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维基百科

宇宙

二月 10, 2023

关于与「宇宙」標題相近或相同的条目，請見「宇宙 (消歧義)」。

宇宙（英語：universe，拉丁語：universus）是所有時間、空間[a]與其包含的內容物[8]所構成的統一體[9][10][11][12]，宇是空間，宙是時間，並生天地宇，同閲古今宙；它包含了行星、恆星、星系、星系際空間、次原子粒子以及所有的物質與能量，宇指空間，宙指時間。目前人類可觀測到的宇宙，其距離大約為93 × 109光年（28.5 × 109秒差距）[2]，最大為27,160百萬秒差距；而整個宇宙的大小不太可能為無限大，宇宙有限時間形成，有限時間毀滅，大小科學根據有限，甚至多元宇宙有限，但未有定論[13]。物理理論的發展與對宇宙的觀察，引領著人類進行宇宙構成與演化的推論。

宇宙
可觀測宇宙的對數表示。 著名的天文物體用中文標記。
年齡13.799 ± 0.021 x 109年[1]
直徑未知。可觀測宇宙8.8×1026 米，28.5 × 109秒差距（93 × 109光年）[2]
物質（原有物質）至少1053公斤[3]
平均密度（包含能量）9.9 x 10−30 g/cm3[4]
平均溫度2.72548 K[5]
主要成分為乙太原有（重子）物質（4.9%）
乙太質（26.8%）
乙太量 （68.3%）[6]
形狀扁平狀，誤差範圍只有0.4%[7]

根據歷史記載，人類曾經提出宇宙學、天体演化学與科學模型，解釋人們對於宇宙的觀察。最早的理論為天動說，由古希臘哲學家與印度哲學家所提出[14][15]。數世紀以來，逐漸精確的天文觀察，引領尼古拉·哥白尼提出以太陽系為主的地動說，以及經約翰尼斯·克卜勒改良的克卜勒定律；最終艾薩克·牛頓的牛頓萬有引力定律解釋了前述的理論。後來觀察方法逐漸改良，引領人類意識到太陽系位於數十億恆星所形成的星系，稱為銀河系；隨後更發現，銀河系只是眾多星系之一。在最大尺度範圍上，人們假定星系的分布平均，且各星系在各個方向之間的距離皆相同，這代表著宇宙既沒有邊緣，也沒有所謂的中心。透過星系分布與譜線的觀察，產生了許多現代物理宇宙學的理論。20世紀前期，人們發現到星系具有系統性的紅移現象，表明宇宙正在膨脹；藉由宇宙微波背景輻射的觀察，表明宇宙具有起源[16]。最後，1990年代後期的觀察，發現宇宙的膨脹速率正在加快[17]，顯示有可能存在一股未知的巨大能量促使宇宙加速膨脹，稱做暗能量。而宇宙的大多數質量則以一種未知的形式存在著，稱做暗物質。

大爆炸理論是當前描述宇宙發展的宇宙學模型。ΛCDM模型推測宇宙年齡為137.99±0.21 億年。大爆炸產生了空間與時間，充滿了定量的物質與能量；當宇宙開始膨脹時，物質與能量的密度也開始降低。在初期膨脹過後，宇宙開始大幅冷卻，引發第一波次原子粒子的組成，稍後則合成為簡單的原子。這些原始元素所組成的巨大星雲，藉由重力結合起來形成恆星[1][18]。

目前有各種假說正競相描述著宇宙的終極命運。物理學家與哲學家仍不確定在大爆炸前是否存在任何事物；許多人拒絕推測與懷疑大爆炸之前的狀態是否可偵測。目前也存在各種多重宇宙論的說法，其中部分科學家認為可能存在著與現今宇宙相似的眾多宇宙，而現今的宇宙只是其中之一[19][20]。

定義

哈伯太空望遠鏡拍攝的哈伯超深空星系群，從星空最深處一路縮小
（59秒影片，2019年5月2日）

物理學的宇宙被定義為所有的時間與空間[a]（兩者共同稱為時空）[8]；這包含了電磁輻射及物質等所有能量的各種形態，進而組成行星、衛星、恆星、星系及星系際空間[21][22][23]。宇宙也包含了影響能量與物質的物理定律，包含守恆定律、古典力學及相對論[24]。

宇宙通常被定義為「存在的總和」，或是過去、現在及未來所有存在的萬物（英语：everything）[24]。事實上，部分哲學家及科學家認為宇宙的定義包含了數學、邏輯等等思想及抽象的概念[26][27][28]。「宇宙」這個詞也可以指「世界」、「自然」等概念[29][30]。

詞源

「宇宙」的來源，可追溯自戰國時期尸佼的著作《尸子》〈卷下〉篇：「上下四方曰宇，往古来今曰宙。」首次將宇宙兩字合為一體則是出現於《莊子》的〈齊物論〉：“旁日月，挟宇宙[31][32]”。

宇宙的英語「universe」起源於古法語的「univers」，而該詞又源自於拉丁語的「universum」[33]。 西塞羅與後來的拉丁語作者曾使用過「universum」這個詞彙，與現代英語所使用的「universe」意義相同[34]。

