宇宙

神话故事

宇宙这个词来自于古法语的Univers，它来自于拉丁语的universum。西塞罗和后来的拉丁作家在许多意义上使用了这个拉丁词，与现代英语单词的用法相同。

unvorsum的另一种解释（方式）是 "万物旋转为一 "或 "万物旋转为一"。这指的是希腊早期的一个宇宙模型。在那个模型中，所有物质都在以地球为中心的旋转球体中；根据亚里士多德的说法，最外层球体的旋转对内部万物的运动和变化负责。希腊人很自然地认为地球是静止的，天体围绕地球旋转，因为需要仔细的天文和物理测量（如傅科摆）来证明事实并非如此。

从毕达哥拉斯开始，古希腊哲学家对 "宇宙 "最常用的术语是το παν（所有），定义为所有物质（το ολον）和所有空间（το κενον）。

最广泛的含义

宇宙最广泛的词义见于中世纪哲学家约翰尼斯-司各脱-埃留格纳的《自然划分》（De divisione naturae），他将其简单定义为一切：存在的一切和不存在的一切。

在埃里克纳的定义中不考虑时间；因此，他的定义包括一切存在的、已经存在的和将要存在的东西，以及不存在的、从未存在的和将要存在的东西。这个包罗万象的定义没有被后来的大多数哲学家采用，但在量子物理学中却有类似的东西。

作为现实的定义

通常情况下，宇宙被认为是存在的、已经存在的和将要存在的一切。这个定义说，宇宙由两种元素组成：空间和时间，一起被称为时空或真空；以及物质和不同形式的能量和动量占据时空。这两种元素的行为符合物理规律，在这些规律中，我们描述了这些元素如何相互作用。

宇宙一词的类似定义是在某一时刻存在的一切，如现在或时间的开始，如 "宇宙的大小为0 "这句话。

在亚里士多德的《物理学》一书中，亚里士多德将το παν（万物）分为三个大致相似的要素：物质（宇宙是由什么组成的）、形式（该物质在空间的排列）和变化（物质如何被创造、破坏或改变其属性，同样，形式如何被改变）。物理定律是管理物质属性、形式及其变化的规则。后来的哲学家如卢克莱修、阿维罗伊、阿维森纳和巴鲁克-斯宾诺莎改变或完善了这些分法。例如，阿维罗伊斯和斯宾诺莎有支配宇宙的主动原则，这些原则作用于被动元素。

空间-时间的定义

有可能形成空间-时间，每个人都存在，但不能接触、移动或改变（相互作用）。一个简单的方法是认为这是一组独立的肥皂泡，其中生活在一个肥皂泡上的人不能与其他肥皂泡上的人互动。根据一个常见的术语，每个时空的 "肥皂泡 "被称为一个宇宙，而我们的特定时空被称为宇宙，就像我们把月亮称为月亮一样。这些独立时空的整个集合被表示为多元宇宙。原则上，其他没有联系的宇宙可能有不同的时空维度和拓扑结构，不同的物质和能量形式，以及不同的物理规律和物理常数，尽管这种可能性只是猜测。

可观察的现实

根据一个更具限制性的定义，宇宙是我们连接的时空内的一切，可能有机会与我们互动，反之亦然。

根据相对论的一般思想，由于光速有限和空间的持续扩张，一些空间区域可能永远不会与我们的空间互动，即使在宇宙的生命周期中。例如，从地球发出的无线电信息可能永远不会到达某些空间区域，即使宇宙会永远存在；空间的扩张速度可能比光的穿越速度快。

值得强调的是，那些遥远的空间区域被认为和我们一样存在，并且是现实的一部分；然而我们永远不能与它们互动，甚至在原则上。我们可以影响和被影响的空间区域被称为可观察的宇宙。

严格地说，可观测的宇宙取决于观察者的位置。通过旅行，观察者可以比保持静止的观察者接触到更大的时空区域，所以前者的可观测宇宙比后者的大。然而，即使是最快速的旅行者也不一定能与所有的空间互动。通常，"可观察的宇宙 "是指从我们在银河系的有利位置看到的宇宙。

宇宙的基本数据

宇宙是巨大的，其体积可能是无限的。可以看到的物质分布在一个至少930亿光年的空间里。作为比较，一个典型星系的直径只有3万光年，而两个相邻星系之间的典型距离只有300万光年。举例来说，我们的银河系直径大约为10万光年，而我们最近的姐妹星系，仙女座星系，大约位于250万光年之外。可观察到的宇宙包含超过2万亿（10¹² ）个星系，总体而言，估计有多达1×10²⁴ 颗恒星（比地球上所有的沙粒都多）。

