有關(guān)恒星的信息：

1.距離地球比較近的太陽的核心正發(fā)生著核聚變，這是近距離的數(shù)據(jù)和信息。

2.距離地球比較遠(yuǎn)的參宿四即將又或者已經(jīng)發(fā)生爆炸了。這是遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)和信息。

3.距離地球更遠(yuǎn)的區(qū)域在138億年前發(fā)生過一次大爆炸，宇宙就是在這個時刻誕生的。這是極其遙遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)和信息。

總結(jié)以上的3點就是目前已經(jīng)根據(jù)相關(guān)信息推測到了宇宙的開端，但是還有更多關(guān)于宇宙秘密的信息需要探索，天文學(xué)家之所以會有這樣的動力全都依賴他們始終都相信「宇宙學(xué)原理」背后的含義——像地球這樣擁有生命的星球在宇宙中是很普遍的。假如天文學(xué)家承認(rèn)了擁有生命的地球在宇宙中是特殊的，那么就沒有必要再去探索宇宙了，因為除了地球以外擁有生命的星球在宇宙中不可能會有第二顆。但是天文學(xué)家相信「宇宙學(xué)原理」的含義就是地球上擁有的生命在宇宙其他地方也應(yīng)該有，也就是說把在地球上研究出來的知識和規(guī)律應(yīng)用到宇宙的其他地方去尋找地外文明和適合生命存活的星球。

?

「宇宙學(xué)原理」與真實的宇宙秘密

天文學(xué)家通過望遠(yuǎn)鏡探測到遙遠(yuǎn)區(qū)域的一顆星星所發(fā)出的奇異光，天文學(xué)家完全不用近距離或者登陸到那顆星球上，依然可以應(yīng)用在地球上研究出來的知識和規(guī)律去分析這顆星球它為什么會發(fā)出奇異的光，天文學(xué)就可以突破上億光年的距離封鎖去對這個星球進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)宇宙的奧秘全都?xì)w功于「宇宙學(xué)原理」。假如把「宇宙學(xué)原理」從天文學(xué)中去除掉的話，那么人類的文明注定是一個患上了“自閉癥”的文明。

舉例說明：

天文學(xué)家弗里茨·茲維基在1937年對一個星系團(tuán)進(jìn)行了觀察，他驚奇地發(fā)現(xiàn)這個星系團(tuán)所包含的每一個星系會在引力的作用下相互繞轉(zhuǎn)并且向著中心點慢慢靠攏聚合在一起。事實證明弗里茨·茲維基的觀測結(jié)果在本星系團(tuán)也有發(fā)生，最典型的案例就是銀河系與仙女座星系它們在相互繞轉(zhuǎn)并且45億年之后會碰撞。

?

圖解：銀河系與仙女座星系45億年之后碰撞示意圖

以上的例子就足以說明像星系這種龐大結(jié)構(gòu)它們之間也會因為引力聚合在一起，在引力的作用下星系也會相互繞轉(zhuǎn)而運動，天文學(xué)家相信「宇宙學(xué)原理」在整個宇宙都是通用的，因此只要有引力存在地方，這個地方無論是地球或是遙遠(yuǎn)的宇宙空間，萬有引力定理的規(guī)律都是一致的，但是弗里茨·茲維基發(fā)現(xiàn)的那個星系團(tuán)與目前觀察到的所有星系團(tuán)的規(guī)律卻有著很大的差異。

假如把地球上的引力應(yīng)用到弗里茨·茲維基發(fā)現(xiàn)的那個星系團(tuán)中，就會與地球的規(guī)律不符合，因為這些星系移動的速率實在是太快了，用目前已知的所有知識都無法解釋星系究竟被什么力量緊緊束縛住，使得這些星系不被離心力甩開，但是觀測結(jié)果表明這些星系不但不被甩開而且還會相互靠近，因此這個星系團(tuán)告訴了我們一個真實的宇宙秘密。

?

圖解：星系旋轉(zhuǎn)速度測量與理論值對比

可能有人會問是「宇宙學(xué)原理」失效了嗎？「宇宙學(xué)原理」還能被相信嗎？

答：不相信又可以怎么樣呢！

假如我們選擇了不再相信「宇宙學(xué)原理」，把弗里茨·茲維基發(fā)現(xiàn)的那個星系團(tuán)看作是一個特殊的案例，既然把這個星系團(tuán)列為了特例，如果某一天又發(fā)現(xiàn)了一個與弗里茨·茲維基發(fā)現(xiàn)的星系團(tuán)一樣的星系，這個星系同樣是被一種神奇的力量所縛、與地球上的引力規(guī)律也不同、也不會因為離心力的作用被甩開，那么也把這個星系視為一個特殊的案例，從今以后對宇宙進(jìn)行觀察的時候發(fā)現(xiàn)有類似的星系就將它們通通列入特殊的案例，按照這樣的處理方案歸納下去，整個宇宙就變成了一個特殊天體的大綱。

但是天文學(xué)家始終選擇相信「宇宙學(xué)原理」是不會錯的，如果有出錯的地方就一定是他們的測量數(shù)據(jù)，一定是某個數(shù)據(jù)、某個地方出錯了或者觀測的手段錯了或者遺漏了某點，這樣天文學(xué)家就會不斷地探測，不斷更正數(shù)據(jù)，就是這種探測的態(tài)度，天文學(xué)家于是從弗里茨·茲維基發(fā)現(xiàn)的那個星系團(tuán)里探索出了新的宇宙秘密——「暗物質(zhì)」，這是一種全新的有關(guān)宇宙的觀點，「暗物質(zhì)」是看不見、摸不著的透明實體，也會產(chǎn)生引力，就是這種虛無縹緲的新物質(zhì)讓星系團(tuán)緊緊束縛在一起。

?