同義詞

畢達哥拉斯以降的古希臘哲學家，將宇宙稱做「τὸ πᾶν」（一切），定義為一切的物質與空間，而「τὸ ὅλον」（一切事物）則不包含空無狀態[35][36]。另外一個同義詞則是「ὁ κόσμος」（意義為世界、宇宙）[37]。拉丁語學者也常使用「totum」、「mundus」、「natura」等詞稱呼宇宙[38]，且影響現今的語言，如德國以「Das All」、「Weltall」與「Natur」稱呼宇宙。英語中也能找到宇宙的同義詞，如「everything」（如萬有理論）、「cosmos」（如宇宙學）、「world」（如多世界詮釋）與「nature」（如自然法或自然哲學）[39]。

大爆炸与年表

主条目：大爆炸和宇宙的起源

當前能解釋宇宙發展的模型為大爆炸理論[40][41]。大爆炸模型指出，宇宙最早處於溫度與密度極高的狀態中，接著開始膨脹。該模型基於廣義相對論與空間同質性（英语：Homogeneity (physics)）、各向同性等簡單推論而來。為了針對宇宙的各種觀察進行說明，科學家使用了包含宇宙學常數與冷暗物質在內的簡單模型，稱做ΛCDM模型。大爆炸模型針對星系間的距離關聯性與紅移現象、氫與氧原子的數目比例、以及微波輻射背景等觀察做出說明。

 
在本圖中，時間軸方向為從左至右，宇宙的其中一個維度則予以隱藏，因此在圖中的任何給定時間，宇宙會以碟狀「切片」的型態顯示。

宇宙初始時的高熱、高密度狀態，稱為普朗克時期；此時期從時間零點到1個普朗克時間單位，需時約10−43秒，非常短暫。普朗克時期期間，所有型態的物質與能量都會集中，達到緊緻的狀態；此時科學家相信重力與其他的基本力一樣強大且達成統一的狀態。普朗克時期過後，宇宙開始膨脹成現在的型態；也許宇宙在如此短的時間發生暴脹，導致其體積能夠在10−32秒內達到非常大的規模[42]。

在普朗克時期與暴脹時期之後，宇宙開始經歷夸克時期、強子時期與輕子時期。從大爆炸之後起算，前面所述的這些時期所經歷的時間，總共不超過10秒。

性質

主条目：可觀測宇宙和宇宙的年齡

宇宙的時空通常以歐幾里得的觀點解析，也就是三維空間加上時間維度的「四維空間[43]」。時間與空間可結合成一個流形，稱作閔考斯基時空；物理學家以此簡化了大量的物理理論，並使用更統一的方式，描述包含超星系與次原子層次的宇宙運作機制。

時空的事件並非絕對限定於空間與時間上，而是觀測者的已知相對運動。閔考斯基空間非常接近宇宙的無重力狀態；廣義相對論的偽黎曼流形描述了物質與重力在內的時空。弦理論則假設宇宙存有額外的維度。

在4種基本相互作用中，重力於宇宙中星系與大尺度結構等大規模範圍中，具有主導地位。重力的影響可以累積；相對地，正電荷與負電荷的影響則會相互抵消，使得電磁作用於宇宙大尺度結構中的影響力變低。至於弱相互作用與強交互作用的影響力，則會隨著距離增加而大幅下降，因此它們主要作用於次原子尺度。

宇宙中有著物質比反物質多的現象，這種不對稱可以從CP破壞的觀察中得到[44]。宇宙既沒有動量，也沒有角動量；假設宇宙有限，就會遵循公認的物理定律（分別是高斯定律與應力-能量-動量贗張量（英语：stress-energy-momentum pseudotensor）的非散發型態[45]）。

可觀測宇宙的空間尺度
 

大小與區域

参见：可觀測宇宙

宇宙的大小目前仍難以界定。根據一種較為嚴謹的定義，宇宙為與自身所繫時空的任何一切，且人們與時空可以互動[46]。根據廣義相對論，宇宙空間中的部分區域可能會因為有限光速與持續的空間擴展，導致在宇宙存在的時間中，永遠無法與人們產生互動。舉例，從地球發出的廣播訊息，即使宇宙永遠存在，可能永遠無法抵達宇宙空間中的部分區域：空間擴展所花費的時間，會比光抵達該區域的時間還快[47]。

宇宙空間中較遠的區域，即使人們無法和這些區域互動，但仍會假定這些區域存在，並且是現實的一部份。人們可影響與受影響的空間區域，稱為可觀測宇宙。可觀測宇宙的大小，取決於觀察者的位置。藉由旅行，觀察者可以觀測到更廣大的區域，比起站在定點所觀察到的區域還大。然而，即使是最快的旅行者，仍將無法與所有的宇宙空間互動。一般來說，可觀測宇宙指的是觀察者從銀河系中的有利位置所觀察到的一部份宇宙。

