宇宙學是物理學和天體物理學的一個分支，它主要研究的是宇宙的發(fā)展歷史（包括宇宙的起源，宇宙的膨脹，宇宙的演化），宇宙的結構（包括空間幾何的多種可能性，元素構成），及宇宙存在的形式（即不同可能性下宇宙的理論模型）。它主要利用物理和數(shù)學方法來對宇宙的真實樣貌進行預言假設，并通過觀測宇宙學來對不同的模型進行驗證。這個學科和大眾所認知的“看星星”的天文學有所差異，更偏向理論，但由于本人也學不會廣義相對論，所以我更愿意用大白話向別人解釋這些東西。首先，認識宇宙學之前，我們必須知道宇宙學原理。
宇宙學原理
宇宙學原理：宇宙在大尺度的結構上，應該是均勻的和各向同性的。
首先我們必須知道，宇宙學原理，它實際上并不是一個真實的原理，而是一種合理的假設，基于這個假設我們才可以得到更多的理論，這個假設限制了許多看似合理的宇宙學理論，并且在各種驗證下也表明這個假設是合理的。
接著我們來理解這個假設。
均勻性，代表宇宙在每個點都是一樣的，沒有哪個點可以認為是宇宙的中心，大家都是一樣的。我們可以說，宇宙沒有中心，或者，宇宙每一處都是中心。
各向同性，代表了宇宙在每個方向上都是一樣的。這是說，我們站在地球上朝不同方向看，四面八方的宇宙應該是是沒有差異的，而我們在宇宙中任選一個地方，仍然朝不同地方看，無論在哪里，這么看都是沒有差異的。
看完這兩個定義，你肯定會問：那不對啊，你說均勻性，那咱們的太陽系，不同行星間的距離，還有小行星帶，就不均勻啊，你說各向同性，那咱們位于銀河系邊緣，那我們往銀河系外看，和往銀心看，肯定是不一樣的啊。如果你有這樣的疑問，很好，說明你已經(jīng)對宇宙產(chǎn)生了思考。
所以宇宙學原理還有一個很重要的前提，那就是大尺度的結構。什么意思呢，讓我們舉一個通俗的例子。想必大家都見過學校食堂的紫菜蛋花湯吧，就是那個你怎么撈都只有湯的紫菜蛋花湯。想象現(xiàn)在有一桶紫菜蛋花湯在你面前，我們先把它攪拌一下，這時候，我們隨便撈幾勺放在不同的碗里，很大概率上，這幾個碗里的湯所包含的紫菜和蛋花的數(shù)量是不一樣的。但是我們看這一整桶的紫菜蛋花湯（攪拌均勻后），你會覺得，這紫菜蛋花明顯就是均勻分布的啊，怎么我就撈不上來了呢？
是的，我們的宇宙就是這紫菜蛋花湯，我們的星系，星團就是這紫菜蛋花，整個空間就是湯，我們隨便取一個小范圍（宇宙意義上的小范圍），很顯然，不同的小范圍內(nèi)包含的星系，恒星數(shù)量肯定是不一樣的，但這并不代表均勻性的假設是不正確的。正如我所說，我們看這桶紫菜蛋花湯，它在大致均勻的，所以當我們看整個宇宙時，它也是大致均勻的，宇宙學原理只有在大尺度的宇宙范圍內(nèi)才成立。
奧伯斯佯謬(Olber’s Paradox)
奧伯斯佯謬是德國天文學家奧伯斯提出的。
我們想，如果這個宇宙是滿足宇宙學原理的，也就是說宇宙是均勻的和各向同性的，那么，我們在地球上，隨便指一個方向，沿著這個方向一直走下去，無論多遠，我們一定會碰到一顆恒星，它可能離我們幾光年，也可能幾億光年。（比如你拿一根筷子伸到紫菜蛋花湯里，四處亂攪一定會碰到紫菜或者蛋花）
于是這就存在這么一個問題，既然每個點的盡頭都有一顆恒星，那為什么我們會有黑夜和白天之分？為什么在地球上看，天上不是布滿星星而隨時照亮大地，而是有的地方星星密集有的地方星星稀疏？
這里我們要引入一個概念，紅移。當一束光遠離我們而去（速度要足夠）的時候，它的顏色會偏紅，比如我們拿一個發(fā)白光的手電筒，以光速遠離我們，這時候我們看到手電筒發(fā)光應該偏紅色而不是白色。具體原理這里就不贅述了，想了解的朋友可以參見多普勒紅移
讓我們繼續(xù)來看奧伯斯佯謬。在奧伯斯提出這個問題之后，事情很快就得到了解決。
有兩種合理的解釋:1、宇宙的年齡是有限的；2、宇宙正在紅移。
首先，宇宙的紅移，表示了天體正在遠離我們，也就是我們通常所說的，宇宙在膨脹，這是我們觀測的結果，之后會專門探討。其次，我們的宇宙并不是一直存在的，而是有一個起點，所以當宇宙誕生開始，它就在不停膨脹。我們想象一個場景，一個人拿著一把槍對你射擊，他離你越遠，子彈到達你的時間就要越久。這時候，那個人就是天體，子彈就是光，天體在不停離我們遠去，所以光到達我們的時間也就越來越長。
并且，我們先考慮一個勻速膨脹的宇宙，那么最遠處的天體的光到達我們的時間，應該就和宇宙年齡一樣。但事實上，宇宙是在加速膨脹的（之后討論），這意味著最遠處的光到達我們所需要的時間是遠大于宇宙年齡的！這意味著在一個范圍外的天體，它們的光還沒來得及到達地球，也就沒法被我們觀測到，所以我們的天空并不是布滿星星的，這就解決了奧伯斯佯謬。
