宇宙學 或宇宙論 (英語:Cosmology )[ 註 1] ,是對宇宙整體的研究,並且延伸探討至人類在宇宙中的地位。雖然宇宙學這個詞是最近才有的,但人們對宇宙的研究已經有很長的一段歷史,牽涉到科學 、哲學 、神秘学 以及宗教 。
最近,天文物理學在物理宇宙學 (藉由科學觀察與實驗來了解宇宙)的發展上扮演了核心的角色。這個學科專注在宇宙最為巨觀且最早期的面向,一般被理解為由大爆炸 起頭。大爆炸指的是空間的膨脹,而到目前為止,宇宙被認為於137億年前由此膨脹產生。從宇宙劇烈的發生直至它的結束,科學家認為宇宙的整個歷史是一個有秩序的、且在物理定律的支配之下的進程。
物理宇宙學是物理學和天體物理學的分支,專門研究宇宙的物理起源及其演化。這學科亦會從最大的尺度去研究宇宙的本質。
在過往,希臘哲學家認為天是一個天球 ,當中的機械原理,就成為了現時天體力學 的內容。在當時,阿里斯塔克斯 、亞里士多德 及托勒密 曾提出過幾個不同的天體學 理論,當中以托勒密用來解說天體運作的地心說 被廣為接受,直到16世紀時為哥白尼 所推翻,並得到開普勒 及伽里略 等人提出的新日心說 理論所取代。這事件成為了宇宙物理學的一個最著名的認識論斷裂 ( 英语 : epistemological rupture ) 的例子。
隨着牛頓 及其於1687年出版的《自然哲学的数学原理 》的出現,長久以來有關天體的運動問題終於被解決了。牛頓為開普勒定律 的機制提供了物理上的解釋,而他的萬有引力定律 使過往難以解釋的各種奇特天文現象,例如行星逆行的現象,都可以透過行星間的引力相互作用而解釋。牛頓的天體學理論與先前的理論在根本上最大的分別,在於哥白尼原則 只提出地球在宇宙裡沒有特殊地位,而牛頓卻更進一步的指出:不論是天體和地球,兩者皆遵守着相同的物理法則 。這一點在宇宙物理學的進展來說是很重要的。
近代宇宙學通常以1917年愛因斯坦 發表廣義相對論 做為分界。愛因斯坦於論文《廣義相對論的宇宙學考量》(該論文在第一次世界大戰 前並未普遍流傳到德國 之外)中發表廣義相對論。廣義相對論暗示物理學家諸如威廉·德西特 、卡爾·史瓦西 及亞瑟·愛丁頓 等人去探究這理論的天文現象,這使天文學者有能力去探究極遠處的天體。在這之前,物理學家都假設宇宙是穩定無變化的。
另一方面,宇宙學有個歷史悠久的說法:宇宙結構曾經達到頂峰。威爾遜山的天文學家哈羅·沙普利 推崇僅由一個銀河恆星系統所組成的宇宙模型,而希伯·柯蒂斯 反駁此想法,認為這只是以自己所在的螺旋星系 做推測,是島宇宙。雙方之爭在1920年4月26日的華盛頓國家科學院會議中達到高潮,史稱「沙普利-柯蒂斯之爭」。此辯論的結論促使愛德溫·哈伯 在1923到1924年間去觀測仙女座星系 中的超新星 。這些星體的位置後來確認了銀河系 外圍附近螺旋星系的距離。
隨後愛因斯坦於1917年的論文中引入宇宙常數 ,再度創造了研究宇宙的可能性。因宇宙常數的大小可能導致宇宙膨脹,於是比利時 牧師喬治·勒梅特 於1927年提出大霹靂 模型,隨後由哈勃在1929年發現的紅移 與1964年阿諾·彭齊亞斯 與羅伯特·威爾遜 所發現的宇宙微波背景輻射 證實。這些發現第一步排除了許多替代的宇宙模型。
最近由COBE及WMAP衛星觀測的宇宙微波背景提供了很有意義的結果。當這些觀測與一種稱為宇宙暴漲模型(標準大霹靂模型的規範)的預測吻合時,在許多科學家眼中,這將宇宙學由非常投機的科學化成預測的科學,進入了近代的「宇宙學黃金年代」。
其他相關學說:
^ 英语源自於希臘文的κοσμολογία(cosmologia, κόσμος(cosmos) order + λογια(logia) discourse Wright, Ned, "Cosmology tutorial and FAQ (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ) ". Division of Astronomy & Astrophysics, UCLA. Jordan, Thomas F., "Cosmology calculations almost without general relativity (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ) ". (arXiv.org ) Madore, Barry F., "Level 5 (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ) : A Knowledgebase for Extragalactic Astronomy and Cosmology ". Caltech and Carnegie. Pasadena, California, USA. Hoiland, Paul, "Modern Cosmology Examined ". Gouldsboro, Maine. Kavli Institute for Cosmological Physics (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ).University of Chicago ,Chicago, Illinois .Tyler, Pat, and Phil Newman "Beyond Einstein (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ) ". Laboratory for High Energy Astrophysics (LHEA)NASA Goddard Space Flight Center. 宇宙學十大不可思議 (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 )