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[48]。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（Proper Distance）为465亿光年，这一距离称为今天宇宙的粒子视界。即可觀測宇宙的半径为465亿光年，直径为930亿光年。可觀測宇宙的边缘的光子传播到今天的地球经过的距离非常接近大爆炸距今的时间乘以光速，即大约138亿光年。由于宇宙在膨胀，宇宙的边缘到地球的固有距离比这个距离大得多。

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，是哈伯–勒梅特定律的倒数乘以光速，其数值约为1.29×1026公尺，也約为138亿光年。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。

 
具有當今已知的一些著名天文物體的宇宙地圖。 長度比例向右呈指數增長。 天體顯示為放大尺寸，以便能夠欣賞其形狀。

形狀

主条目：宇宙的形狀
 
宇宙形狀的三種可能情况

廣義相對論描述了時空如何經由物質與能量產生扭曲與彎折。宇宙的拓扑學與幾何學包含了可觀測宇宙內的局部幾何與全域幾何。宇宙學家通常會將時空給予一個類空間隔的切片，稱之為同移座標。在時空中可以觀察到的部分是過去的光錐，劃定了宇宙學視界。宇宙學視界（也稱作粒子視界或光視界）的最大距離，為粒子在宇宙年齡範圍中，旅行至觀察者的距離。而視界則代表宇宙中可觀察到無法觀察區間的界限[49][50]。宇宙學視界的存在、性質與顯著性是隨特定的宇宙學視界而定。

決定宇宙未來發展的一個重要參數為密度參數（Ω），定義為宇宙的實際（或觀測）密度與弗里德曼宇宙臨界密度之比值。宇宙的形狀有3種可能的幾何型態，取決於Ω是否等於、小於或大於1。這將會分別決定宇宙的形狀為扁平態、開放態或封閉態[51]。

根據宇宙背景探測者、威爾金森微波各向異性探測器與普朗克衛星對於宇宙微波背景輻射的觀察，認為宇宙是具有有限年齡的無限空間，為弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規所描述的內容之一[52][53][54][55]。該模型支持暴脹理論與標準宇宙學模型，描述宇宙為具有同質性的扁平狀空間，而暗物質與暗能量占有主導地位[1][56]。

成分

参见：乙太
 
冷暗物質模式下星系團、大尺度纖維狀結構與暗能量的構成圖。本圖顯示了4,300萬秒差距（1.4億光年）範圍內，紅移值從30至現今的結構演化（左上z=27.36至右下z=0）。

宇宙幾乎是由乙太量、乙太質與原有物質組成。其他的成分為電磁波（約占0.005-0.01%）與反物質[57][58][59]。宇宙中所產生的電磁波總量，在過去20億年中減少了一半[60][61]。

原有物質包含了原子、恆星、星系與生命，在宇宙中只占有全部成分的4.9%[6]。現存的原有物質總密度非常低，約為每立方公分4.5 × 10−31公克，相當於每4立方公尺只有1個質子[4]。暗物質與暗能量的本質目前尚未知曉。暗物質是一種目前尚未被偵測的神祕物質型態，占宇宙全部成分的26.8%。暗能量是真空中的能量，也是導致宇宙加速膨脹的原因，在全部宇宙成分中占68.3%[62][63][6]。

 
一幅地球附近的超星系團與空洞地圖。

物質、暗物質與暗能量均勻分布於宇宙3億光年的大尺度範圍中[64]。然而，在小尺度範圍中，物質會趨向集結為塊狀層次；大多數原子會聚集成恆星，大多數恆星會聚集成星系，而大多數星系會聚集成星系團與超星系團（英语：Galaxy groups and clusters），最後則聚集成大尺度纖維狀結構。可觀測宇宙包含了大約300澗（3×1023）個恆星[65]與超過1,000億（1011）個星系[66]。通常星系的規模可以小到只有1,000萬（107）個恆星（矮星系[67]），也可以大到擁有1兆（1012）個恆星，形成巨大的星系[68]。各結構之間存有空洞，直徑通常為1,000萬－1.5億秒差距（3,300萬－4.9億光年）之間。銀河系是本星系群的其中一個星系，其所屬的超星系團為拉尼亞凱亞超星系團[69]。此超星系團範圍廣達5億光年，而本星系群範圍則超過1,000萬光年[70]。相對地，宇宙也有廣大的空無區域；已知最大的空洞範圍廣達180億光年（5.5億秒差距[71]）。

在規模比超星系團大的可觀測宇宙，具有各向同性，也就是從地球上觀察宇宙的任一方向，其統計學上的性質皆相同。宇宙中充滿了強烈且各向同性的微波輻射，對應於熱平衡黑體波譜，大約為2.72548克耳文[5]。「大尺度宇宙為各向同性」的假說，成為目前為人所知的宇宙學原理[72]。無論在任何一個瞭望點觀察宇宙，皆具有均勻性與各向同性[73]，且宇宙沒有所謂的中心[74]。

