我們生活的宇宙是什麼?

2020-12-19 天文在線

「宇」往往指的是空間,也就是我們現在生活的空間,也可以說是三維空間,分別是長寬高組成。「宙」指的是時間,我們的時間在永無止境的往前跑,可以說是第四維。在相對論中,時間與空間一起組成四維時空,構成宇宙的基本結構。本文將為您簡略介紹下宇宙的概念。

宇宙充滿了空間和時間及其所含之物,包括行星、恆星、星系以及所有其他形式的物質和能量。 雖然整個宇宙的空間大小仍然是未知的,但是可以測量可觀測的宇宙。

最早的宇宙科學模型是由古希臘和印度哲學家發展起來的,並且是以地心為中心的,把地球放在宇宙的中心。幾個世紀以來,更精確的天文觀測使得尼古拉斯·哥白尼(Nicolaus Copernicus)建立了以太陽為中心的日心模型。在發展萬有引力定律的過程中,艾薩克·牛頓爵士以哥白尼的工作以及第谷·布拉赫和約翰內斯·克卜勒的行星運動定律的觀測為基礎。

進一步的觀測改進使人們意識到我們的太陽是我們稱之為銀河係數千億顆恆星中的一顆普通恆星而已,然而銀河系也只是宇宙中至少數千億個星系中的一個很小的「嘍囉」。 我們銀河系中的許多恆星各自都有自己的行星圍繞其母恆星運行。

在最大的宇宙尺度上,星系在所有方向上均勻分布並且相同,這意味著宇宙既沒有邊緣也沒有中心。 在較小的尺度上,星系分布在星系團(疏散星團)和超星系團中,在空間中形成大尺度纖維狀結構和空洞(Void),形成巨大的泡沫狀結構。20世紀初的發現表明,宇宙有一個開端,而且自那時以來這個空間一直在擴大(宇宙膨脹),並且目前仍在以增加的速度擴大(宇宙加速膨脹)。

宇宙大爆炸理論是對宇宙發展的主流宇宙學的一種描述。根據這一理論,空間和時間大約在137.99±0.021億年前一起同時出現,隨著宇宙的擴展(膨脹),固定的能量和物質變得不那麼密集。在大約10的-32次方秒的初始加速膨脹以及四種已知基本力的分離之後,宇宙逐漸冷卻並繼續膨脹,允許形成第一亞原子粒子和簡單的原子。

巨大的氫氣和氦氣雲逐漸被吸引到暗物質密度最大的地方,形成了第一批星系、恆星和今天看到的一切。因為空間本身已經在膨脹,而且今天我們看到的還在繼續膨脹,所以我們今天看到的距離很有可能超過137.99億光年(可以看到大於137.99億光年以外的天體)。這意味著現在460億光年之外的天體仍然可以在它們遙遠的過去被看到,因為在過去,當它們的光被發射時,它們離我們更近。

從星系運動的研究中,我們知道了宇宙包含的物質比我們通常能探測到的要多得多。 這種看不見的物質被稱為暗物質(「暗」意味著有大量的強有力的間接證據表明了它的存在,但我們尚未直接檢測到它)。ΛCDM模型(Lambda-CDM模型)是我們宇宙中最被廣泛接受的模型。

它表明,宇宙中約69.2%±1.2%的質量和能量是一個被稱為暗能量的標量場,它主要影響著當前的宇宙膨脹,大約有25.8%的物質是有暗物質組成的。因此,普通(「重子」)物質僅佔物理宇宙的4.9%。恆星,行星和可見氣體雲僅形成普通物質的約6%,或約佔整個宇宙的0.3%。

關於宇宙的最終命運以及大爆炸之前有什麼(如果有的話),存在許多相互矛盾的假說,而其他物理學家和哲學家拒絕推測,懷疑關於先前狀態的信息是否永遠是可獲得的。一些物理學家提出了各種各樣的多元(重)宇宙的假說,其中宇宙可能是同樣存在的許多宇宙中的一個。

哈勃超深場圖像顯示了目前技術中可見的一些最遙遠的星系,每個星系由數十億顆恆星組成。 (表觀圖像面積約為滿月的1/79)。圖:NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI)

關於宇宙的定義

物理宇宙被定義為所有空間和時間(統稱為時空)及其它們所含之物的統稱。這些所含之物包括各種形式的所有能量,其中這裡面包括電磁輻射和物質,因此也包括行星,衛星,恆星,星系和星系際空間的容量信息。宇宙還包括影響能量和物質的物理定律,例如守恆定律,經典力學和相對論等等。

宇宙通常被定義為「存在的整體」,或者說存在的一切,已經存在的一切,以及將要存在的一切。事實上,一些哲學家和科學家支持在宇宙的定義中包含思想和抽象概念 - 例如數學和邏輯。「宇宙」這個詞也可以指宇宙,世界和自然等概念。

宇宙一詞的來源

「宇宙」這個詞來源於古法語單詞univers,後者又衍生自拉丁語universum。這個拉丁單詞被西塞羅和後來的拉丁作家使用,在許多意義上與現代英語單詞相同。

宇宙的組成

宇宙幾乎完全由暗能量,暗物質和普通物質組成的。 其他所含之物包括的是電磁輻射(估計佔宇宙總質量的0.005%至接近0.01%)和反物質。

在宇宙的歷史中,所有類型的物質和能量的比例都在發生著變化。 在過去的20億年中,宇宙內產生的電磁輻射總量減少了1/2。然而今天,普通物質,包括原子,恆星,星系和生命,只佔宇宙總量的4.9%。目前這類物質的總密度非常低,大約為4.5×10-31克/立方釐米,相當於每4立方米體積只有一個質子的密度。暗能量和暗物質的性質是未知的。

暗物質是一種尚未被發現的神秘物質,它佔宇宙含量的26.8%。 暗能量,即真空能量,正在促使宇宙的膨脹加速,佔剩餘總量的68.3%。物質,暗物質和暗能量在整個宇宙中均勻分布,長度超過3億光年左右。

可觀察的宇宙在比超星系團大得多的尺度上是各向同性的,這意味著宇宙的統計特性在從地球觀測到的所有方向上都是相同的(各向同性)。宇宙沐浴在高度各向同性的微波輻射中,相當於大約2.72548開爾文的熱平衡黑體光譜。

威爾金森微波各向異性探測器所拍攝的宇宙背景輻射影像,圖:NASA / WMAP Science Team

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