空氣汙染氣象學

[拼音]：yuzhouxue

[英文]：cosmology

天文學的一個分支。它從整體的角度來研究宇宙的結構和演化。

宇宙學的發展在中國古代，關於宇宙的結構主要有三派學說，即蓋天說、渾天說和宣夜說。蓋天說認為大地是平坦的，天像一把傘覆蓋著大地；渾天說認為天地具有蛋狀結構，地在中心，天在周圍；宣夜說則認為天是無限而空虛的，星辰就懸浮在空虛之中。在古代希臘和羅馬，從公元前六世紀到公元一世紀，關於宇宙的構造和本原有過許多學說。如畢達哥拉斯學派的中心火焰說（設想宇宙中心有一團大火焰）；赫拉克利德的日心說；柏拉圖的正多面體宇宙結構模型等等。進入中世紀後，宇宙學被納入經院哲學體系，地心說佔據正統的地位（見地心體系）。十六世紀哥白尼倡導日心說（見日心體系）。到十七世紀，牛頓開闢了以力學方法研究宇宙學的途徑，建立了經典宇宙學。二十世紀以來，在大量的天文觀測資料和現代物理學的基礎上，產生了現代宇宙學。

從歷史上看，隨著時代的發展，作為宇宙學研究物件的天體系統，在深度和廣度上不斷擴充套件。古代自然哲學家所討論的天文學的宇宙，不外乎大地和天空。哥白尼在《天體執行論》一書中說“太陽是宇宙的中心”，意味著宇宙實質上就是太陽系。十八世紀天文學家引進“星系”一詞，當時這個詞在一定意義上說只不過是宇宙的同義語。二十世紀以來，天文觀測的尺度大大擴充套件，達到上百億年和上百億光年的時空區域。現代宇宙學所研究的課題，就是現今觀測直接或間接所及的整個天區的大尺度特徵，即大尺度時空的性質、物質運動的形態和規律。

現代宇宙學包括密切聯絡的兩個方面，即觀測宇宙學和理論宇宙學。前者側重於發現大尺度的觀測特徵，後者側重於研究宇宙的運動學和動力學以及建立宇宙模型。

系統性特徵

觀測宇宙學已經發現，在目前觀測所及的天區上，存在著一些大尺度的系統性特徵。

（1）河外天體譜線紅移除了幾個近距星系之外，河外天體譜線大都有紅移，而且絕大多數是一致紅移，即各種譜線的紅移量是相等的。此外，在星系團尺度上，對於不同型別的星系，在各自的紅移量與視星等之間、紅移與星系角徑之間存在著系統性的關係。它們反映著紅移量與距離之間的規律（見紅移－視星等關係）。

（2）微波背景輻射在整個背景輻射中，微波波段比其他波段都強，譜型接近溫度為3K的黑體輻射。微波背景輻射大致是各向同性的。這種輻射的小尺度起伏不超過千分之二、三；大尺度的起伏則更小一些。

（3）星系的形態河外星系的形態雖有多種，但絕大多數星系都可歸納為不多的幾種型別，即橢圓星系、旋渦星系、棒旋星系、透鏡型星系和不規則星系。而且，各種型別星系的物理特徵，彌散範圍不算太大。例如，星系的質量雖然彌散在106～1013太陽質量的範圍內，但處在1011太陽質量附近的數目最多。

（4）天體時標從球狀星團的赫羅圖形狀可以判斷，較老的球狀星團的年齡差不多都達到 100億年左右。按照同位素年代學計算，太陽系中某些重元素是在50億到100億年前形成的，即最老天體的年齡都不超過200億年。

（5）氦丰度在宇宙中，氫和氦是最豐富的元素，二者丰度之和約佔99％。而且氫和氦的丰度比在許多不同的天體上均約為三比一左右。

（6）河外天體計數在大尺度範圍內，已對某一類天體進行了N(>S)∝Sβ統計，其中N(>S)表示視亮度大於S的該類天體的數目。例如，對於射電源，在S較大時，β≈1.8，而當S 較小時，β≈0.8。

這些大尺度上的現象，反映出大尺度天體系統具有特別的性質。它的結構、運動和演化並非小尺度天體系統的簡單延長。現代宇宙學正是以研究這一系列大尺度上所固有的特徵而與其他天文分支學科相區別的。

宇宙模型

宇宙模型主要包括三方面的問題，即大尺度上天體系統的結構特徵、運動形態和演化方式。關於大尺度上天體系統的結構，有兩種不同的模型。一種是均勻模型，另一種是等級模型。前者認為在大尺度上天體分佈基本上是均勻各向同性的，或者說，在大尺度上沒有任何形式的中心，沒有任何形式的特殊點，這種假定常常稱為宇宙學原理。等級模型則認為在任何尺度上，物質分佈都具有非均勻性，即天體分佈是逐級成團的。

河外天體的系統性紅移現象與大尺度的運動形態有密切關係。說明紅移現象的各種理論，都要涉及這個問題。大致說來，這些理論分為兩種型別：

（1）認為系統性紅移是系統性運動的反映，各種膨脹宇宙模型都屬於這一類。

（2）認為紅移現象不是系統性運動的結果，而是由另外的機制形成的。例如假定光子在傳播過程中，能量慢慢衰減；或者假定紅移是由天體本身結構不同而引起的，等等。

演化問題的探討，自從紅移發現之後就開始了，但大量的研究還是在微波背景輻射發現之後進行的。根據微波背景輻射的黑體譜，可以用某個溫度來標誌大尺度天區的性質。問題是：背景輻射從何而來？這個溫度是怎樣變化的？溫度變化對天體系統的狀態有什麼影響？這就是宇宙模型要回答的問題。按照大尺度特徵變化與否來區分，有穩恆態宇宙模型和演化態模型（見弗裡德曼宇宙模型、勒梅特宇宙模型）。前者認為大尺度上的物質分佈和物理性質不隨時間變化；後者則認為隨著時間的推移基本特徵有明顯變化。按照與溫度有關的演化方式來區分，則有熱模型和冷模型。前者主張溫度是從高到低，後者主張溫度是從低到高發展的。按照物質組成來區分，有“正”物質模型和“正-反”物質模型。前者主張宇宙全由“正”物質組成，後者主張由等量的“正”物質和“反”物質組成。在已有的各種宇宙模型中，以熱大爆炸宇宙模型最有影響，因為與其他模型相比，它能說明的觀測事實最多（見大爆炸宇宙學）。

參考書目

M.Rowan-Robinson， Cosmology， Clarendon， Oxford，1978.