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宇宙

2013-9-30 22:28|查看:4481|评论:0|字体: 繁体

宇宙中每一圆盘都是一个又一个的“星系”

 

宇宙中每一圆盘都是一个又一个的“星系

 

宇宙是由空间时间、物质和能量,所构成的统一体。是一切空间和时间的总合。一般理解的宇宙指我们所存在的一个时空连续系统,包括其间的所有物质、能量和事件。对于这一体系的整体解释构成了宇宙论。

 

近数世纪以来,科学家根据现代物理学和天文学,建立了关于宇宙的现代科学理论,称为物理宇宙学

 

根据相对论,信息的传播速度有限,因此在某些情况下,例如在发生宇宙膨胀的情况下,距离我们非常遥远的区域中我们将只能收到一小部分区域的信息,其他部分的信息将永远无法传播到我们的区域。可以被我们观测到的时空部分称为“可观测宇宙”、“可见宇宙”或“我们的宇宙”。应该强调的是,这是由于时空本身的结构造成的,与我们所用的观测设备没有关系。

 

宇宙大约是由4%的普通物质,23%的暗物质和73%的暗能量构成。

 

19世纪法国科普作家C.Flammarion书中的木刻插图:旅行家以天球中探出头来,探索宇宙运行的机制

 

19世纪法国科普作家C.Flammarion书中的木刻插图:旅行家以天球中探出头来,探索宇宙运行的机制。

 

大爆炸理论中宇宙的历史

 

现代物理宇宙学一般认为宇宙起源于大爆炸,即约137.3亿(±1%)年前由一个密度极大,温度极高的状态膨胀而来。对于大爆炸以前的宇宙,目前只有一些猜测性的理论。而最新的研究则认为宇宙的年龄为156亿年,但是这个说法还未得到公认。对于大爆炸以后的宇宙,则可以用较成熟的理论加以描述。一种典型的理论是:

 

10-43秒:宇宙从量子背景出现。

 

10-35秒:宇宙由夸克-胶子等离子体构成,强相互作用、引力与电磁相互作用/弱相互作用分开。

 

10-5秒:电子形成,宇宙主要包括光子、电子和中微子,温度约1000亿度。

 

10秒:质子和中子结合成氢、氦等原子核,温度30亿度。

 

35分钟:形成原子核的过程(核融合,nucleosynthesis)停止,温度3亿度。

 

30万年:电子和原子核结合成为原子。物质和辐射脱耦,大爆炸辐射的残余成为今天的3K微波背景辐射。

 

4亿年:第一批恒星形成

 

20亿年:形成了类星体

 

46亿年:太阳系形成。

 

目前宇宙还在继续膨胀之中,这在观测上为哈勃定律所概括。

 

宇宙大小

 

公元100年左右的东汉时代,当时科学家张衡最早提出“过此而往者,未知或知也。未知或知者,宇宙之谓也”和“宇之表无极,宙之端无穷”的观点。明确提出由空间和时间构成的宇宙大小是无限的观念。目前关于宇宙是否无限的问题还有争议。如果整个宇宙的空间部分是有限的,那么可以用一个距离来表示。对于均匀各向同性的宇宙来说,这就是三维空间的曲率半径。但是,即使宇宙整体是无限的,宇宙的可观测部分仍是有限的:由于相对论限定光速为宇宙中信息传播的最高速度,如果一个光子从大爆炸开始传播,到今天传播的固有距离为930亿光年,由于宇宙在膨胀,相应的共动距离约为其3倍,具体数值与宇宙学参数有关,这一距离称为今天宇宙的粒子视界。

 

另一个在物理学数量级估计中常用来表示宇宙大小的距离称为哈勃距离,是哈勃常数的倒数乘以光速,其数值约为1.29×1026米,也约为930亿光年。科普和科技书籍中所指宇宙的大小常指这个数值。哈勃距离可理解为四维时空的曲率半径。

 

宇宙被认为主要由暗能量和冷暗物质构成,人们对它们所知甚少。仅有少于5%是普通物质

 

宇宙被认为主要由暗能量和冷暗物质构成,人们对它们所知甚少。仅有少于5%是普通物质。

 

宇宙的年龄,成分

 

宇宙目前的密度非常小,大约仅有9.9×10−30克每立方厘米。其中有73%为暗能量,23%为冷暗物质,剩下的4%才是普通物质。宇宙中的原子密度的量级约为每4立方米一个氢原子。人们对暗能量和冷暗物质的属性还所知甚少。暗物质吸引普通物质,因此减慢(空间的度规膨胀)宇宙的膨胀;相反的,暗能量加速宇宙的膨胀。

 

当前估计的宇宙的年龄为137.98±0.37亿年。

 

威尔金森探测器测量的宇宙微波背景辐射分布

 

威尔金森探测器测量的宇宙微波背景辐射分布。

 

宇宙的形状

 

宇宙的形状是宇宙学中一个未解决的问题。用数学的语言说就是:“哪一个三维形状才能最好地代表宇宙的空间结构?”