暗能量

主条目：暗能量

宇宙為何正在膨脹，長期以來都找不到比較好的解釋。目前假設可能是由於一股未知的能量充斥在宇宙空間中，稱之為「暗能量[63]」。在質能等價的基礎上，暗能量的密度（6.91 × 10−27 kg/m3）比星系中原有物質或暗物質來得小。然而，在現今的暗能量時代，由於暗能量均勻分布於宇宙中，因此它支配著宇宙的質能[75]。

目前科學家所提出暗能量的兩個型態，皆為宇宙學常數；其一是「靜態」的能量密度，它能均勻分佈在空間中[76]，以及如第五元素或模數（英语：Moduli (physics)）等純量場（英语：Scalar field theory）中；其二是「動態」的能量密度量數，會隨者空間與時間而有所變化。宇宙學常數通常也包含了恆定空間中純量場的貢獻。宇宙學常數可被定義為等同真空能量。如果純量場之間僅有非常微小的空間不均勻差異，那光從宇宙學常數是無法分辨出這些純量場。

宇宙的命運

主条目：宇宙的終極命運

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”相对的一场“大擠壓”（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等天文观测所知，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，宇宙的最终命运取决于暗能量的密度和性质，較不可能是“大擠壓”（big crunch），可能是渐缓膨胀趋于稳定，更可能是继续无限膨胀或不断加速膨胀至连原子也被摧毁的“大撕裂”（big rip）。目前，由于对暗能量的性质缺乏了解，还难以对宇宙的命运作出肯定的预言。

多重宇宙

主条目：多重宇宙论
 
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。

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，在宇宙暴脹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 [77]。

神話和宗教的宇宙觀

主条目：创世神话和宇宙學

起初古人没有普遍意识到有其他世界存在的可能性，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

主条目：佛教宇宙論

“世”为时间（注：三十年为一世）意，“界”为空间意。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。即於时间上有过去、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。

佛經中，大的空间叫佛刹、虚空，小的叫微尘，統称为“三千大千世界”[78]。“佛教宇宙觀”主張宇宙係有無數個世界。集一千個小世界稱為“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。[79]《华严经》提到：“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。”[80]

色界諸天分為四禪，即初禪、二禪、三禪、四禪，总计十八天。初禅天三天，包括梵众天、梵辅天（日语：梵輔天）、大梵天；第二禅天三天，包括少光天（日语：少光天）、无量光天（日语：無量光天）、极光净天（日语：光音天）；第三禅天三天，包括少净天（日语：少浄天）、无量净天（日语：無量浄天）、遍净天（日语：遍照天）；第四禅天为九天，包括无云天（日语：無雲天）、福生天（日语：福生天）、广果天（日语：広果天）、無想天（日语：広果天#無想天）、无烦天（日语：無煩天）、无热天（日语：無熱天）、善现天（日语：善現天）、善见天（日语：善見天）、色究竟天（日语：色究竟天）。[81]在无色界,還有空无边处天、识无边处天、无所有处天、非想非非想处天等四无色天。

中国上古神话

《艺文类聚》記載“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”[82]。

《郭店楚简》记载：“大一生水。水反辅大一，是以成天。天反辅大一，是以成地。天地[复相辅]也，是以成神明。神明复[相]辅也，是以成阴阳。阴阳复相辅也，是以成四时。”[83]

到戰國後中國出現了論天三說即：蓋天說和宣夜說與渾天說。

其他神話

印度神话描述宇宙之始，有一梵卵化为一人，即普鲁沙，普魯沙有著數千個頭、眼睛和腳，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。

古埃及神話中認為初始宇宙是來自阿多姆神（Atum），阿多姆一分为二，变成風神休（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）和大地之神盖布（Geb）。

参考文献

註解

  1. ^ 1.0 1.1 根據現代物理學（尤其是相對論），時間與空間在時空內互有關聯性。

引用

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  78. ^ 《俱舍论》卷十一：“四大洲日月，苏迷卢欲天，梵世各一千，名一小千界，此小千千倍，说名一中千，此千倍大千，皆同一成坏。”
  79. ^ 《华严经》卷九〈初发心菩萨功德品〉
  80. ^ 《仁王護國般若經疏》卷2〈1序品〉：“言九梵者：謂第四禪九天：一、無雲，二、福生，三、廣果，四、無想，五、無煩，六、無熱，七、善現，八、善見，九、色究竟也。”
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其他

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  • 史蒂芬·霍金 著，吳忠超、許明賢 合譯：〈基本粒子和自然的粒〉，《時間簡史-從大爆炸到黑洞》（藝文印書館，2002年增訂版）.
  • 呂應鐘：《大世紀－佛經宇宙人紀事》（台北：慧眾出版，1992年12月）.
  • 陳家成、林杜娟：〈科學和佛教的宇宙論及其與十二因緣的關係〉(佛教與科學，2001年).
  • 楊中傑：〈從佛學角度觀西方三大物理學之理論層次〉（佛學與科學，2001年）.
  • 王萌：〈佛教與科學的當代對話－以佛教性空論與量子理論為線索〉（四川：自然辯証法通訊，2004年第2期）.

