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宇宙

2013-9-30 22:28|查看:4369|評論:0|字體: 繁體

宇宙中每一圓盤都是一個又一個的“星系”

 

宇宙中每一圓盤都是一個又一個的“星系

 

宇宙是由空間、時間、物質和能量,所構成的統一體。是一切空間和時間的總合。一般理解的宇宙指我們所存在的一個時空連續系統,包括其間的所有物質、能量和事件。對于這一體系的整體解釋構成了宇宙論。

 

近數世紀以來,科學家根據現代物理學和天文學,建立了關于宇宙的現代科學理論,稱為物理宇宙學。

 

根據相對論,信息的傳播速度有限,因此在某些情況下,例如在發生宇宙膨脹的情況下,距離我們非常遙遠的區域中我們將只能收到一小部分區域的信息,其他部分的信息將永遠無法傳播到我們的區域??梢員晃頤槍鄄獾降氖笨詹糠殖莆?a href="//www.albct.icu/article-16375-1.html" target="_blank">可觀測宇宙”、“可見宇宙”或“我們的宇宙”。應該強調的是,這是由于時空本身的結構造成的,與我們所用的觀測設備沒有關系。

 

宇宙大約是由4%的普通物質,23%的暗物質和73%的暗能量構成。

 

19世紀法國科普作家C.Flammarion書中的木刻插圖:旅行家以天球中探出頭來,探索宇宙運行的機制

 

19世紀法國科普作家C.Flammarion書中的木刻插圖:2019国庆节放假安排家以天球中探出頭來,探索宇宙運行的機制。

 

大爆炸理論中宇宙的歷史

 

現代物理宇宙學一般認為宇宙起源于大爆炸,即約137.3億(±1%)年前由一個密度極大,溫度極高的狀態膨脹而來。對于大爆炸以前的宇宙,目前只有一些猜測性的理論。而最新的研究則認為宇宙的年齡為156億年,但是這個說法還未得到公認。對于大爆炸以后的宇宙,則可以用較成熟的理論加以描述。一種典型的理論是:

 

10-43秒:宇宙從量子背景出現。

 

10-35秒:宇宙由夸克-膠子等離子體構成,強相互作用、引力與電磁相互作用/弱相互作用分開。

 

10-5秒:電子形成,宇宙主要包括光子、電子和中微子,溫度約1000億度。

 

10秒:質子和中子結合成氫、氦等原子核,溫度30億度。

 

35分鐘:形成原子核的過程(核融合,nucleosynthesis)停止,溫度3億度。

 

30萬年:電子和原子核結合成為原子。物質和輻射脫耦,大爆炸輻射的殘余成為今天的3K微波背景輻射。

 

4億年:第一批恒星形成。

 

20億年:形成了類星體。

 

46億年:太陽系形成。

 

目前宇宙還在繼續膨脹之中,這在觀測上為哈勃定律所概括。

 

宇宙大小

 

公元100年左右的東漢時代,當時科學家張衡最早提出“過此而往者,未知或知也。未知或知者,宇宙之謂也”和“宇之表無極,宙之端無窮”的觀點。明確提出由空間和時間構成的宇宙大小是無限的觀念。目前關于宇宙是否無限的問題還有爭議。如果整個宇宙的空間部分是有限的,那么可以用一個距離來表示。對于均勻各向同性的宇宙來說,這就是三維空間的曲率半徑。但是,即使宇宙整體是無限的,宇宙的可觀測部分仍是有限的:由于相對論限定光速為宇宙中信息傳播的最高速度,如果一個光子從大爆炸開始傳播,到今天傳播的固有距離為930億光年,由于宇宙在膨脹,相應的共動距離約為其3倍,具體數值與宇宙學參數有關,這一距離稱為今天宇宙的粒子視界。

 

另一個在物理學數量級估計中常用來表示宇宙大小的距離稱為哈勃距離,是哈勃常數的倒數乘以光速,其數值約為1.29×1026米,也約為930億光年??破蘸涂萍際榧興贛鈧嫻拇笮〕V剛飧鍪?。哈勃距離可理解為四維時空的曲率半徑。

 

宇宙被認為主要由暗能量和冷暗物質構成,人們對它們所知甚少。僅有少于5%是普通物質

 

宇宙被認為主要由暗能量和冷暗物質構成,人們對它們所知甚少。僅有少于5%是普通物質。

 

宇宙的年齡,成分

 

宇宙目前的密度非常小,大約僅有9.9×10−30克每立方厘米。其中有73%為暗能量,23%為冷暗物質,剩下的4%才是普通物質。宇宙中的原子密度的量級約為每4立方米一個氫原子。人們對暗能量和冷暗物質的屬性還所知甚少。暗物質吸引普通物質,因此減慢(空間的度規膨脹)宇宙的膨脹;相反的,暗能量加速宇宙的膨脹。

 

當前估計的宇宙的年齡為137.98±0.37億年。

 

威爾金森探測器測量的宇宙微波背景輻射分布

 

威爾金森探測器測量的宇宙微波背景輻射分布。

 

宇宙的形狀

 

宇宙的形狀是宇宙學中一個未解決的問題。用數學的語言說就是:“哪一個三維形狀才能最好地代表宇宙的空間結構?”