 

首先,宇宙到底是不是“平坦空间”,即大范围内遵守欧氏几何的空间还未清楚。目前,大部分宇宙学家认为已知宇宙除了大质量天体造成的局部时空褶皱,是基本平坦的-就像湖面是基本平坦但局部有水波一样。最近威尔金森微波各向异性探测器观测宇宙微波背景辐射的结果也肯定了这一认识。

 

其次,尚未清楚宇宙是否是多重连接。根据大爆炸理论,宇宙是没有空间边界的,然而其空间大小可能是有限的。我们可以通过二维的概念类推:一个球面没有边界,但是它的面积是有限的(4πR2)。它是一个在三维空间有固定曲率的二维表面。数学家黎曼发现四维空间中一个与此类似的三维球形“表面”,其总体积为有限(2π2R3)但三个方向都朝第四个维度弯曲。他还发现“椭圆空间”和“圆柱形空间”,后者的圆柱形两头互相连接但没有弯曲圆柱本身-这一现象在普通的三维空间是不可想象的。类似的数学例子还有很多。

 

如果宇宙真是有限但无边界的话,人沿着宇宙中一条任意方向的“直线”走下去,最终会回到出发点,其路线长度可认为是宇宙的“周长”(这个周长是现在人类对宇宙的认识所无法想象的,因为它一定要比我们所见的宇宙部分大得多。)。

 

宇宙有可能具有多重连接的拓扑学结构。如果这些结构足够小的话,人类,就如同在挂了多面镜子的房间里,可能在不同方向看到同一天体的多个影像。而实际的天体数量就会比观测所见少。从这个角度讲,星体和星系应该称作“所观的影像”才合适。这个可能,至今没有被彻底否定,但最近的宇宙微波背景辐射研究结果认为是不可能的。

 

哈勃望远镜拍摄的高清晰度深场照片,显示姿态年龄各异的河外星系。

 

哈勃望远镜拍摄的高清晰度深场照片,显示姿态年龄各异的河外星系。照片上最小,颜色最红的属于人类看到的最古老的星系,在宇宙年龄约8亿年的时候就已经存在。

 

宇宙的命运

 

根据天文观测和宇宙学理论,可以对可观测宇宙未来的演化作出预言。均匀各向同性的宇宙的膨胀满足弗里德曼方程。

 

多年来,人们认为,根据这一方程,物质的引力会导致宇宙的膨胀减速。宇宙的最终命运决定于物质的多少:如果物质密度超过临界密度,宇宙的膨胀最后会停止,并逆转为收缩,最终形成与大爆炸相对的一个“大坍缩”(big crunch);如果物质密度等于或低于临界密度,则宇宙会一直膨胀下去。另外,宇宙的几何形状也与密度有关:如果密度大于临界密度,宇宙的几何应该是封闭的;如果密度等于临界密度,宇宙的几何是平直的;如果宇宙的密度小于临界密度,宇宙的几何是开放的。并且,宇宙的膨胀总是减速的。

 

然而,根据近年来对超新星和宇宙微波背景辐射等天文观测,虽然物质的密度小于临界密度,宇宙的几何却是平直的,也即宇宙总密度应该等于临界密度。并且,膨胀正在加速。这些现象说明宇宙中存在着暗能量。不同于普通所说的“物质”,暗能量产生的重力不是引力而是斥力。在存在暗能量的情况下,宇宙的命运取决于暗能量的密度和性质,宇宙的最终命运可能是无限膨胀,渐缓膨胀趋于稳定,或者是与大爆炸相对的一个“大坍缩”,或者也可能膨胀不断加速,成为“大寒冷”。目前,由于对暗能量的性质缺乏了解,还难以对宇宙的命运做出肯定的预言。

 

宇宙成分的推估中,有证据显示一种暗物质占极大部分,但是至今依然是理论和谜团

 

宇宙成分的推估中,有证据显示一种暗物质占极大部分,但是至今依然是理论和谜团。

 

多重宇宙

 

对于多重宇宙有不同的理解。一种理解是,位于可观测宇宙之外的时空,构成其它的宇宙。例如,在宇宙暴胀中形成的其它大量时空,或者我们宇宙中黑洞奇点内我们所无法理解的时空。这些不同的时空部分总体构成了多重宇宙。另一种理解则强调这些不同的宇宙不仅仅是时空区的独立,而且其中的表现的物理规律也可能有所不同,例如其中的粒子也许具有不同的电荷或质量,其物理常数也各不相同。