外部链接

参见

二月 10, 2023
宇宙, 关于与, 標題相近或相同的条目, 請見, 消歧義, 此條目論述以部分區域為主, 未必具有普世通用的觀點, 2013年9月27日, 請協助補充內容, 以避免偏頗, 或討論本文的問題, 英語, universe, 拉丁語, universus, 是所有時間, 空間, 與其包含的內容物, 所構成的統一體, 宇是空間, 宙是時間, 並生天地宇, 同閲古今宙, 它包含了行星, 恆星, 星系, 星系際空間, 次原子粒子以及所有的物質與能量, 宇指空間, 宙指時間, 目前人類可觀測到的, 其距離大約為93, 109光年,. 关于与 宇宙 標題相近或相同的条目 請見 宇宙 消歧義 此條目論述以部分區域為主 未必具有普世通用的觀點 2013年9月27日 請協助補充內容 以避免偏頗 或討論本文的問題 宇宙 英語 universe 拉丁語 universus 是所有時間 空間 a 與其包含的內容物 8 所構成的統一體 9 10 11 12 宇是空間 宙是時間 並生天地宇 同閲古今宙 它包含了行星 恆星 星系 星系際空間 次原子粒子以及所有的物質與能量 宇指空間 宙指時間 目前人類可觀測到的宇宙 其距離大約為93 109光年 28 5 109秒差距 2 最大為27 160百萬秒差距 而整個宇宙的大小不太可能為無限大 宇宙有限時間形成 有限時間毀滅 大小科學根據有限 甚至多元宇宙有限 但未有定論 13 物理理論的發展與對宇宙的觀察 引領著人類進行宇宙構成與演化的推論 宇宙可觀測宇宙的對數表示 著名的天文物體用中文標記 年齡13 799 0 021 x 109年 1 直徑未知 可觀測宇宙7026880000000000000 8 8 1026 米 28 5 109秒差距 93 109光年 2 物質 原有物質 至少1053公斤 3 平均密度 包含能量 9 9 x 10 30 g cm3 4 平均溫度2 72548 K 5 主要成分為乙太原有 重子 物質 4 9 乙太質 26 8 乙太量 68 3 6 形狀扁平狀 誤差範圍只有0 4 7 根據歷史記載 人類曾經提出宇宙學 天体演化学與科學模型 解釋人們對於宇宙的觀察 最早的理論為天動說 由古希臘哲學家與印度哲學家所提出 14 15 數世紀以來 逐漸精確的天文觀察 引領尼古拉 哥白尼提出以太陽系為主的地動說 以及經約翰尼斯 克卜勒改良的克卜勒定律 最終艾薩克 牛頓的牛頓萬有引力定律解釋了前述的理論 後來觀察方法逐漸改良 引領人類意識到太陽系位於數十億恆星所形成的星系 稱為銀河系 隨後更發現 銀河系只是眾多星系之一 在最大尺度範圍上 人們假定星系的分布平均 且各星系在各個方向之間的距離皆相同 這代表著宇宙既沒有邊緣 也沒有所謂的中心 透過星系分布與譜線的觀察 產生了許多現代物理宇宙學的理論 20世紀前期 人們發現到星系具有系統性的紅移現象 表明宇宙正在膨脹 藉由宇宙微波背景輻射的觀察 表明宇宙具有起源 16 最後 1990年代後期的觀察 發現宇宙的膨脹速率正在加快 17 顯示有可能存在一股未知的巨大能量促使宇宙加速膨脹 稱做暗能量 而宇宙的大多數質量則以一種未知的形式存在著 稱做暗物質 大爆炸理論是當前描述宇宙發展的宇宙學模型 LCDM模型推測宇宙年齡為7002137990000000000 137 99 0 21 億年 大爆炸產生了空間與時間 充滿了定量的物質與能量 當宇宙開始膨脹時 物質與能量的密度也開始降低 在初期膨脹過後 宇宙開始大幅冷卻 引發第一波次原子粒子的組成 稍後則合成為簡單的原子 這些原始元素所組成的巨大星雲 藉由重力結合起來形成恆星 1 18 目前有各種假說正競相描述著宇宙的終極命運 物理學家與哲學家仍不確定在大爆炸前是否存在任何事物 許多人拒絕推測與懷疑大爆炸之前的狀態是否可偵測 目前也存在各種多重宇宙論的說法 其中部分科學家認為可能存在著與現今宇宙相似的眾多宇宙 而現今的宇宙只是其中之一 19 20 目录 1 定義 2 詞源 2 1 同義詞 3 大爆炸与年表 4 性質 4 1 大小與區域 4 2 形狀 5 成分 5 1 暗能量 6 宇宙的命運 7 多重宇宙 8 神話和宗教的宇宙觀 8 1 佛教宇宙觀 8 2 中国上古神话 8 3 其他神話 9 参考文献 9 1 註解 9 2 引用 9 3 其他 10 外部链接 11 参见定義 编辑 source source source source source source source source source source source source source source source source 哈伯太空望遠鏡拍攝的哈伯超深空星系群 從星空最深處一路縮小 59秒影片 2019年5月2日 物理學的宇宙被定義為所有的時間與空間 a 兩者共同稱為時空 8 這包含了電磁輻射及物質等所有能量的各種形態 進而組成行星 衛星 恆星 星系及星系際空間 21 22 23 宇宙也包含了影響能量與物質的物理定律 包含守恆定律 古典力學及相對論 24 