文/张天蓉
远古时候的人，对宇宙只能想象，谈不上“研究”，只有当越来越多的星球、星系、星系团被我们观测到之后，才有可能在大尺度的范围内来观测和研究宇宙应该呈现的面貌，这便是宇宙学的目的。
宇宙学有两个基本假设，我们称之为宇宙学原理，指的是在大尺度的观测下，宇宙是均匀和各向同性的。也就是说，就大尺度而言，你在宇宙中的任何位置，朝任何方向看，都应该是一样的。
宇宙学原理只在“大尺度观测”下才成立。何谓大尺度？打个日常生活中的比方，如果我们从“大尺度”的角度来观察一杯牛奶，看起来是一杯均匀和各向同性的白色液体。但是，如果从微观角度看，便有所不同了，其中有各种各样的分子和原子，分布很不均匀，各向异性。如果设想有一种微观世界的极小生物（只能假想，细菌也比它大多了），生活在这杯牛奶中某个原子的电子上，犹如我们人类生活在地球上。原子核就是它们的“太阳”。一开始，这种生物只知道它们能够观察到的原子世界，即它们的“太阳系”。 细菌朝四面八方观察，显然不是各向同性的，因为一边有太阳，一边没太阳。后来，细菌们跳出了太阳系，看到了原子之外原来还有巨大的分子，它们所在的原子不过是大分子中的一个极小部分。再后来，它们又认识到它们的“牛奶”世界中还有其他各种各样的分子：水分子、蛋白分子、脂肪分子、糖分子等。
用上面的比喻可以说明天文学和宇宙学研究对象的区别。微小细菌的“天文学”研究的是氢原子、水分子等各种原子和分子；而它们的“宇宙学”研究些什么呢？那是它们“跳”出它们的小世界之后，把这杯牛奶作为一个“整体”来研究，这杯牛奶的质量、颜色、密度、流动性等。也许还可以研究这杯奶的来源：在母牛的身体内是如何分泌、产生出来的？所以，所谓大尺度，研究的就是这些只与整体有关，不管分子、原子细节的性质。
我们将要介绍的宇宙学研究也是这样，不像天文学那样研究个别的、具体的恒星、星系或星系群。我们需要“跳”出地球，“跳”出银河系，站在更高处，将宇宙作为一个整体“系统”来看待，研究宇宙的质量密度、膨胀速度、有限还是无限、演化过程、从何而来、将来的命运等。
在天文学家眼中，一个星系是千万颗恒星的集合，而在宇宙学家眼中，一个星系只是他所研究的对象中的一个“点”。
在宇宙的大尺度上，引力起着重要的作用。物理学引力理论中有牛顿万有引力和广义相对论两个里程碑，分别对应于两种不同的宇宙图景和宇宙学：牛顿的宇宙模型，以及现代物理中以大爆炸学说为代表的宇宙标准模型。
虽然牛顿理论可以当作广义相对论在弱引力场和低速条件下的近似，但就其物理思想而言，牛顿理论有两个根本的局限性。一是认为时间和空间是绝对的，始终保持相似和不变，与其中物质的运动状态无关。因而，牛顿的宇宙图景只能是永恒的、稳定的、无限大的。二是牛顿理论中的“力”，是一种瞬时超距作用，光速是无限大，但这点与实验事实相矛盾。牛顿理论中的万有引力也是瞬时传播，没有引力场的概念，引力作用传递不需要时间。从牛顿引力定律则不可能预言引力波。其次，牛顿宇宙图景需要的宇宙无限的假设，与牛顿理论之间存在着无法克服的内在逻辑矛盾，引起不少难以解释的佯谬。牛顿引力理论是弱引力条件下的理论，对于强引力场和大尺度作用范围是不适用的，很多时候，对宇宙时空的理解都涉及无穷大和无穷小的问题。矛盾和佯谬恰恰就由此产生。
那么，宇宙时空到底是有限还是无限的？物质是否可以“无限”地分下去？这些概念是否只是无限逼近的一个理论极限？其实，天文学、宇宙学、物理学研究的历史中，存在很多著名的疑问和佯谬，佯谬实质上就是科学家们提出的疑难问题。不断地发现、提出、研究、直至最终解决悖论佯谬，这就是科学研究的过程。科学中的悖论、佯谬是科学发展的产物，预示我们的认识即将进入一个新的阶段，上升到新水平。
牛顿宇宙学和现代宇宙学都遵循均匀各向同性的宇宙学原理。牛顿理论认为宇宙和时间空间都是静态和无限的，时间就是放在某处的一个绝对准确、均匀无限地流逝下去的“钟”，空间则像是一个巨大无比的有标准刻度的框架，物质分布在框架上。这种静态无限的传统宇宙观，初看起来简单明了，似乎容易被人接受，但却产生了不少佯谬，比如夜黑佯谬（也叫光度佯谬）、引力佯谬，以及与热力学相关的热寂说佯谬等。