宇宙

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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、物质和能量，所构成的统一体。是一切空间和时间的綜合。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。世界上最早把空间和时间统一为宇宙的是中国春秋战国时代的文子和尸子，他们都提出了宇是空间，宙是时间，合为宇宙。二十世紀以来，西方根據現代物理學和天文學，建立了關於宇宙的现代科學理論，称为宇宙學。

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5%的普通物質，25%的暗物質和70%的暗能量構成^[1]。

[编辑] 辞源

《文子·自然》：“往古來今謂之宙，四方上下謂之宇。”

《尸子》：“上下四方曰宇，往古來今曰宙。”

二字连用，始见于《庄子·齐物论》曰：“旁日月，挟宇宙，为其吻合。”

可见在中国古代先人创造宇宙这一词汇的时候已经把时间和空间统一看待，并为宇宙。

[编辑] 神話和宗教的宇宙觀

起初古人不願意承認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

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”。“佛教宇宙觀”主張宇宙係有無數個世界。集一千個一小世界稱為“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。

<起世經>中記載

『佛言。比丘。如一日月所行之處。照四天下。如是等類。四天世界。有千日月所 照之處。此則名為一千世界。諸比丘。千世界中。千月千日千須彌山王。四千小洲。 四千大洲。四千小海。四千大海。.........(略)..........一切世間。各隨業力。現起成立。諸比丘。 此千世界。猶如周羅。名小千世界。諸比丘。爾所周羅一千世界。是名第二中千世界。 諸比丘。如此第二中千世界。以為一數。復滿千界。是名三千大千世界。諸比丘。此三千大千世界。同 時成立。同時成已而復散壞。同時壞已而復還立。同時立已而得安住。如是世界。周 遍燒已。名為散壞。周遍起已。名為成立。周遍住已。名為安住。是為無畏一佛剎土 眾生所居。』

• 前佛教的印度宇宙觀

[编辑] 宇宙的历史

物理宇宙学

宇宙 · 大爆炸 宇宙的年龄 大爆炸年表 宇宙的终极命运 早期宇宙 暴涨 · 核合成 引力波背景 · 中微子背景 微波背景 膨胀宇宙 红移 · 哈勃定律 空间的度规膨胀 弗里德曼方程 FLRW度规 结构形成 宇宙的形状 结构形成 星系形成 大尺度结构 大尺度丝状结构 成分 ΛCDM模型 暗能量 · 暗物质 时间表 宇宙学年表 大爆炸年表 膨胀宇宙的未来 实验 观测宇宙学 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 科学家 爱因斯坦 · 霍金 · 弗里德曼 · 勒梅特 · 哈勃 · 彭齐亚斯 · 威尔逊 · 伽莫夫 · 狄基 · 泽尔多维奇 · 马瑟 · 鲁宾 · 斯穆特 · others

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现代物理宇宙学一般认为宇宙起源于大爆炸，即约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年龄为156亿年^[2]，但是这个说法还未得到公认^[3]。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：

• 10^-43秒：宇宙从量子背景出现。
• 10^-35秒：宇宙由夸克-胶子等离子体构成，强相互作用、引力与电磁相互作用/弱相互作用分开。
• 10^-5秒：电子形成，宇宙主要包括光子、电子和中微子，温度约1000亿度。
• 10秒：质子和中子结合成氘、氦等原子核，温度30亿度。
• 35分钟：形成原子核的过程（核融合，nucleosynthesis）停止，温度3亿度。
• 30万年：电子和原子核结合成为原子。物质和辐射脱耦，大爆炸辐射的残余成为今天的3K微波背景辐射。
• 4亿年：第一批恒星形成。
• 20亿年：星系形成。
• 50亿年：太阳系形成。

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。

[编辑] 宇宙大小

公元100年左右的东汉时代，当时伟大的科学家张衡最早提出了“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。非常明确地提出了由空间和时间构成的宇宙大小是无限的观念。而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：由于相对论限定了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93亿光年，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，是哈柏常数的倒数乘以光速，其数值约为1.29 x 10²⁸厘米，也恰为93亿光年。科普和科技书籍中所说的宇宙的大小常指这个数值。哈柏距离可以理解为四维时空的曲率半径。

[编辑] 宇宙的形状

威尔金森探测器测量的宇宙微波背景辐射分布。

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－就像湖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。数学家黎曼发现了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。他还发现了一个“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“直径”（这个直径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很不可能的。

[编辑] 宇宙的命運

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（1）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（2）等于或（3）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（1）密度大于临界密度，宇宙的几何应该是封闭的；如果（2）密度等于临界密度，宇宙的几何是平直的；如果（3）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“大撕裂”。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。

[编辑] 多重宇宙

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，构成了其它的宇宙。例如，在宇宙暴涨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。

[编辑] 注釋

[编辑] 相關條目

[编辑] 參考文獻

• 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）。