圖解：「暗物質(zhì)」模擬圖

「暗物質(zhì)」可以把「宇宙學(xué)原理」失效這個問題解決，但是又給天文學(xué)帶來了更多的天文學(xué)問

參照目前最新的估算數(shù)值，宇宙是由26.8%的暗物質(zhì)、4.9%的可見普通物質(zhì)以及68.3%的暗能量組成，「暗物質(zhì)」是普通物質(zhì)的5.4倍，也就是說自從探索了宇宙之后發(fā)現(xiàn)整個宇宙所擁有的物質(zhì)不僅只有普通物質(zhì)，看不見、摸不著的暗物質(zhì)物和暗能量就是宇宙的核心組成部分，二者遍布于宇宙中的每一個角落，甚至你與我都被它們包圍著。

?

圖解：宇宙成分

自從發(fā)現(xiàn)了有「暗物質(zhì)」的存在之后，科學(xué)家不得不重新修改底層理論，因為目前的理論都接受所有的物質(zhì)都是由夸克、電子等等60多個基本粒子組成的，但是「暗物質(zhì)」這一種全新的物質(zhì)是一個未解之謎，科學(xué)家并不能證明暗物質(zhì)是由什么組成的，那么暗物質(zhì)的底層理論又是什么？

暗物質(zhì)是由什么組成的？暗物質(zhì)的底層理論又是什么？這兩個問題「暗物質(zhì)」給宇宙學(xué)帶來了更多的學(xué)問，是天文學(xué)家、化學(xué)家和物理學(xué)家都必須要解決的難題，遺憾的是目前根本沒有能力可以把這兩個難題解決掉。解決不掉但并不代表「暗物質(zhì)」是絆腳石，這只是暫時還沒有找到答案，關(guān)于「暗物質(zhì)」的難題遲早會被解決的，因為天文學(xué)發(fā)展的常態(tài)就是——當(dāng)天文學(xué)用出「宇宙學(xué)原理」的時候，對宇宙的認(rèn)識就會多一點，因此「宇宙學(xué)原理」并不只是無奈的選擇，更是偉人的成功經(jīng)驗，就因為有未解之謎的存在才會讓科學(xué)家有去發(fā)現(xiàn)宇宙真相的動力。

?

圖解：物質(zhì)都是由夸克、電子等等60多個基本粒子組成的

哥白尼是第一個提出「宇宙學(xué)原理」的人，「宇宙學(xué)原理」成功地把地心說打敗了，日心說成為「宇宙學(xué)原理」的第一場勝利代表作，第一個繼承「宇宙學(xué)原理」的人是開普勒，他將地球看作一顆普通的行星之后，經(jīng)過不懈的努力終于得到了行星運動的規(guī)律，開普勒三大定律能夠精確地預(yù)測行星的移動軌道。讓「宇宙學(xué)原理」發(fā)揚光大的是牛頓，牛頓始終相信維持著宇宙中星球運轉(zhuǎn)的力量是和導(dǎo)致地球上蘋果掉落的力量是一樣的，所以他提出了萬有引力定律，天文學(xué)家依靠萬有引力定律就可以發(fā)現(xiàn)一顆新的行星。

讓哥白尼、開普勒、牛頓能夠被載入史冊的原因就是因為他們相信「宇宙學(xué)原理」，他們都相信擁有生命的地球在宇宙中是很普遍的一點也不特殊。這種觀念能夠讓天文學(xué)邁出第1步，所以「宇宙學(xué)原理」是『天文學(xué)的第一性原理』。

?

黃媂·總結(jié)

1.「宇宙學(xué)原理」當(dāng)中的含義就是——擁有生命的地球在宇宙中是很普遍的一點也不特殊，在地球上出現(xiàn)的規(guī)律在宇宙中的每一個角落都會出現(xiàn)。

2.「宇宙學(xué)原理」是科學(xué)家對宇宙真實情況的一個猜測，是一個鮮艷的理念，假如沒有「宇宙學(xué)原理」天文學(xué)就無法開展。

3.「宇宙學(xué)原理」不只是科學(xué)家的猜測，隨著天文學(xué)的發(fā)展它也被大量的事實驗證。


關(guān)注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復(fù)【最新活動】，了解近期科普活動
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復(fù)【研學(xué)營】，了解最新科普研學(xué)營
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識】，學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識
回復(fù)【博物學(xué)院】，了解更多博物學(xué)院活動詳情
?