典型的星系包括从只有一千万（10⁷ ）颗恒星的矮星系到有一万亿（10¹² ）颗恒星的巨星系，它们都围绕着星系的质量中心运行。因此，根据这些数字进行的非常粗略的估计表明，在可观测的宇宙中大约有六千亿（10²¹ ）颗恒星；尽管澳大利亚国立大学天文学家2003年的一项研究得出的数字是70六千亿（7 x 10²² ）。

可以看到的物质分布在整个宇宙中，如果在超过3亿光年的距离上进行平均的话。然而，在较小的长度尺度上，人们观察到物质形成 "团块"，许多原子凝结成恒星，大多数恒星凝结成星系，大多数星系凝结成星系群和星系团，最后是最大尺度的结构，例如星系长城。

目前宇宙的整体密度非常低，大约为每立方厘米9.9×10⁻³⁰ 克。这种质量-能量似乎由73%的暗能量、23%的冷暗物质和4%的普通物质组成。原子的密度大约是每四立方米的体积有一个氢原子。暗能量和暗物质的特性尚不清楚。暗物质减缓了宇宙的膨胀。暗能量使其膨胀更快。

宇宙很老，而且在不断变化。根据对宇宙微波背景辐射的观察，对宇宙年龄的最佳猜测是137.98±0.37亿年。独立的估计（基于测量，如放射性测年）同意，尽管它们不太精确，从110-200亿年。 到130-150亿年。

宇宙在其历史上的所有时间都不一样。这种变大解释了为什么在地球上的人可以看到来自300亿光年外的星系的光，即使这些光只走了130亿年；它们之间的空间已经扩大。这种扩张与来自遥远星系的光被红移的观察是一致的；所发射的光子在它们的旅程中被拉长到更长的波长和更低的频率。根据对Ia型超新星的研究和其他数据，这种空间膨胀的速度正在加快。

不同化学元素的相对数量--特别是最轻的原子，如氢、氘和氦--似乎在整个宇宙和我们所知的所有历史中都是相同的。宇宙中的物质似乎比反物质多得多。宇宙似乎没有净电荷。引力是宇宙学距离上的主要相互作用。宇宙似乎也没有净动量或角动量。如果宇宙是有限的，没有净电荷和动量是可以预期的。

宇宙似乎有一个平滑的时空连续体，由三个空间维度和一个时间（时间）维度组成。平均而言，空间非常接近平坦（接近零曲率），这意味着欧几里得几何学在整个宇宙的大部分地区都是实验上的真实，具有很高的准确性。然而，宇宙可能有更多的维度，其时空可能有一个多重连接的全球拓扑结构。

宇宙自始至终都有相同的物理规律和物理常数。根据通行的物理学标准模型，所有物质都是由三代轻子和夸克组成，两者都是费米子。这些基本粒子最多通过三种基本相互作用：包括电磁力和弱核力的电弱相互作用；量子色动力学描述的强核力；以及目前由广义相对论描述得最好的引力。

狭义相对论在本地空间和时间的所有宇宙中都成立。否则，广义相对论就成立。对于整个宇宙中物理常数的特定值，如普朗克常数h或引力常数G，没有任何解释。已经确定了几个守恒定律，如电荷守恒、动量守恒、角动量守恒和能量守恒。

宇宙被认为主要由暗能量和暗物质构成，这两种物质现在都不被理解。不到5%的宇宙是普通物质。


宇宙是由基本粒子构成的。六个轻子和六个夸克组成了大部分物质；例如，原子核的质子和中子是由夸克组成的，而无处不在的电子是一个轻子。这些粒子通过中间一行所示的规整玻色子进行相互作用，每个规整玻色子都对应着一种特定的规整对称性。希格斯玻色子被认为会赋予与之相连的粒子以质量。引力子，一个假定的用于引力的规整玻色子，没有显示出来。

理论模型

广义相对论

对宇宙的过去和未来进行准确的预测需要一个准确的引力理论。目前最好的理论是阿尔伯特-爱因斯坦的广义相对论，它已经通过了迄今为止的所有实验测试。然而，由于严格的实验还没有在宇宙学长度尺度上进行，可以想象广义相对论是不准确的。然而，它的预测似乎与观测结果一致，所以没有理由采用另一种理论。

