宇宙到底是什么

宇宙到底是什么
宇宙到底是什么

宇宙到底是什么
“天地四方曰宇,往古来今曰宙”,中国文字里宇宙表示全部时间和空间的综合.在20世纪的前半个世纪里,宇宙被用来表示我们所存在的一个时空连续统,包括其间的所有能量和物质.以这个解释来认识宇宙形成了宇宙论,一门发展自物理学和天文学的交叉学科.在20世纪的下半叶,观测宇宙学和理论宇宙学的发展,使得对“宇宙”一词的理解产生分裂.前者放弃观测整个时空连续统,而后者则继续试图寻找最合理的整个时空连续统的模型.
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137亿年前由一个密度极大,温度极高的状态膨胀而来.
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：质子和中子结合成氘氦等原子核,温度30亿度.
35分钟：形成原子核的过程（核合成,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：星系形成.
50亿年：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.
宇宙的大小
已知宇宙或可观察宇宙一词可以用来表示我们所看得见或可观察的部分宇宙.有些相信人类无法观察到整个连续统的的宇宙,他们可能会使用我们的宇宙一词来表示人类所能知道的那一部分宇宙,据估计只占整个宇宙的5%.
目前关于宇宙有否无限的问题还有争议.然而已知宇宙必须是有限的.由于相对论限定了光速为宇宙中信息交流的最高速度,今天已知宇宙的大小限于137亿光年.这一部分据估计包含7x1022颗恒星,1011个星系.这些星系又组成星系群、星系群组成超星系团、及超超星系团和长城等宇宙大尺度构造.例如人类居住的地球属于太阳系⇒银河系⇒本星系群⇒室女座超星系团.目前观测到最远的星系Abell 1835 IR1916距地球1.3x1010光年.
科普和科学书刊上的“宇宙”,大多数都指上述的“已知宇宙”.
宇宙的形状
宇宙的形状是宇宙学是的一个未解决问题.用数学的语言说就是,哪一个三位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知.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, 宇宙是否是多重连接的尚未知.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.数学家黎曼发现了四维空间中一个与此类似的三维球形“表面”,其总体积为有限的(2π2R3)但三个方向都朝第四个维度弯曲.他还发现了一个“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“直径”（这个直径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很不可能的.
宇宙的命运
取决于物质和能量的密度,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”（big crunch）.目前的证据显示物质/能量的密度不足以导致坍缩,而且宇宙的膨胀还正在加速.
若用天文望远镜把数百亿光年以外数十个超新星爆炸所发出的光收集,再由它们的距离算出宇宙由诞生到现在的膨胀速度,将会发现宇宙的膨胀速度只有加快而没有减慢.
将来宇宙只会越来越大,但理论上质量和引力成正比,宇宙中有很多高质量的物质,所以引力应会和扩大的力互相抵销.不少著名学者都相信,宇宙最终将因能量消耗而停止膨胀,并在万有引力作用下不断内爆,继而摧毁其中的一切.
但是,美国太空总署利用2002年发射的威尔金森微波各向异性探测器,发现太空分布着许多“热点”,证明宇宙正在加速膨胀.
这些“热点”的存在表现,唯一能够令宇宙加速膨胀的“暗能量”确实存在,而且使宇宙加速膨胀到万有引力无法抗衡的地步,结果宇宙将会无限地扩大.
根据太空总署的推论,宇宙被“暗能量”推动不断加速,同时也加速了能量的消耗.当能量用尽之时,宇宙中将会布满黑洞.黑洞经过数万亿年的能量累积,有一朝突然爆炸,最后存在的就只有暗能了.
多重宇宙
有一些假说认为宇宙是多重的,存在一个更高层级的多重宇宙 (multiverse),我们的宇宙只是众多宇宙中的一个.例如,在我们的宇宙中掉入黑洞的物质可能会成为成为另一个宇宙起始的大霹雳.然而,这些想法都还是不成熟的,只是一种猜测还不能被视为是一种假说.目前在平行宇宙的观念中,只有弦论占有理论上的地位.