宇宙的問題

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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。一般理解的宇宙指我們所存在的一個時空連續系統，包括其間的所有物質﹑能量和事件。對於這一體系的整體解釋構成了宇宙論。二十世紀以來，根據現代物理學和天文學，建立了關於宇宙的科學理論，稱為宇宙學。
根據相對論，信息的傳播速度有限，因此在某些情況下，例如在發生宇宙暴漲的情況下，時空連續系統中我們將只能收到一小部分區域的信息，其他部分的信息將永遠無法傳播到我們的區域。可以被我們觀測到的時空部分稱為「可觀測宇宙」﹑「可見宇宙」或「我們的宇宙」。應該強調的是，這是由於時空本身的結構造成的，與我們所用的觀測設備沒有關係。
宇宙大約是由5%的普通物質，25%的暗物質和70%的暗能量構成[1]。
宇宙的歷史



物理宇宙學




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物理宇宙學


宇宙 • 大霹靂
宇宙年齡
大霹靂年表
宇宙的終極命運


早期的宇宙


宇宙膨脹 • 核合成
宇宙重力波
宇宙微波背景


膨脹的宇宙


紅移 • 哈柏定律
Metric expansion of space
弗里德曼方程 • FLRW度規


結構形成


宇宙的形狀
結構形成
星系形成
大尺度結構



成分


λ-CDM模型
暗能量 • 暗物質


歷史


宇宙學年表


宇宙論實驗


觀測的宇宙論
2度視場星系紅移巡天 • 史隆數位巡天
COBE • 毫米波段氣球觀天計畫 • WMAP


科學家


愛因斯坦 • 弗里德曼 • 勒梅特
哈伯 • 彭齊亞斯 • 威爾遜
伽莫夫 • 狄基 • 澤爾多維奇
馬瑟 • 斯穆特 • 其他




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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。對於大爆炸以前的宇宙，目前只有一些猜測性的理論。而最新的研究則認為宇宙年齡為156億年[2]，但是這個說法還未得到公認[3]。對於大爆炸以後的宇宙，則可以用較成熟的理論加以描述。一種典型的理論是：

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（核融合，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。

宇宙的大小
目前關於宇宙是否無限的問題還有爭議。如果整個宇宙的空間部分是有限的，那麼可以用一個距離來表示。對於均勻各向同性的宇宙來說，這就是三維空間的曲率半徑。但是，即使宇宙整體是無限的，宇宙的可觀測部分仍是有限的：由於相對論限定了光速為宇宙中信息傳播的最高速度，如果一個光子從大爆炸開始傳播，到今天傳播的固有距離為137億光年，由於宇宙在膨脹，相應的共動距離約為其3倍，具體數值與宇宙學參數有關，這一距離稱為今天宇宙的粒子視界。 另一個在物理學數量級估計中常用來表示宇宙大小的距離稱為哈伯距離，是哈柏常數的倒數乘以光速，其數值約為1.29 x 1028厘米，也恰為137億光年。科普和科技書籍中所說的宇宙的大小常指這個數值。哈柏距離可以理解為四維時空的曲率半徑。

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中一個未解決的問題。用數學的語言說就是：「哪一個三維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清楚。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清楚。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（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，人沿著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。

宇宙的命運
根據天文觀測和宇宙學理論，可以對可觀測宇宙未來的演化作出預言。均勻各向同性的宇宙的膨脹滿足弗里德曼方程。多年來，人們認為，根據這一方程，物質的引力會導致宇宙的膨脹減速。宇宙的最終命運決定於物質的多少：如果物質密度（1）超過臨界密度，宇宙的膨脹最後會停止，並逆轉為收縮，最終形成與大爆炸相對的一個「大坍縮」（big crunch）；如果物質密度（2）等於或（3）低於臨界密度，則宇宙會一直膨脹下去。另外，宇宙的幾何形狀也與密度有關： 如果（1）密度大於臨界密度，宇宙的幾何應該是封閉的；如果（2）密度等於臨界密度，宇宙的幾何是平直的；如果（3）宇宙的密度小於臨界密度，宇宙的幾何是開放的。並且，宇宙的膨脹總是減速的。
然而，根據近年來對超新星和宇宙微波背景輻射等天文觀測，雖然物質的密度小於臨界密度，宇宙的幾何卻是平直的，也即宇宙總密度應該等於臨界密度。並且，膨脹正在加速。這些現象說明宇宙中存在著暗能量。不同於普通所說的「物質」，暗能量產生的重力不是引力而是斥力。在存在暗能量的情況下，宇宙的命運取決於暗能量的密度和性質，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」，或者也可能膨脹不斷加速，成為「大撕裂」（big rip）。目前，由於對暗能量的性質缺乏了解，還難以對宇宙的命運做出肯定的預言。

多重宇宙
對於多重宇宙有不同的理解。一種理解是，位於可觀測宇宙之外的時空，構成了其它的宇宙。例如，在宇宙暴漲中形成的其它大量時空，或者我們宇宙中黑洞奇點內我們所無法理解的時空。這些不同的時空部分總體構成了多重宇宙。另一種理解則強調這些不同的宇宙不僅僅是時空區的獨立，而且其中的表現的物理規律也可能有所不同，例如其中的粒子也許具有不同的電荷或質量，其物理常數也各不相同。
有時人們也把平行宇宙與多重宇宙當作同義詞。不過，平行宇宙還有一種理解，即量子力學中的多世界解釋。這種解釋認為，在量子力學中，存在多個平行的世界，在每個世界中，每次量子力學測量的結果各自不同，因此不同的歷史發生在不同的平行世界中。