宇宙通常被定義為 存在的總和 或是過去 現在及未來所有存在的萬物 英语 everything 24 事實上 部分哲學家及科學家認為宇宙的定義包含了數學 邏輯等等思想及抽象的概念 26 27 28 宇宙 這個詞也可以指 世界 自然 等概念 29 30 詞源 编辑 宇宙 的來源 可追溯自戰國時期尸佼的著作 尸子 卷下 篇 上下四方曰宇 往古来今曰宙 首次將宇宙兩字合為一體則是出現於 莊子 的 齊物論 旁日月 挟宇宙 31 32 宇宙的英語 universe 起源於古法語的 univers 而該詞又源自於拉丁語的 universum 33 西塞羅與後來的拉丁語作者曾使用過 universum 這個詞彙 與現代英語所使用的 universe 意義相同 34 同義詞 编辑 畢達哥拉斯以降的古希臘哲學家 將宇宙稱做 tὸ pᾶn 一切 定義為一切的物質與空間 而 tὸ ὅlon 一切事物 則不包含空無狀態 35 36 另外一個同義詞則是 ὁ kosmos 意義為世界 宇宙 37 拉丁語學者也常使用 totum mundus natura 等詞稱呼宇宙 38 且影響現今的語言 如德國以 Das All Weltall 與 Natur 稱呼宇宙 英語中也能找到宇宙的同義詞 如 everything 如萬有理論 cosmos 如宇宙學 world 如多世界詮釋 與 nature 如自然法或自然哲學 39 大爆炸与年表 编辑主条目 大爆炸和宇宙的起源 自然演化历程查论编 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 宇宙膨脹最早的光加速膨胀太陽系水单细胞生物光合作用多細胞生物陸生生物最早的重力暗能量暗物质 宇宙形成 13 8 星系出现 类星体出现 半人馬w星團形成 仙女座大星系形成 銀河系螺旋臂形成 NGC 188星團形成 半人馬座a星形成 地球形成 4 54 生命起源 氧气出现 氧气进入大气 有性生殖出现 寒武纪大爆发 人类出现生命在地球之前时间轴单位 十億年 另见 人类演化历程 和 生命演化历程 當前能解釋宇宙發展的模型為大爆炸理論 40 41 大爆炸模型指出 宇宙最早處於溫度與密度極高的狀態中 接著開始膨脹 該模型基於廣義相對論與空間同質性 英语 Homogeneity physics 各向同性等簡單推論而來 為了針對宇宙的各種觀察進行說明 科學家使用了包含宇宙學常數與冷暗物質在內的簡單模型 稱做LCDM模型 大爆炸模型針對星系間的距離關聯性與紅移現象 氫與氧原子的數目比例 以及微波輻射背景等觀察做出說明 在本圖中 時間軸方向為從左至右 宇宙的其中一個維度則予以隱藏 因此在圖中的任何給定時間 宇宙會以碟狀 切片 的型態顯示 宇宙初始時的高熱 高密度狀態 稱為普朗克時期 此時期從時間零點到1個普朗克時間單位 需時約10 43秒 非常短暫 普朗克時期期間 所有型態的物質與能量都會集中 達到緊緻的狀態 此時科學家相信重力與其他的基本力一樣強大且達成統一的狀態 普朗克時期過後 宇宙開始膨脹 成現在的型態 也許宇宙在如此短的時間發生暴脹 導致其體積能夠在10 32秒內達到非常大的規模 42 在普朗克時期與暴脹時期之後 宇宙開始經歷夸克時期 強子時期與輕子時期 從大爆炸之後起算 前面所述的這些時期所經歷的時間 總共不超過10秒 性質 编辑主条目 可觀測宇宙和宇宙的年齡 宇宙的時空通常以歐幾里得的觀點解析 也就是三維空間加上時間維度的 四維空間 43 時間與空間可結合成一個流形 稱作閔考斯基時空 物理學家以此簡化了大量的物理理論 並使用更統一的方式 描述包含超星系與次原子層次的宇宙運作機制 時空的事件並非絕對限定於空間與時間上 而是觀測者的已知相對運動 閔考斯基空間非常接近宇宙的無重力狀態 廣義相對論的偽黎曼流形描述了物質與重力在內的時空 弦理論則假設宇宙存有額外的維度 在4種基本相互作用中 重力於宇宙中星系與大尺度結構等大規模範圍中 具有主導地位 重力的影響可以累積 相對地 正電荷與負電荷的影響則會相互抵消 使得電磁作用於宇宙大尺度結構中的影響力變低 至於弱相互作用與強交互作用的影響力 則會隨著距離增加而大幅下降 因此它們主要作用於次原子尺度 宇宙中有著物質比反物質多的現象 這種不對稱可以從CP破壞的觀察中得到 44 宇宙既沒有動量 也沒有角動量 假設宇宙有限 就會遵循公認的物理定律 分別是高斯定律與應力 能量 動量贗張量 英语 stress energy momentum pseudotensor 的非散發型態 45 可觀測宇宙的空間尺度 大小與區域 编辑 参见 可觀測宇宙 宇宙的大小目前仍難以界定 根據一種較為嚴謹的定義 宇宙為與自身所繫時空的任何一切 且人們與時空可以互動 46 根據廣義相對論 宇宙空間中的部分區域可能會因為有限光速與持續的空間擴展 導致在宇宙存在的時間中 永遠無法與人們產生互動 舉例 從地球發出的廣播訊息 即使宇宙永遠存在 可能永遠無法抵達宇宙空間中的部分區域 空間擴展所花費的時間 會比光抵達該區域的時間還快 