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我们一直挂在嘴边的“宇宙”,你真的知道它是什么意思吗?

时间:2020-01-07 来源:熊猫流量小王子

“宇”往往指的是空间,也就是我们现在生活的空间,也可以说是三维空间,分别是长宽高组成。“宙”指的是时间,我们的时间在永无止境的往前跑,可以说是第四维。在相对论中,时间与空间一起组成四维时空,构成宇宙的基本结构。本文将为您简略介绍下宇宙的概念。

宇宙充满了空间和时间及其所含之物,包括行星、恒星、星系以及所有其他形式的物质和能量。 虽然整个宇宙的空间大小仍然是未知的,但是可以测量可观测的宇宙。

最早的宇宙科学模型是由古希腊和印度哲学家发展起来的,并且是以地心为中心的,把地球放在宇宙的中心。几个世纪以来,更精确的天文观测使得尼古拉斯·哥白尼(Nicolaus Copernicus)建立了以太阳为中心的日心模型。在发展万有引力定律的过程中,艾萨克·牛顿爵士以哥白尼的工作以及第谷·布拉赫和约翰内斯·开普勒的行星运动定律的观测为基础。

进一步的观测改进使人们意识到我们的太阳是我们称之为银河系数千亿颗恒星中的一颗普通恒星而已,然而银河系也只是宇宙中至少数千亿个星系中的一个很小的“喽啰”。 我们银河系中的许多恒星各自都有自己的行星围绕其母恒星运行。

在最大的宇宙尺度上,星系在所有方向上均匀分布并且相同,这意味着宇宙既没有边缘也没有中心。 在较小的尺度上,星系分布在星系团(疏散星团)和超星系团中,在空间中形成大尺度纤维状结构和空洞(Void),形成巨大的泡沫状结构。20世纪初的发现表明,宇宙有一个开端,而且自那时以来这个空间一直在扩大(宇宙膨胀),并且目前仍在以增加的速度扩大(宇宙加速膨胀)。

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宇宙大爆炸理论是对宇宙发展的主流宇宙学的一种描述。根据这一理论,空间和时间大约在137.99±0.021亿年前一起同时出现,随着宇宙的扩展(膨胀),固定的能量和物质变得不那么密集。在大约10的-32次方秒的初始加速膨胀以及四种已知基本力的分离之后,宇宙逐渐冷却并继续膨胀,允许形成第一亚原子粒子和简单的原子。

巨大的氢气和氦气云逐渐被吸引到暗物质密度最大的地方,形成了第一批星系、恒星和今天看到的一切。因为空间本身已经在膨胀,而且今天我们看到的还在继续膨胀,所以我们今天看到的距离很有可能超过137.99亿光年(可以看到大于137.99亿光年以外的天体)。这意味着现在460亿光年之外的天体仍然可以在它们遥远的过去被看到,因为在过去,当它们的光被发射时,它们离我们更近。

从星系运动的研究中,我们知道了宇宙包含的物质比我们通常能探测到的要多得多。 这种看不见的物质被称为暗物质(“暗”意味着有大量的强有力的间接证据表明了它的存在,但我们尚未直接检测到它)。ΛCDM模型(Lambda-CDM模型)是我们宇宙中最被广泛接受的模型。

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它表明,宇宙中约69.2%±1.2%的质量和能量是一个被称为暗能量的标量场,它主要影响着当前的宇宙膨胀,大约有25.8%的物质是有暗物质组成的。因此,普通(“重子”)物质仅占物理宇宙的4.9%。恒星,行星和可见气体云仅形成普通物质的约6%,或约占整个宇宙的0.3%。

关于宇宙的最终命运以及大爆炸之前有什么(如果有的话),存在许多相互矛盾的假说,而其他物理学家和哲学家拒绝推测,怀疑关于先前状态的信息是否永远是可获得的。一些物理学家提出了各种各样的多元(重)宇宙的假说,其中宇宙可能是同样存在的许多宇宙中的一个。

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哈勃超深场图像显示了目前技术中可见的一些最遥远的星系,每个星系由数十亿颗恒星组成。 (表观图像面积约为满月的1/79)。图:NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI)

关于宇宙的定义

物理宇宙被定义为所有空间和时间(统称为时空)及其它们所含之物的统称。这些所含之物包括各种形式的所有能量,其中这里面包括电磁辐射和物质,因此也包括行星,卫星,恒星,星系和星系际空间的容量信息。宇宙还包括影响能量和物质的物理定律,例如守恒定律,经典力学和相对论等等。

宇宙通常被定义为“存在的整体”,或者说存在的一切,已经存在的一切,以及将要存在的一切。事实上,一些哲学家和科学家支持在宇宙的定义中包含思想和抽象概念 - 例如数学和逻辑。“宇宙”这个词也可以指宇宙,世界和自然等概念。

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宇宙一词的来源

“宇宙”这个词来源于古法语单词univers,后者又衍生自拉丁语universum。这个拉丁单词被西塞罗和后来的拉丁作家使用,在许多意义上与现代英语单词相同。

宇宙的组成

宇宙几乎完全由暗能量,暗物质和普通物质组成的。 其他所含之物包括的是电磁辐射(估计占宇宙总质量的0.005%至接近0.01%)和反物质。

在宇宙的历史中,所有类型的物质和能量的比例都在发生着变化。 在过去的20亿年中,宇宙内产生的电磁辐射总量减少了1/2。然而今天,普通物质,包括原子,恒星,星系和生命,只占宇宙总量的4.9%。目前这类物质的总密度非常低,大约为4.5×10-31克/立方厘米,相当于每4立方米体积只有一个质子的密度。暗能量和暗物质的性质是未知的。

暗物质是一种尚未被发现的神秘物质,它占宇宙含量的26.8%。 暗能量,即真空能量,正在促使宇宙的膨胀加速,占剩余总量的68.3%。物质,暗物质和暗能量在整个宇宙中均匀分布,长度超过3亿光年左右。

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可观察的宇宙在比超星系团大得多的尺度上是各向同性的,这意味着宇宙的统计特性在从地球观测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辐射中,相当于大约2.72548开尔文的热平衡黑体光谱。

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威尔金森微波各向异性探测器所拍摄的宇宙背景辐射影像,图:NASA / WMAP Science Team

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