宇宙

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宇宙中每一圓盤都是一個又一個的“星系”
19世紀法國科普作家C.Flammarion书中的木刻插圖:旅行家以天球中探出头来,探索宇宙運行的機制。

宇宙是由空间时间物质能量,所构成的统一体。是一切空间时间的總合。一般理解的宇宙指人类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

中国古代就有“上下四方曰宇,往古来今曰宙”的说法,宇宙一词也出自于“旁日月,挟宇宙”。[1] [2]

近數世紀以来,科學家根據現代物理學天文學,建立關於宇宙的现代科學理論,称为物理宇宙學

根據相對論信息的傳播速度有限,因此在某些情况下,例如在發生宇宙膨胀的情况下,距离我们非常遥远的区域中我們將只能收到一小部分区域的信息,其他部分的信息将永远无法传播到我们的区域。可以被我們觀測到的时空部分稱為“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结構造成的,與我們所用的觀測設備没有關係。

宇宙大約是由4.9%的普通物質,26.8%的暗物質和68.3%的暗能量構成(普郎克新數據2013年底)[3]

大爆炸理论中宇宙的历史[编辑]

现代物理宇宙学一般认为宇宙起源于大爆炸,即约138億年(普郎克新數據2013年底)(舊數據為137.3亿(±1%))年前由一个密度极大,温度极高的状态膨胀而来。对于大爆炸以前的宇宙,目前只有一些猜测性的理论。而最新的研究则认为宇宙的年齡为156亿年[4],但是这个说法还未得到公认[5]。对于大爆炸以后的宇宙,则可以用较成熟的理论加以描述。一种典型的理论是:

目前宇宙还在继续膨胀之中,这在观测上为哈勃定律所概括。

宇宙大小[编辑]

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[6]。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为930亿光年,由于宇宙在膨胀,相应的共动距离约为其3倍,具体数值与宇宙学参数有关,这一距离称为今天宇宙的粒子视界。

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,是哈勃常数的倒数乘以光速,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曲率半径

宇宙的年龄,成分[编辑]

宇宙被认为主要由暗能量冷暗物质构成,人们对它们所知甚少。仅有少于5%是普通物质。

宇宙目前的密度非常小,大约仅有9.9×10−30克每立方厘米。其中有73%为暗能量,23%为冷暗物质,剩下的4%才是普通物质。宇宙中的原子密度的量级约为每4立方米一个氢原子。[7]人们对暗能量冷暗物质的属性还所知甚少。暗物质吸引普通物质,因此减慢(空间的度规膨胀)宇宙的膨胀;相反的,暗能量加速宇宙的膨胀

当前估计宇宙的年龄为137.98±0.37亿年。[8]

宇宙的形状[编辑]

宇宙的形状是宇宙学中一个未解决的问题。用数学的语言说就是:「哪一个三维形状才能最好地代表宇宙的空间结构?」

首先,宇宙到底是不是“平坦空间”,即大范围内遵守欧氏几何的空间还未清楚。目前,大部分宇宙学家认为已知宇宙除了大质量天体造成的局部时空褶皱,是基本平坦的-就像面是基本平坦但局部有水波一样。最近威尔金森微波各向异性探测器观测宇宙微波背景辐射的结果也肯定了这一认识。

其次,尚未清楚宇宙是否是多重连接。根据大爆炸理论,宇宙是没有空间边界的,然而其空间大小可能是有限的。我们可以通过二维的概念类推:一个球面没有边界,但是它的面积是有限的(4πR2)。它是一个在三维空间有固定曲率的二维表面。数学家黎曼发现四维空间中一个与此类似的三维球形“表面”,其总体积为有限(2π2R3)但三个方向都朝第四个维度弯曲。他还发现“椭圆空间”和“圆柱形空间”,后者的圆柱形两头互相连接但没有弯曲圆柱本身-这一现象在普通的三维空间是不可想象的。类似的数学例子还有很多。

如果宇宙真是有限但无边界的话,人沿着宇宙中一条任意方向的“直线”走下去,最终会回到出发点,其路线长度可认为是宇宙的“周長”(这个周長是现在人类对宇宙的认识所无法想象的,因为它一定要比我们所见的宇宙部分大得多。)。

哈勃望远镜拍摄的高清晰度深场照片,显示姿态年龄各异的河外星系。照片上最小,颜色最红的属于人类看到的最古老的星系,在宇宙年龄约8亿年的时候就已经存在。

宇宙有可能具有多重连接的拓扑学结构。如果这些结构足够小的话,人类,就如同在挂了多面镜子的房间里,可能在不同方向看到同一天体的多个影像。而实际的天体数量就会比观测所见少。从这个角度讲,星体和星系应该称作“所观的影像”才合适。这个可能,至今没有被彻底否定,但最近的宇宙微波背景辐射研究结果认为是不可能的。