47 宇宙空間中較遠的區域 即使人們無法和這些區域互動 但仍會假定這些區域存在 並且是現實的一部份 人們可影響與受影響的空間區域 稱為可觀測宇宙 可觀測宇宙的大小 取決於觀察者的位置 藉由旅行 觀察者可以觀測到更廣大的區域 比起站在定點所觀察到的區域還大 然而 即使是最快的旅行者 仍將無法與所有的宇宙空間互動 一般來說 可觀測宇宙指的是觀察者從銀河系中的有利位置所觀察到的一部份宇宙 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 48 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 Proper Distance 为465亿光年 这一距离称为今天宇宙的粒子视界 即可觀測宇宙的半径为465亿光年 直径为930亿光年 可觀測宇宙的边缘的光子传播到今天的地球经过的距离非常接近大爆炸距今的时间乘以光速 即大约138亿光年 由于宇宙在膨胀 宇宙的边缘到地球的固有距离比这个距离大得多 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 是哈伯 勒梅特定律的倒数乘以光速 其数值约为1 29 1026公尺 也約为138亿光年 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 具有當今已知的一些著名天文物體的宇宙地圖 長度比例向右呈指數增長 天體顯示為放大尺寸 以便能夠欣賞其形狀 形狀 编辑 主条目 宇宙的形狀 宇宙形狀的三種可能情况 廣義相對論描述了時空如何經由物質與能量產生扭曲與彎折 宇宙的拓扑學與幾何學包含了可觀測宇宙內的局部幾何與全域幾何 宇宙學家通常會將時空給予一個類空間隔的切片 稱之為同移座標 在時空中可以觀察到的部分是過去的光錐 劃定了宇宙學視界 宇宙學視界 也稱作粒子視界或光視界 的最大距離 為粒子在宇宙年齡範圍中 旅行至觀察者的距離 而視界則代表宇宙中可觀察到無法觀察區間的界限 49 50 宇宙學視界的存在 性質與顯著性是隨特定的宇宙學視界而定 決定宇宙未來發展的一個重要參數為密度參數 W 定義為宇宙的實際 或觀測 密度與弗里德曼宇宙臨界密度之比值 宇宙的形狀有3種可能的幾何型態 取決於W是否等於 小於或大於1 這將會分別決定宇宙的形狀為扁平態 開放態或封閉態 51 根據宇宙背景探測者 威爾金森微波各向異性探測器與普朗克衛星對於宇宙微波背景輻射的觀察 認為宇宙是具有有限年齡的無限空間 為弗里德曼 勒梅特 羅伯遜 沃爾克度規所描述的內容之一 52 53 54 55 該模型支持暴脹理論與標準宇宙學模型 描述宇宙為具有同質性的扁平狀空間 而暗物質與暗能量占有主導地位 1 56 成分 编辑参见 乙太 冷暗物質模式下星系團 大尺度纖維狀結構與暗能量的構成圖 本圖顯示了4 300萬秒差距 1 4億光年 範圍內 紅移值從30至現今的結構演化 左上z 27 36至右下z 0 宇宙幾乎是由乙太量 乙太質與原有物質組成 其他的成分為電磁波 約占0 005 0 01 與反物質 57 58 59 宇宙中所產生的電磁波總量 在過去20億年中減少了一半 60 61 原有物質包含了原子 恆星 星系與生命 在宇宙中只占有全部成分的4 9 6 現存的原有物質總密度非常低 約為每立方公分4 5 10 31公克 相當於每4立方公尺只有1個質子 4 暗物質與暗能量的本質目前尚未知曉 暗物質是一種目前尚未被偵測的神祕物質型態 占宇宙全部成分的26 8 暗能量是真空中的能量 也是導致宇宙加速膨脹的原因 在全部宇宙成分中占68 3 62 63 6 一幅地球附近的超星系團與空洞地圖 物質 暗物質與暗能量均勻分布於宇宙3億光年的大尺度範圍中 64 然而 在小尺度範圍中 物質會趨向集結為塊狀層次 大多數原子會聚集成恆星 大多數恆星會聚集成星系 而大多數星系會聚集成星系團與超星系團 英语 Galaxy groups and clusters 最後則聚集成大尺度纖維狀結構 可觀測宇宙包含了大約300澗 3 1023 個恆星 65 與超過1 000億 1011 個星系 66 通常星系的規模可以小到只有1 000萬 107 個恆星 矮星系 67 也可以大到擁有1兆 1012 個恆星 形成巨大的星系 68 各結構之間存有空洞 直徑通常為1 000萬 1 5億秒差距 3 300萬 4 9億光年 之間 銀河系是本星系群的其中一個星系 其所屬的超星系團為拉尼亞凱亞超星系團 69 此超星系團範圍廣達5億光年 而本星系群範圍則超過1 000萬光年 70 相對地 宇宙也有廣大的空無區域 已知最大的空洞範圍廣達180億光年 5 5億秒差距 71 在規模比超星系團大的可觀測宇宙 具有各向同性 也就是從地球上觀察宇宙的任一方向 其統計學上的性質皆相同 宇宙中充滿了強烈且各向同性的微波輻射 對應於熱平衡黑體波譜 大約為2 72548克耳文 5 大尺度宇宙為各向同性 的假說 成為目前為人所知的宇宙學原理 72 