事實上，根據(jù)這個思路，我們很容易知道，在一個范圍外的光，是永遠不可能到達地球的，這就讓我們無法知道宇宙的真實大小。而我們現(xiàn)今所探討的宇宙大小，是被稱作可觀測宇宙的一個概念，顧名思義，在可觀測宇宙內(nèi)的光可以到達地球，而在此范圍外的光，可能還沒到達地球，可能永遠也到不了了
宇宙大爆炸
我們最想知道的問題應該是，大爆炸是在哪里發(fā)生的？很多人可能知道奇點的概念：大概意思是，既然我們發(fā)現(xiàn)我們的宇宙現(xiàn)在是在膨脹的，那么時間進行倒退，宇宙應該會不停收縮，最終回到一個質(zhì)量無限大的點，這就是我們通常所說的奇點，也被我們認為是宇宙大爆炸也就是宇宙起源的地方。所以，當被問到宇宙大爆炸是在哪里發(fā)生的，大多數(shù)人應該會說，那是在一個特定的點吧！但事實上并非如此。
我們應該知道，宇宙學原理是大爆炸宇宙學的基礎，也就是說，我們時刻都得記住，我們的宇宙在大尺度上是均勻的，我們的宇宙沒有中心點，所以，如果宇宙大爆炸是在一個點進行并且向周圍膨脹的，那我們的宇宙就有了中心點和邊緣，這顯然是和宇宙學原理背道而馳的。
讓我們來考慮一個簡單的爆炸現(xiàn)象，比如電影里看到的炸彈爆炸，它是能量從一個小炸彈里突然釋放到四周的空間，能量充滿整個火焰到達的區(qū)域，這時候的爆炸，是能量在已有空間中的傳播。也就是說，這個空間（比如說一個商場），它是在炸彈爆炸前就存在的，或者說，無論炸彈是否爆炸，這個空間都存在。這是我們傳統(tǒng)的爆炸，即物質(zhì)穿過已經(jīng)存在的空間。
但宇宙大爆炸并非如此，時間和空間是在宇宙大爆炸的那瞬間被創(chuàng)造的。為了更好的理解，我們應該把宇宙大爆炸當做一個時間點，而不是一個事件，它只是代表了一個時間點，一個時間和空間共同被創(chuàng)造的時間點，而不是真正意義上的從一個點向四處擴散的“爆炸”。所以我們可以說，宇宙大爆炸發(fā)生在每個地方，一定一定要記住，我們說的不是很多個點同時進行傳統(tǒng)意義上的“爆炸”，而是這整個空間和時間的誕生。如果任意選擇我們現(xiàn)在宇宙中的一點，追溯它的過去，都會回到一個“爆炸點”。所以我們說大爆炸是發(fā)生在”everywhere”。
再考慮現(xiàn)在的空間。假設我們是一種二維生物（因為我們是三維生物，所以我們沒法站在四維角度看清我們的世界），比如螞蟻，現(xiàn)在有一個氣球，我們給它進行吹氣，螞蟻在氣球上爬行。一開始氣球是皺巴巴的，我們可以認為氣球的表面是在一個點，但隨著氣球慢慢被吹大，氣球表面上的同兩個點距離也慢慢變遠，這時候膨脹開始的點應該在氣球的內(nèi)部，也就是說，對于氣球表面上的螞蟻，它是永遠無法再到達內(nèi)部了，更通俗的說，對于氣球變大后的螞蟻而言，它們的世界里沒有膨脹開始的點（我們是從三維看它們，我們知道內(nèi)部有個起始點，但它們生活在球面上，它們永遠無法看到）。
類比到我們的宇宙，我們的宇宙在不停膨脹，所以我們根本無法知道我們開始的點在哪里，對于我們現(xiàn)在的世界，那些起始點已經(jīng)不存在于我們所生活的世界了。你可能會感到奇怪，膨脹不就是三維的嗎，為什么我們看不到呢，但你忽略了時間，我們把三維空間和一維時間加在一起稱作四維時空，宇宙大爆炸是時間和空間的起始點，所以我們不能僅僅考慮空間上的膨脹，應該再考慮時間上的流逝，或者你可以這么理解，昨天的世界和今天的世界不是同個世界，雖然地點（即空間）相同，但這兩個世界位于時間軸上的不同位置。因此，基于以上的討論，宇宙大爆炸發(fā)生的地點根本不存在我們現(xiàn)在的時空中，所以我們可以說，大爆炸發(fā)生在”nowhere”。
所以當有人問你，宇宙大爆炸究竟發(fā)生在哪里時，答案應該是”everywhere and nowhere”。從宇宙大爆炸的那個時間來說，是everywhere，從現(xiàn)在的時間點來說，是nowhere。
宇宙學中所說的宇宙大爆炸是一個描述現(xiàn)在宇宙所用的模型，它對宇宙的形成給出了合理的解釋，而這里我只是闡述了“大爆炸”那個時間點，我們一般認為那是在138億年前，但其實在那之后還有很多故事，大爆炸模型還有很多過程，包括核合成、復合時期、光子退耦、暴脹宇宙等等一系列宇宙的發(fā)展，還包括對不同物質(zhì)含量的假設下宇宙的幾何和宿命。
