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宇宙宇宙宇宙宇宙

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Academic year: 2022

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宇宙 宇宙 宇宙 宇宙

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綜合。

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。對於這一體系的整體解釋構成了宇宙論。世界上最早把空間和時間統一 為宇宙的是中國春秋戰國時代的文子和尸子,他們都提出了宇是空間,宙是時間,

合為宇宙。二十世紀以來,西方根據現代物理學和天文學,建立了關於宇宙的現 代科學理論,稱為宇宙學。

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。可以被我們觀測到的時空部分稱為

「可觀測宇宙」、「可見宇宙」或「我們的宇宙」。應該強調的是,這是由於時空 本身的結構造成的,與我們所用的觀測設備沒有關係。

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。

辭源

《聖經》:創世紀第一章第一節,「起初, 神創造天地。」(「神」即上帝)

《文子·自然》:「往古來今謂之宙,四方上下謂之宇。」

《尸子》:「上下四方曰宇,往古來今曰宙。」

二字連用,始見於《莊子·齊物論》曰:「旁日月,挾宇宙,為其吻合。」

可見在中國古代先人創造宇宙這一詞彙的時候已經把時間和空間統一看待,並為 宇宙。

大爆炸理論中宇宙的歷史 物理宇宙學

WMAP 2008.png 宇宙 · 大爆炸 宇宙的年齡 大爆炸年表 宇宙的終極命運 显示▼早期宇宙 显示▼膨脹宇宙 显示▼結構形成

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显示▼成分 显示▼時間表 显示▼實驗 隐藏▲科學家

愛因斯坦 · 霍金 · 弗里德曼 · 勒梅特 · 哈伯 · 彭齊亞斯 · 威爾遜 · 伽莫夫 · 狄基 · 澤爾多維奇 · 馬瑟 · 魯賓 · 斯穆特

查 • 論 • 編 • 歷

現代物理宇宙學一般認為宇宙起源於大爆炸,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。對於大爆炸以前的宇宙,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[2],但是這個說法還 未得到公認。對於大爆炸以後的宇宙,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-膠子電漿體構成,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:質子和中子結合成氘、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 餘成為今天的 3K 微波背景輻射。

4億年:第一批恆星形成。

20億年:星系形成。

50億年:太陽系形成。

目前宇宙還在繼續膨脹之中,這在觀測上為哈伯定律所概括。

宇宙大小

公元 100年左右的東漢時代,當時偉大的科學家張衡最早提出了「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。

非常明確地提出了由空間和時間構成的宇宙大小是無限的觀念。而目前關於宇宙 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,那麼可以用一個 距離來表示。對於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:由於相對論限定了光速 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,由於宇宙在膨脹,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。

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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伯距離,是哈伯 常數的倒數乘以光速,其數值約為 1.29 x 1028 厘米,也約為 930 億光年。科普 和科技書籍中所說的宇宙的大小常指這個數值。哈柏距離可以理解為四維時空的 曲率半徑。

宇宙的形狀

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」,即大範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。數學家黎曼發現了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。他還發現了一個「橢圓空間」

和「圓柱形空間」,後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像的。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「直徑」(這個直徑是現在人類 對宇宙的認識所無法想像的,因為它一定要比我們所見的宇宙部分大得多。)。 哈伯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,顏色最紅的屬於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 結果認為是很不可能的。

宇宙的命運

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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於物質的多少:如果物質密 度(1)超過臨界密度,宇宙的膨脹最後會停止,並逆轉為收縮,最終形成與大 爆炸相對的一個「大坍縮」(big crunch);如果物質密度(2)等於或(3)低於 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(1)密度大於臨界密度,宇宙的幾何應該是封閉的;如果(2)密度等於臨界 密度,宇宙的幾何是平直的;如果(3)宇宙的密度小於臨界密度,宇宙的幾何 是開放的。並且,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 於臨界密度,宇宙的幾何卻是平直的,也即宇宙總密度應該等於臨界密度。並且,

膨脹正在加速。這些現象說明宇宙中存在著暗能量。不同於普通所說的「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 於暗能量的密度和性質,宇宙的最終命運可能是無限膨脹,漸緩膨脹趨於穩定,

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「大撕 裂」。目前,由於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。 從物質的無限小理解宇宙.宇宙大爆炸的過程是從無到有的過程.突然爆炸的 時間不可以視為無限小.所以宇宙也不存在無限大.無限小或大也是一種人擇理論.

宇宙不可能是無限膨脹的.是一種從有到無的過程.具體過程不可知.

多重宇宙

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

對於多重宇宙有不同的理解。一種理解是,位於可觀測宇宙之外的時空,構成了 其它的宇宙。例如,在宇宙暴漲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。

神話和宗教的宇宙觀

主條目:創世神話

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起初古人沒有普遍意識到有其他世界的可能性,甚至認為「山後面沒有人」,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 上對於後來探險和觀測活動是起了指導的作用。

佛教宇宙觀

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」。「佛教 宇宙觀」主張宇宙係有無數個世界。集一千個一小世界稱為「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。[6]《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。」

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、極光淨天;第 三禪天三天, 有少淨天、無量淨天、遍淨天;第四禪天為八天, 有無雲天、福生 天、廣果天、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。

中國人關於宇宙的上古神話

《藝文類聚》記載「天地渾沌如雞子,盤古生其中。萬八千歲,天地開闢,陽清 為天,陰濁為地」。這是盤古開天地的神話,也是關於宇宙起源的最初描述:宇 宙最初是混沌的,外形像雞蛋,盤古生於其中。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。很多很多年後(「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),盤古開天闢地,陽清為天,陰濁為地。「陰濁」

可以理解為形成星球的物質,「陽清」則是那些游離於星球之外的物質。

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,開天闢地,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,後來普魯沙一分為三,就是三大神,大梵天(Brahma),大自在天(Shiva),

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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)。

參考文獻

相關文件

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