 

有时人们也把平行宇宙与多重宇宙当作同义词。不过,平行宇宙还有一种理解,即量子力学中的多世界解释。这种解释认为,在量子力学中,存在多个平行的世界,在每个世界中,每次量子力学测量的结果各自不同,因此不同的历史发生在不同的平行世界中。

 

神话宗教的宇宙观

 

起初古人没有普遍意识到有其他世界的可能性,甚至认为“山后面没有人”,更不用说到宇宙了。但在地球上探险和征服的活动频繁下,又见到新奇的世界甚至星座的变化,从而想像宇宙整体,虽然这些宇宙观主要是纯思辨的产物,但客观上对于后来探险和观测活动是起了指导的作用。

 

佛教宇宙观

 

佛教中的世界一词,相当于英语的COSMO,既可指世界也可以指宇宙,但都是一种有限和被分割的观念,而且大小是任意的,即可以从个人可以到达或看见和想像的层次区分成。而其虽然包括了星空和天象,但常被说成是有边界的苍穹而不是无边的虚无的宇宙。

 

“世”为时间意,“界”为空间意,涵盖了时间空间不可分隔的道理,这也正符合了爱因斯坦的相对论。中国古代形容大千世界多用“天下”一词,而并无“世界”。盖因世界乃佛教名词,如今被广为用之,但应当了解这个名词的来源。据楞严经卷四载:世,即迁流之义;界,指方位。即于时间上有过去、现在、未来三世之迁流,空间上有东南西北、上下十方等定位场所之意。

 

佛经中,大的空间叫佛刹、虚空,小的叫微尘,统称为“三千大千世界”。“佛教宇宙观”主张宇宙系有无数个世界。集一千个小世界称为“小千世界”,集一千个小千世界称为“中千世界”,集一千个中千世界称为“大千世界”;合小千、中千、大千总称为三千大千世界。《华严经》称:“知一世界即是无量无边世界,知无量无边世界即是一世界,知无量无边世界入一世界,知一世界入无量无边世界。”

 

色界诸天分为四禅,即初禅、二禅、三禅、四禅,总计十七天。初禅天三天,有梵众天、梵辅天、大梵天;第二禅天三天,有少光天、无量光天、极光净天;第三禅天三天,有少净天、无量净天、遍净天;第四禅天为九天,有无云天、福生天、广果天、无想天﹑无烦天、无热天、善现天、善见天、色究竟天。在无色界,还有空无边处天、识无边处天、无所有处天、非想非非想处天等四无色天。

 

中国人关于宇宙的上古神话

 

《艺文类聚》记载“天地浑沌如鸡子,盘古生其中。万八千岁,天地开辟,阳清为天,阴浊为地”。这是盘古开天地的神话,也是关于宇宙起源的最初描述:宇宙最初是混沌的,外形像鸡蛋,盘古生于其中。据某个国外研究小组的计算机模拟实验结果显示,宇宙大爆炸之初就是“椭圆形”的。而“盘古”可以理解为一种能量,像某些地区的古人会把火山爆发看作是某个神一样。很多很多年后(“万八千岁”,有时被生硬理解为18000年,但中国文化的“万千”多指“非常大、非常长、非常多”,无法计算),盘古开天辟地,阳清为天,阴浊为地。“阴浊”可以理解为形成星球的物质,“阳清”则是那些游离于星球之外的物质。

 

按照贴近大爆炸理论理解中华古代宇宙开创理论:不知道原因,盘古(即奇点产生的爆炸能量)诞生,盘古撑开了宇宙,开天辟地,阳清为天(宇宙空间、真空、暗物质等),阴浊为地(星体等)。盘古化为日月山川河流,即大爆炸由纯能量,部分转化为质量。

 

其他神话

 

印度神话描述宇宙之始,有一梵卵化为一人,即普鲁沙,普鲁沙有着数千个头、眼睛和脚,后来普鲁沙一分为三,就是三大神,大梵天(Brahma),大自在天(Shiva),以及妙毗天(Vishnu)。其中大梵天为宇宙之主,妙毗天是宇宙与生命的守护者。

 

古埃及神话中认为初始宇宙是来自阿多姆神(Atum),阿多姆一分为二,变成风神休(Shu)和雨神泰芙努特(Tefnut),接着Shu和Tefnut又生一女一子,也就是天空女神努特(Nut)和大地之神盖布(Geb)。

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