物理宇宙学

物理宇宙学是天体物理学的一个分支，专门研究宇宙空间的大尺度结构，物理宇宙学关注回答有关宇宙结构、宇宙起源、形成和演化的基本问题，并试图预测宇宙的结束方式，物理宇宙学涉及研究恒星体的运动和第一个原因。这些问题和领域长期以来一直是哲学的范畴，特别是形而上学，但自从哥白尼的概念出现以来，它已成为有助于理解恒星和行星的运动和轨道的经验科学，而不是哲学思维。

在爱因斯坦的相对论出现之后，它被认为是二十世纪物理宇宙学的真正开端，特别是广义相对论，它描述了宇宙空间的几何形状，尤其是在后来天文观测设备证实了广义相对论的准确预测之后。 大型天文台还使我们能够看到宇宙物体，星系离我们如此之远，以至于银河系估计距离我们的银河系数十亿光年，并了解它们的特征和特性。

这种技术进步改变了人们对宇宙起源的看法，有几种不同的观察结果导致物理学家思考宇宙起源的大爆炸理论，这一理论仍然在任何其他思想中占主导地位，并已成为大多数研究人员相信的模型。但一些科学家仍然相信宇宙起源和形成的另一种模型，即宇宙的稳态理论，但经验观察倾向于大爆炸模型。

物理宇宙学依赖于许多物理研究领域，包括基本粒子的实验和研究、弦理论、天体物理学、广义相对论和等离子体物理学。在这样做的过程中，它将宇宙超大质量宇宙天体的物理学场与宇宙最小基本粒子的物理学场相结合。

氢和氦等较轻的化学元素是在大爆炸期间通过核合成过程产生的。 在一系列恒星核合成反应中，较小的原子核与较大的原子核结合，最终形成具有最高核结合电位的固定铁族元素，如铁和镍。净过程导致随后的能量释放，这发生在大爆炸之后。这些核粒子相互作用可以触发恒星变化的能量突然释放。物质中引力的坍缩及其转化为黑洞也支持更活跃的过程，这些过程通常出现在星系的核区域并形成半恒星和星系。

宇宙学家无法用传统形式的能量完全解释所有宇宙现象，例如与宇宙加速膨胀有关的现象。相反，宇宙学家提出了一种称为暗能量的新能量形式，它渗透到所有空间。 一种假设是，暗能量只是真空能量，是与由于不确定性原理而存在的假设粒子相关的空隙的组成部分。

尽管引力理论是最广泛接受的，但没有明确的方法可以使用广义相对论确定宇宙中的总能量。因此，确定宇宙中的总能量是否在膨胀仍然存在争议。例如，每个穿过星际空间的光子都会由于光谱向红色移动的影响而损失能量。这种能量没有明显地转移到任何其他系统，所以它似乎永久丢失了。另一方面，一些宇宙学家坚持认为能量在某种程度上是守恒的。这是由于能量守恒原理。

宇宙热力学是一个广泛的研究领域，可以探索宇宙中任何形式的主导能量，例如称为辐射的相对粒子或称为物质的非相对粒子。相对论性粒子是剩余质量与动能相比为零或可以忽略不计的粒子，因此以光速或接近光速运动;非相对论性粒子的质量远大于其能量，因此运动速度比光速慢得多。

随着宇宙的膨胀，物质和辐射会减弱。然而，辐射和材料的能量密度以不同的速率减弱。随着一定体积的扩大，质量的能量密度仅通过增加体积来改变，但辐射的能量密度会随着尺寸的增加和构成它的光子波长的增加而改变。因此，在宇宙膨胀过程中，辐射能成为宇宙总能量和物质能量的一小部分。据说宇宙很早就在辐射方面占主导地位，辐射在减缓膨胀方面占主导地位。后来，鉴于光子中的平均能量变为10伏特或更低，物质控制了减速的速度，宇宙“控制了物质”。从分析上讲，中间状态没有得到很好的处理。随着宇宙的不断膨胀，物质进一步减弱，宇宙学常数占主导地位，加速了宇宙的膨胀。

来自大爆炸核合成、宇宙微波辐射的背景以及结构和星系旋转曲线的形成的证据表明，宇宙质量的约23%由非重子暗物质组成，而只有4%是重子可见物质。暗物质的副作用是可以理解的，因为它的行为就像一种冰冷的非放射性液体，在星系周围形成光晕。暗物质尚未在实验室中被发现，暗物质中粒子物理学的本质仍不完全清楚。

如果宇宙是平坦的，那么必须有一个额外的成分，由宇宙能量密度的73%加上23%的暗物质和4%的重子组成。这被称为暗能量。为了不干扰大爆炸的核合成和宇宙微波辐射的背景，它们不能积聚在重子和暗物质等晕中。暗能量有很强的观测证据，因为宇宙的总能量密度是通过使宇宙扁平化的局限性来知道的，但收集的物质量是严格测量的，这要低得多。暗能量的状态在1999年得到提升，当时测量证明宇宙的膨胀正在逐渐加速。