 

首先,宇宙到底是不是“平坦空間”,即大范圍內遵守歐氏幾何的空間還未清楚。目前,大部分宇宙學家認為已知宇宙除了大質量天體造成的局部時空褶皺,是基本平坦的-就像湖面是基本平坦但局部有水波一樣。最近威爾金森微波各向異性探測器觀測宇宙微波背景輻射的結果也肯定了這一認識。

 

其次,尚未清楚宇宙是否是多重連接。根據大爆炸理論,宇宙是沒有空間邊界的,然而其空間大小可能是有限的。我們可以通過二維的概念類推:一個球面沒有邊界,但是它的面積是有限的(4πR2)。它是一個在三維空間有固定曲率的二維表面。數學家黎曼發現四維空間中一個與此類似的三維球形“表面”,其總體積為有限(2π2R3)但三個方向都朝第四個維度彎曲。他還發現“橢圓空間”和“圓柱形空間”,后者的圓柱形兩頭互相連接但沒有彎曲圓柱本身-這一現象在普通的三維空間是不可想象的。類似的數學例子還有很多。

 

如果宇宙真是有限但無邊界的話,人沿著宇宙中一條任意方向的“直線”走下去,最終會回到出發點,其路線長度可認為是宇宙的“周長”(這個周長是現在人類對宇宙的認識所無法想象的,因為它一定要比我們所見的宇宙部分大得多。)。

 

宇宙有可能具有多重連接的拓撲學結構。如果這些結構足夠小的話,人類,就如同在掛了多面鏡子的房間里,可能在不同方向看到同一天體的多個影像。而實際的天體數量就會比觀測所見少。從這個角度講,星體和星系應該稱作“所觀的影像”才合適。這個可能,至今沒有被徹底否定,但最近的宇宙微波背景輻射研究結果認為是不可能的。

 

哈勃望遠鏡拍攝的高清晰度深場照片,顯示姿態年齡各異的河外星系。

 

哈勃望遠鏡拍攝的高清晰度深場照片,顯示姿態年齡各異的河外星系。照片上最小,顏色最紅的屬于人類看到的最古老的星系,在宇宙年齡約8億年的時候就已經存在。

 

宇宙的命運

 

根據天文觀測和宇宙學理論,可以對可觀測宇宙未來的演化作出預言。均勻各向同性的宇宙的膨脹滿足弗里德曼方程。

 

多年來,人們認為,根據這一方程,物質的引力會導致宇宙的膨脹減速。宇宙的最終命運決定于物質的多少:如果物質密度超過臨界密度,宇宙的膨脹最后會停止,并逆轉為收縮,最終形成與大爆炸相對的一個“大坍縮”(big crunch);如果物質密度等于或低于臨界密度,則宇宙會一直膨脹下去。另外,宇宙的幾何形狀也與密度有關:如果密度大于臨界密度,宇宙的幾何應該是封閉的;如果密度等于臨界密度,宇宙的幾何是平直的;如果宇宙的密度小于臨界密度,宇宙的幾何是開放的。并且,宇宙的膨脹總是減速的。

 

然而,根據近年來對超新星和宇宙微波背景輻射等天文觀測,雖然物質的密度小于臨界密度,宇宙的幾何卻是平直的,也即宇宙總密度應該等于臨界密度。并且,膨脹正在加速。這些現象說明宇宙中存在著暗能量。不同于普通所說的“物質”,暗能量產生的重力不是引力而是斥力。在存在暗能量的情況下,宇宙的命運取決于暗能量的密度和性質,宇宙的最終命運可能是無限膨脹,漸緩膨脹趨于穩定,或者是與大爆炸相對的一個“大坍縮”,或者也可能膨脹不斷加速,成為“大寒冷”。目前,由于對暗能量的性質缺乏了解,還難以對宇宙的命運做出肯定的預言。

 

宇宙成分的推估中,有證據顯示一種暗物質占極大部分,但是至今依然是理論和謎團

 

宇宙成分的推估中,有證據顯示一種暗物質占極大部分,但是至今依然是理論和謎團。

 

多重宇宙

 

對于多重宇宙有不同的理解。一種理解是,位于可觀測宇宙之外的時空,構成其它的宇宙。例如,在宇宙暴脹中形成的其它大量時空,或者我們宇宙中黑洞奇點內我們所無法理解的時空。這些不同的時空部分總體構成了多重宇宙。另一種理解則強調這些不同的宇宙不僅僅是時空區的獨立,而且其中的表現的物理規律也可能有所不同,例如其中的粒子也許具有不同的電荷或質量,其物理常數也各不相同。