宇宙的命運[编辑]

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个“大坍缩”(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宇宙微波背景辐射等天文观测,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,宇宙的命运取决于暗能量的密度和性质,宇宙的最终命运可能是无限膨胀,渐缓膨胀趋于稳定,或者是与大爆炸相对的一个“大坍缩”,或者也可能膨胀不断加速,成为“大寒冷”。目前,由于对暗能量的性质缺乏了解,还难以对宇宙的命运做出肯定的预言。

多重宇宙[编辑]

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。

神話和宗教的宇宙觀[编辑]

起初古人没有普遍意识到有其他世界的可能性,甚至認為「山後面沒有人」,更不用說到宇宙了。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]

佛教中的世界一词,相當於英語的COSMO,既可指世界也可以指宇宙,但都是一種有限和被分割的觀念,而且大小是任意的,即可以從個人可以到達或看見和想像的層次區分成。而其雖然包括了星空和天象,但常被說成是有邊界的蒼穹而不是無邊的虛無的宇宙。

“世”为时间(注:三十年为一世)意,“界”为空间意,涵盖了时间空间不可分隔的道理,这也正符合了爱因斯坦相对论。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。

上下四方谓之宇,古往今来谓之宙,结合上一段,可以理解宇宙观、世界观即为“时空观”

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”[9]。“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。[10]华严经》稱:“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。”[11]

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,有梵众天梵辅天大梵天;第二禅天三天,有少光天、无量光天、极光净天;第三禅天三天,有少净天、无量净天、遍净天;第四禅天为九天,有无云天、福生天、广果天、無想天﹑无烦天、无热天、善现天、善见天、色究竟天。[12]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。

中国人关于宇宙的上古神话[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”[13]

这是盘古开天地的神话,也是关于宇宙起源的最初描述:宇宙最初是混沌的,外形像鸡蛋,盘古生于其中。据某个国外研究小组的计算机模拟实验结果显示,宇宙大爆炸之初就是“椭圆形”的。而“盘古”可以理解为一种能量,像某些地区的古人会把火山爆发看作是某个神一样。很多很多年后(“万八千岁”,有时被生硬理解为18000年,但中国文化的“万千”多指“非常大、非常长、非常多”,无法计算),盘古开天辟地,阳清为天,阴浊为地。“阴浊”可以理解为形成星球的物质,“阳清”则是那些游离于星球之外的物质。按照贴近大爆炸理论理解中华古代宇宙开创理论:不知道原因,盘古(即奇点产生的爆炸能量)诞生,盘古撑开了宇宙,开天辟地,阳清为天(宇宙空间、真空、暗物质等),阴浊为地(星体等)。盘古化为日月山川河流,即大爆炸由纯能量,部分转化为质量。

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。”[14]

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)。

注釋[编辑]

  1. ^ 文子. 文子.卷八. 中国. 
  2. ^ 庄子. 庄子.齐物论. 中国. 
  3. ^ Varun, Sahni. Dark Matter and Dark Energy (PDF). Lecture Notes in Physics. 2006, (653): 141–180. 
  4. ^ Bonanos, A. Z.; Stanek, K. Z.; Kudritzki, R. P.; Macri, L.; Sasselov, D. D.; Kaluzny, J.; Bersier, D.; Bresolin, F.; Matheson, T.; Mochejska, B. J.; Przybilla, N.; Szentgyorgyi, A. H.; Tonry, J.; Torres, G. The First DIRECT Distance to a Detached Eclipsing Binary in M33. Astrophysics and Space Science. 2006,. Online First. 
  5. ^ 2006年世界天文学和天体物理学重要进展. 科技导报. 2007, 25 (3): 13–17. 
  6. ^ 张衡:《灵宪》
  7. ^ Hinshaw, Gary. What is the Universe Made Of?. NASA WMAP. February 10, 2006 [2007-01-04]. 
  8. ^ Planck collaboration. Planck 2013 results. XVI. Cosmological parameters. Submitted to Astronomy & Astrophysics. 2013. arXiv:1303.5076. 
  9. ^ “三千大千世界”語出《大智度論.卷七.釋初品中放光》。《杂阿含经》卷十六、卷十九;《增一阿含经》卷九;《大楼炭经》卷一;《瑜伽师地论》卷二;《起世经》卷一;《起世因本经》卷一;《大毗婆沙论》卷一三四等佛經都談及“三千大千世界”。
  10. ^ 《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。”
  11. ^ 华严经》卷九〈初发心菩萨功德品〉
  12. ^ 《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。”
  13. ^ 艺文类聚》卷一《三五历纪》
  14. ^ 郭店楚简》04篇《太一生水》

相關條目[编辑]

參考文獻[编辑]

  • 史蒂芬·霍金《胡桃裡的宇宙》,(台北:大塊文化出版,2001年5月)。
  • 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)。