宇宙

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宇宙
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年齡 137.98 ± 0.37億年[1]
直徑 最大為(2,716,000百萬秒差距);至少91 × 109光年(28 × 109秒差距)[2]
物質(原有物質) 至少1053公斤[3]
平均密度 4.5 x 10−31 g/cm3[4]
平均溫度 2.72548 K[5]
主要成分 原有(重子)物質(4.9%)、暗物質(26.8%)、暗能量 (68.3%)[6]
形狀 扁平狀,誤差範圍只有0.4%[7]
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書中的木刻插圖:旅行家以天球中探出頭來,探索宇宙運行的機制。

宇宙英語:Universe)是所有時間、空間與其包含的內容物所構成的統一體[8][9][10][11];它包含了行星恆星星系、星系際空間、次原子粒子與所有的物質能量。目前人類可觀測到的宇宙,其距離大約為28 × 109秒差距(91 × 109光年)[2];而整個宇宙的大小可能為無限大,但尚不明朗[12]。物理理論的發展與對宇宙的觀察,引領著人類進行宇宙構成與演化的推論。

根據歷史記載,人類曾經提出宇宙學天體演化學科學模型英語scientific modelling,解釋人們對於宇宙的觀察。最早的理論為地心說,由古希臘哲學家印度哲學家所提出[13][14]。數世紀以來,逐漸精確的天文觀察,引領尼古拉斯·哥白尼提出以太陽系為主的日心說,以及經約翰內斯·克卜勒改良的橢圓軌道模型;最終艾薩克·牛頓重力定律解釋了前述的理論。後來觀察方法逐漸改良,引領人類意識到太陽系位於數十億恆星所形成的星系,稱為銀河系;隨後更發現,銀河系只是眾多星系之一。在最大尺度範圍上,人們假定星系的分布平均英語Homogeneity (physics),且各星系在各個方向之間的距離皆相同,這代表著宇宙既沒有邊緣,也沒有所謂的中心。透過星系分布與譜線的觀察,產生了許多現代物理宇宙學的理論。20世紀前期,人們發現到星系具有系統性的紅移現象,表明宇宙正在膨脹英語Metric expansion of space;藉由宇宙微波背景輻射的觀察,表明宇宙具有起源[15]。最後,1990年代後期的觀察,發現宇宙的膨脹速率正在加快[16],顯示有可能存在一股未知的巨大能量促使宇宙加速膨脹,稱做暗能量。而宇宙的大多數質量則以一種未知的形式存在著,稱做暗物質

大爆炸理論是當前描述宇宙發展的宇宙學模型。大爆炸產生了空間時間,充滿了定量的物質與能量;當宇宙開始膨脹時,物質與能量的密度也開始降低。在初期膨脹過後,宇宙開始大幅冷卻,引發第一波次原子粒子的組成,稍後則合成為簡單的原子。這些原始元素所組成的巨大星雲,藉由重力結合起來形成恆星。假設目前推測的模型正確,宇宙的年齡將會是137.98±0.37 億年[1][17]

目前有各種假說正競相描述著宇宙的終極命運。物理學家與哲學家仍不確定在大爆炸前是否存在任何事物;許多人拒絕推測與懷疑大爆炸之前的狀態具有可偵測性。目前也存在各種多重宇宙的假說,其中部分科學家認為可能存在著與現今宇宙相似的眾多宇宙,而現今的宇宙只是其中之一[18][19]

定義[編輯]

習慣上,宇宙定義為「現在存在的一切、過去存在的一切與未來存在的一切[20][21][22]。」根據人們目前的理解,宇宙包含三種連續體:時空能量型態(包含電磁波物質)以及相關的物理定律。宇宙也包括所有的生命、所有的歷史,甚至部分哲學家與科學家認為還包含數學等所有的思想[23][24][25]

詞源[編輯]

宇宙的英語「universe」起源於古法語的「univers」,而該詞又源自於拉丁語的「universum[26]」。西塞羅與後來的拉丁語作者曾使用過「universum」這個詞彙,與現代英語所使用的「universe」意義相同[27]

至於中文「宇宙」的來源,可追溯自戰國時期尸佼的著作《尸子》〈卷下〉篇:「上下四方曰宇,往古來今曰宙。」首次將宇宙兩字合為一體則是出現於《莊子》的〈齊物論〉:「旁日月,挾宇宙[28][29]。」

同義詞[編輯]

畢達哥拉斯以降的古希臘哲學家,將宇宙稱做「τὸ πᾶν」(「一切」),定義為一切的物質與空間,而「τὸ ὅλον」(「一切事物」)則不包含空無狀態[30][31]。另外一個同義詞則是「ὁ κόσμος」(意義為「世界」、「宇宙[32])。拉丁語學者也常使用「totum」、「mundus」、「natura」等詞稱呼宇宙[33],且影響現今的語言,如德國以「Das All」、「Weltall」與「Natur」稱呼宇宙。英語中也能找到宇宙的同義詞,如「everything」(如萬有理論)、「cosmos」(如宇宙學)、「world」(如多世界詮釋)與「nature」(如自然法自然哲學[34]

大爆炸與年表[編輯]

當前能解釋宇宙發展的模型為大爆炸理論[35][36]。大爆炸模型指出,宇宙最早處於溫度與密度極高的狀態中,接著開始膨脹。該模型基於廣義相對論與空間同質性英語Homogeneity (physics)各向同性等簡單推論而來。為了針對宇宙的各種觀察進行說明,科學家使用了包含宇宙學常數冷暗物質在內的簡單模型,稱做ΛCDM模型。大爆炸模型針對星系間的距離關聯性與紅移現象、氫與氧原子的數目比例、以及微波輻射背景等觀察做出說明。