广义相对论提供了一组关于时空尺度的10个非线性偏微分方程（爱因斯坦场方程），必须从整个宇宙的质能和动量分布来解决。由于这些都是未知的确切细节，宇宙学模型一直基于宇宙学原理，该原理指出宇宙是同质和各向同性的。实际上，这一原则断言，组成宇宙的各个星系的引力作用相当于在整个宇宙中均匀分布的平均密度相同的细小尘埃。均匀尘埃的假设使得解决爱因斯坦的场方程和预测宇宙在宇宙学时间尺度上的过去和未来变得容易。

爱因斯坦的场方程包括一个宇宙学常数（Lamda: Λ），它与空的能量密度有关。根据其符号，宇宙学常数可以减缓（负Λ）或加速（正Λ）宇宙的膨胀。尽管包括爱因斯坦在内的许多科学家曾推测Λ为零，但最近对Ia型超新星的天文观测发现，大量的暗能量正在加速宇宙的膨胀。初步研究表明，这种暗能量与正的Λ有关，尽管目前还不能排除其他理论。

大爆炸模型

盛行的大爆炸模型解释了上述的许多实验观测，如星系的距离和红移的相关性，氢原子：氦原子的普遍比例，以及无处不在的各向同性的微波辐射背景。如上所述，红移产生于空间的度量膨胀；随着空间本身的膨胀，在空间中旅行的光子的波长也同样增加，使其能量减少。一个光子旅行的时间越长，它所经历的膨胀就越大；因此，来自更远的星系的老光子的红移程度最大。确定距离和红移之间的相关性是实验性物理宇宙学的一个重要问题。

其他的实验观察可以通过将空间的整体膨胀与核物理和原子物理相结合来解释。随着宇宙的膨胀，电磁辐射的能量密度比物质的能量密度下降得更快，因为光子的能量随着其波长的减少而减少。因此，尽管现在宇宙的能量密度是由物质主导的，但它曾经是由辐射主导的；从诗意的角度来说，所有的都是光。随着宇宙的扩张，它的能量密度下降，变得更冷；当它这样做时，物质的基本粒子可以稳定地结合成越来越大的组合。因此，在物质主导时代的早期，形成了稳定的质子和中子，然后关联成原子核。在这个阶段，宇宙中的物质主要是由负电子、中性中微子和正原子核组成的热而密集的等离子体。核子之间的核反应导致了目前较轻核子的丰度，特别是氢、氘和氦。最终，电子和原子核结合成稳定的原子，对大多数波长的辐射是透明的；在这一点上，辐射与物质脱钩，形成了今天观察到的无处不在的、各向同性的微波辐射背景。

其他观察结果没有得到已知物理学的明确回答。根据普遍的理论，在宇宙诞生时，物质与反物质之间存在着轻微的不平衡，或者在此后不久就形成了。尽管物质和反物质大多相互湮灭，产生了光子，但有一小部分物质残留下来，形成了现在以物质为主的宇宙。

一些证据还表明，宇宙⁻³⁵在历史上很早就发生了快速的宇宙膨胀（大约在宇宙诞生后的10_00秒）。最近的观察还表明，宇宙学常数（Λ）不是零，宇宙的净质能含量由尚未被科学描述的暗能量和暗物质主导。它们的引力效应不同。暗物质像普通物质一样具有引力，因此减缓了宇宙的膨胀；相反，暗能量的作用是加速宇宙的膨胀。

对宇宙中观察到的轻原子核的相对数量负责的主要核反应。

多重宇宙

有些人认为，存在不止一个宇宙。他们认为，有一组宇宙被称为多元宇宙。根据定义，一个宇宙中的任何东西都不可能影响另一个宇宙的东西。多元宇宙还不是一个科学概念，因为没有办法测试它。一个无法测试或不基于逻辑的想法就不是科学。因此，多元宇宙是否是一个科学的想法还不得而知。

未来

宇宙的未来是一个谜。然而，有几个理论是基于宇宙的可能形状。

• 如果宇宙是一个封闭的球体，它将停止膨胀。宇宙将与此相反，成为另一个大爆炸的奇点。
• 如果宇宙是一个开放的球体，它将加速膨胀。22,000,000,000（220亿）年后，宇宙将在力量的作用下撕裂开来。
• 如果宇宙是平的，它将永远膨胀。所有的恒星都会因此而失去能量，变成一颗颗矮小的恒星。在googol年之后，黑洞也将消失。

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