無論在任何一個瞭望點觀察宇宙 皆具有均勻性與各向同性 73 且宇宙沒有所謂的中心 74 暗能量 编辑 主条目 暗能量 宇宙為何正在膨脹 長期以來都找不到比較好的解釋 目前假設可能是由於一股未知的能量充斥在宇宙空間中 稱之為 暗能量 63 在質能等價的基礎上 暗能量的密度 6 91 10 27 kg m3 比星系中原有物質或暗物質來得小 然而 在現今的暗能量時代 由於暗能量均勻分布於宇宙中 因此它支配著宇宙的質能 75 目前科學家所提出暗能量的兩個型態 皆為宇宙學常數 其一是 靜態 的能量密度 它能均勻分佈在空間中 76 以及如第五元素或模數 英语 Moduli physics 等純量場 英语 Scalar field theory 中 其二是 動態 的能量密度量數 會隨者空間與時間而有所變化 宇宙學常數通常也包含了恆定空間中純量場的貢獻 宇宙學常數可被定義為等同真空能量 如果純量場之間僅有非常微小的空間不均勻差異 那光從宇宙學常數是無法分辨出這些純量場 宇宙的命運 编辑主条目 宇宙的終極命運 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 相对的一场 大擠壓 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等天文观测所知 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 宇宙的最终命运取决于暗能量的密度和性质 較不可能是 大擠壓 big crunch 可能是渐缓膨胀趋于稳定 更可能是继续无限膨胀或不断加速膨胀至连原子也被摧毁的 大撕裂 big rip 目前 由于对暗能量的性质缺乏了解 还难以对宇宙的命运作出肯定的预言 多重宇宙 编辑主条目 多重宇宙论 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 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 在宇宙暴脹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 77 神話和宗教的宇宙觀 编辑主条目 创世神话和宇宙學 起初古人没有普遍意识到有其他世界存在的可能性 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 编辑 主条目 佛教宇宙論 世 为时间 注 三十年为一世 意 界 为空间意 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 即於时间上有过去 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 佛經中 大的空间叫佛刹 虚空 小的叫微尘 統称为 三千大千世界 78 佛教宇宙觀 主張宇宙係有無數個世界 集一千個小世界稱為 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 79 华严经 提到 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 80 色界諸天分為四禪 即初禪 二禪 三禪 四禪 总计十八天 初禅天三天 包括梵众天 梵辅天 日语 梵輔天 大梵天 第二禅天三天 包括少光天 日语 少光天 无量光天 日语 無量光天 极光净天 日语 光音天 第三禅天三天 包括少净天 日语 少浄天 无量净天 日语 無量浄天 遍净天 日语 遍照天 第四禅天为九天 包括无云天 日语 無雲天 福生天 日语 福生天 广果天 日语 広果天 無想天 日语 広果天 無想天 无烦天 日语 無煩天 无热天 日语 無熱天 善现天 日语 善現天 善见天 日语 善見天 色究竟天 日语 色究竟天 81 在无色界 還有空无边处天 识无边处天 无所有处天 非想非非想处天等四无色天 中国上古神话 编辑 艺文类聚 記載 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 82 郭店楚简 记载 大一生水 水反辅大一 是以成天 天反辅大一 是以成地 天地 复相辅 也 是以成神明 神明复 相 辅也 是以成阴阳 阴阳复相辅也 是以成四时 83 到戰國後中國出現了論天三說即 蓋天說和宣夜說與渾天說 其他神話 编辑 印度神话描述宇宙之始 有一梵卵化为一人 即普鲁沙 普魯沙有著數千個頭 眼睛和腳 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 古埃及神話中認為初始宇宙是來自阿多姆神 Atum 阿多姆一分为二 变成風神休 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 和大地之神盖布 Geb 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