 

有時人們也把平行宇宙與多重宇宙當作同義詞。不過,平行宇宙還有一種理解,即量子力學中的多世界解釋。這種解釋認為,在量子力學中,存在多個平行的世界,在每個世界中,每次量子力學測量的結果各自不同,因此不同的歷史發生在不同的平行世界中。

 

神話宗教的宇宙觀

 

起初古人沒有普遍意識到有其他世界的可能性,甚至認為“山后面沒有人”,更不用說到宇宙了。但在地球上探險和征服的活動頻繁下,又見到新奇的世界甚至星座的變化,從而想像宇宙整體,雖然這些宇宙觀主要是純思辨的產物,但客觀上對于后來探險和觀測活動是起了指導的作用。

 

佛教宇宙觀

 

佛教中的世界一詞,相當于英語的COSMO,既可指世界也可以指宇宙,但都是一種有限和被分割的觀念,而且大小是任意的,即可以從個人可以到達或看見和想像的層次區分成。而其雖然包括了星空和天象,但常被說成是有邊界的蒼穹而不是無邊的虛無的宇宙。

 

“世”為時間意,“界”為空間意,涵蓋了時間空間不可分隔的道理,這也正符合了愛因斯坦的相對論。中國古代形容大千世界多用“天下”一詞,而并無“世界”。蓋因世界乃佛教名詞,如今被廣為用之,但應當了解這個名詞的來源。據楞嚴經卷四載:世,即遷流之義;界,指方位。即于時間上有過去、現在、未來三世之遷流,空間上有東南西北、上下十方等定位場所之意。

 

佛經中,大的空間叫佛剎、虛空,小的叫微塵,統稱為“三千大千世界”?!胺鸞逃鈧婀邸敝髡龐鈧嫦滌形奘鍪瀾?。集一千個小世界稱為“小千世界”,集一千個小千世界稱為“中千世界”,集一千個中千世界稱為“大千世界”;合小千、中千、大千總稱為三千大千世界?!?a href="//www.albct.icu/article-15873-1.html" target="_blank">華嚴經》稱:“知一世界即是無量無邊世界,知無量無邊世界即是一世界,知無量無邊世界入一世界,知一世界入無量無邊世界?!?/P>

 

色界諸天分為四禪,即初禪、二禪、三禪、四禪,總計十七天。初禪天三天,有梵眾天、梵輔天、大梵天;第二禪天三天,有少光天、無量光天、極光凈天;第三禪天三天,有少凈天、無量凈天、遍凈天;第四禪天為九天,有無云天、福生天、廣果天、無想天﹑無煩天、無熱天、善現天、善見天、色究竟天。在無色界,還有空無邊處天、識無邊處天、無所有處天、非想非非想處天等四無色天。

 

中國人關于宇宙的上古神話

 

《藝文類聚》記載“天地渾沌如雞子,盤古生其中。萬八千歲,天地開辟,陽清為天,陰濁為地”。這是盤古開天地的神話,也是關于宇宙起源的最初描述:宇宙最初是混沌的,外形像雞蛋,盤古生于其中。據某個國外研究小組的計算機模擬實驗結果顯示,宇宙大爆炸之初就是“橢圓形”的。而“盤古”可以理解為一種能量,像某些地區的古人會把火山爆發看作是某個神一樣。很多很多年后(“萬八千歲”,有時被生硬理解為18000年,但中國文化的“萬千”多指“非常大、非常長、非常多”,無法計算),盤古開天辟地,陽清為天,陰濁為地?!耙踝恰笨梢岳斫馕緯尚喬虻奈鎦?,“陽清”則是那些游離于星球之外的物質。

 

按照貼近大爆炸理論理解中華古代宇宙開創理論:不知道原因,盤古(即奇點產生的爆炸能量)誕生,盤古撐開了宇宙,開天辟地,陽清為天(宇宙空間、真空、暗物質等),陰濁為地(星體等)。盤古化為日月山川河流,即大爆炸由純能量,部分轉化為質量。

 

其他神話

 

印度神話描述宇宙之始,有一梵卵化為一人,即普魯沙,普魯沙有著數千個頭、眼睛和腳,后來普魯沙一分為三,就是三大神,大梵天(Brahma),大自在天(Shiva),以及妙毗天(Vishnu)。其中大梵天為宇宙之主,妙毗天是宇宙與生命的守護者。

 

古埃及神話中認為初始宇宙是來自阿多姆神(Atum),阿多姆一分為二,變成風神休(Shu)和雨神泰芙努特(Tefnut),接著Shu和Tefnut又生一女一子,也就是天空女神努特(Nut)和大地之神蓋布(Geb)。

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