宇宙在哪兒??

2006-11-17 4:22 am

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宇宙

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19世紀法國科普作家C.Flammarion書中的木刻插圖：旅行家從天球中探出頭來，探索宇宙運行的機制。
中國文字裏宇宙表示全部時間和空間的綜合。在20世紀的前半個世紀裡，宇宙被用來表示我們所存在的一個時空連續統，包括其間的所有能量和物質。以這個解釋來認識宇宙形成了宇宙論，一門發展自物理學和天文學的交叉學科。在20世紀的下半葉，觀測宇宙學和理論宇宙學的發展，使得對「宇宙」一詞的理解產生分裂。前者放棄觀測整個時空連續統，而後者則繼續試圖尋找最合理的整個時空連續統的模型。

目錄[隱藏]

1 中文辭源
2 宇宙的歷史
3 宇宙的大小
4 宇宙的形狀
5 宇宙的命運
6 多重宇宙
7 另見

[編輯] 中文辭源
《文子·自然》：「往古來今謂之宙，四方上下謂之宇。」
《屍子》：「上下四方曰宇，往古來今曰宙。」
二字連用，始見於《莊子·齊物論》雲：「旁日月，挾宇宙，為其吻合。」

[編輯] 宇宙的歷史
現代物理宇宙學一般認為宇宙起源於大爆炸,即約137億(±1%)年前由一個密度極大，溫度極高的狀態膨脹而來。

10-43秒：宇宙從量子背景出現。
10-35秒：宇宙由夸克-膠子電漿體構成，強相互作用、引力與電磁相互作用/弱相互作用分開。
10-5秒：電子形成，宇宙主要包括光子、電子和中微子，溫度約1000億度。
10秒：質子和中子結合成氘氦等原子核，溫度30億度。
35分鐘：形成原子核的過程（核合成，nucleosynthesis）停止，溫度3億度。
30萬年：電子和原子核結合成為原子。物質和輻射脫耦，大爆炸輻射的殘餘成為今天的3K微波背景輻射。
4億年：第一批恆星形成。
20億年：星系形成。
50億年：太陽系形成。
目前宇宙還在繼續膨脹之中，這在觀測上為哈伯定律所概括。

[編輯] 宇宙的大小
已知宇宙或可觀察宇宙一詞可以用來表示我們所看得見或可觀察的部分宇宙。有些相信人類無法觀察到整個連續統的的宇宙，他們可能會使用我們的宇宙一詞來表示人類所能知道的那一部分宇宙，據估計只佔整個宇宙的5%。
目前關於宇宙有否無限的問題還有爭議。然而已知宇宙必須是有限的。由於相對論限定了光速為宇宙中信息交流的最高速度，今天已知宇宙的大小限於137億光年。這一部分據估計包含7x1022顆恆星，1011個星系。這些星系又組成星系群、星系群組成超星系團、及超超星系團和長城等宇宙大尺度構造。例如人類居住的地球屬於太陽系⇒銀河系⇒本星系群⇒室女座超星系團。目前觀測到最遠的星系Abell 1835 IR1916距地球1.3x1010光年。
科普和科學書刊上的「宇宙」，大多數都指上述的「已知宇宙」

[編輯] 宇宙的形狀

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威爾金森探測器測量的宇宙微波背景輻射分佈。
宇宙的形狀是宇宙學是的一個未解決問題。用數學的語言說就是：「哪一個三位形狀才能最好地代表宇宙的空間結構？」
首先，宇宙到底是不是「平坦空間」，即大範圍內遵守歐氏幾何的空間還未知。目前，大部分宇宙學家認為已知宇宙除了大質量天體造成的局部時空褶皺，是基本平坦的--就像湖面是基本平坦但局部有水波一樣。最近威爾金森微波各向異性探測器觀測宇宙微波背景輻射的結果也肯定了這一認識。
其次, 宇宙是否是多重連接的尚未知。根據大爆炸理論宇宙是沒有空間邊界的，然而其空間大小可能是有限的。我們可以通過二維的概念類推：一個球面沒有邊界，但是它的面積是有限的(4πR2)。它是一個在三維空間有固定曲率的二維表面。數學家黎曼發現了四維空間中一個與此類似的三維球形「表面」，其總體積為有限的(2π2R3)但三個方向都朝第四個維度彎曲。他還發現了一個「橢圓空間」和「圓柱形空間」，後者的圓柱形兩頭互相連接但沒有彎曲圓柱本身--這一現象在普通的三維空間是不可想象的。類似的數學例子還有很多。如果宇宙真是有限但無邊界的話，人沿着宇宙中一條任意方向的「直線」走下去，最終會回到出發點，其路線長度可認為是宇宙的「直徑」（這個直徑是現在人類對宇宙的認識所無法想象的，因為它一定要比我們所見的宇宙部分大得多。）。

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哈伯望遠鏡拍攝的高清晰度深場照片，顯示姿態年齡各異的河外星系。照片片上最小，顏色最紅的屬於人類看到的最古老的星系，在宇宙年齡約8億年的時候就已經存在。
宇宙有可能具有多重連接的拓撲學結構。如果這些結構足夠小的話，人類，就如同在掛了多面鏡子的房間里，可能在不同方向看到同一天體的多個影像。而實際的天體數量就會比觀測所見少。從這個角度講，星體和星系應該稱作「所觀的影像」才合適。這個可能至今沒有被徹底否定，但最近的宇宙微波背景輻射研究結果認為是很不可能的。

[編輯] 宇宙的命運
取決於物質和能量的密度，宇宙的最終命運可能是無限膨脹，漸緩膨脹趨於穩定，或者是與大爆炸相對的一個「大坍縮」（big crunch）。目前的證據顯示物質/能量的密度不足以導致坍縮，而且宇宙的膨脹還正在加速。
若用天文望遠鏡把數百億光年以外數十個超新星爆炸所發出的光收集，再由它們的距離算出宇宙由誕生到現在的膨脹速度，將會發現宇宙的膨脹速度只有加快而沒有減慢。
將來宇宙只會越來越大，但理論上質量和引力成正比，宇宙中有很多高質量的物質，所以引力應會和擴大的力互相抵銷。不少著名學者都相信，宇宙最終將因能量消耗而停止膨脹，並在萬有引力作用下不斷內爆，繼而摧毀其中的一切。
但是，美國太空總署利用2002年發射的威爾金森微波各向異性探測器，發現太空分佈着許多「熱點」，證明宇宙正在加速膨脹。
這些「熱點」的存在表現，唯一能夠令宇宙加速膨脹的「暗能量」確實存在，而且使宇宙加速膨脹到萬有引力無法抗衡的地步，結果宇宙將會無限地擴大。
根據太空總署的推論，宇宙被「暗能量」推動不斷加速，同時也加速了能量的消耗。當能量用盡之時，宇宙中將會布滿黑洞。黑洞經過數萬億年的能量累積，有一朝突然爆炸，最後存在的就只有暗能了。

[編輯] 多重宇宙
有一些假說認為宇宙是多重的，存在一個更高層級的多重宇宙 (multiverse)，我們的宇宙只是眾多宇宙中的一個。例如，在我們的宇宙中掉入黑洞的物質可能會成為成為另一個宇宙起始的大霹靂。然而，這些想法都還是不成熟的，只是一種猜測還不能被視為是一種假說。目前在平行宇宙的觀念中，只有弦論佔有理論上的地位。

[編輯] 另見

廣義宇宙

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