宇宙的時間表
CMB Timeline300 no WMAP.jpg
在本圖中,時間軸方向為從左至右,宇宙的其中一個維度則予以隱藏,因此在圖中的任何給定時間,宇宙會以碟狀「切片」的型態顯示。

宇宙初始時的高熱、高密度狀態,稱為普朗克時期;此時期從時間零點到1個普朗克時間單位,需時約10−43秒,非常短暫。普朗克時期期間,所有型態的物質與能量都會集中,達到緊緻的狀態;此時科學家相信重力與其他的基本力一樣強大且達成統一的狀態。普朗克時期過後,宇宙開始膨脹英語Metric expansion of space成現在的型態;也許宇宙在如此短的時間發生暴脹,導致其體積能夠在10−32秒內達到非常大的規模[37]

在普朗克時期與暴脹時期之後,宇宙開始經歷夸克強子輕子時期。從大爆炸之後起算,前面所述的這些時期所經歷的時間,總共不超過10秒。

性質[編輯]

宇宙的時空通常以歐幾里得的觀點解析,也就是三維空間加上時間維度的「四維空間[38]」。時間與空間可結合成一個流形,稱作閔考斯基時空;物理學家以此簡化了大量的物理理論,並使用更統一的方式,描述包含超星系次原子層次的宇宙運作機制。

時空的事件英語Event (relativity)並非絕對限定於空間與時間上,而是觀測者的已知相對運動。閔考斯基空間非常接近宇宙的無重力狀態;廣義相對論偽黎曼流形描述了物質與重力在內的時空。弦理論則假設宇宙存有額外的維度

在4種基本相互作用中,重力於宇宙中星系與大尺度結構等大規模範圍中,具有主導地位。重力的影響可以累積;相對地,正電荷與負電荷的影響則會相互抵消,使得電磁作用於宇宙大尺度結構中的影響力變低。至於弱相互作用強交互作用的影響力,則會隨著距離增加而大幅下降,因此它們主要作用於次原子尺度。

宇宙中有著物質反物質多的現象,這種不對稱可以從CP破壞的觀察中得到[39]。宇宙既沒有動量,也沒有角動量;假設宇宙有限,就會遵循公認的物理定律(分別是高斯定律應力-能量-動量贗張量英語stress-energy-momentum pseudotensor的非散發型態[40])。

可觀測宇宙的空間尺度
Earth's Location in the Universe SMALLER (JPEG).jpg

大小與區域[編輯]

宇宙的大小目前仍難以界定。根據一種較為嚴謹的定義,宇宙為與自身所繫時空的任何一切,且人們與時空可以相互互動[41]。根據廣義相對論,宇宙空間中的部分區域可能會因為有限光速與持續的空間擴展英語Metric expansion of space,導致在宇宙存在的時間中,永遠無法與人們產生互動。舉例,從地球發出的廣播訊息,即使宇宙永遠存在,可能永遠無法抵達宇宙空間中的部分區域:空間擴展所花費的時間,會比光抵達該區域的時間還快[42]

宇宙空間中較遠的區域,即使人們無法和這些區域互動,但仍會假定這些區域存在,並且是現實的一部份。人們可影響與受影響的空間區域,稱為可觀測宇宙。可觀測宇宙的大小,取決於觀察者的位置。藉由旅行,觀察者可以觀測到更廣大的區域,比起站在定點所觀察到的區域還大。然而,即使是最快的旅行者,仍將無法與所有的宇宙空間互動。一般來說,可觀測宇宙指的是觀察者從銀河系中的有利位置所觀察到的一部份宇宙。

公元100年左右的東漢時代,當時科學家張衡最早提出「過此而往者,未知或知也。未知或知者,宇宙之謂也」和「宇之表無極,宙之端無窮」的觀點[43]。明確提出由空間和時間構成的宇宙大小是無限的觀念。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930億光年,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勃距離,是哈勃常數的倒數乘以光速,其數值約為1.29×1026公尺,也約為138億光年。科普和科技書籍中所指宇宙的大小常指這個數值。哈勃距離可理解為四維時空曲率半徑

形狀[編輯]

宇宙形狀的三種可能選項。

廣義相對論描述了時空如何經由物質與能量產生扭曲與彎折。宇宙的拓樸學幾何學包含了可觀測宇宙內的局部幾何與全域幾何。宇宙學家通常會將時空給予一個類空間隔的切片,稱之為同移座標。在時空中可以觀察到的部分是過去的光錐,劃定了宇宙學視界。宇宙學視界(也稱作粒子視界或光視界)的最大距離,為粒子宇宙年齡範圍中,旅行至觀察者的距離。而視界則代表宇宙中可觀察到無法觀察區間的界限[44][45]。宇宙學視界的存在、性質與顯著性是隨特定的宇宙學視界而定。

決定宇宙未來發展的一個重要參數為密度參數(Ω),定義為宇宙的實際(或觀測)密度與弗里德曼宇宙臨界密度之比值。宇宙的形狀有3種可能的幾何型態,取決於Ω是否等於、小於或大於1。這將會分別決定宇宙的形狀為扁平態、開放態或封閉態[46]

根據宇宙背景探測者威爾金森微波各向異性探測器普朗克衛星對於宇宙微波背景輻射的觀察,認為宇宙是具有有限年齡的無限空間,為弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規所描述的內容之一[47][48][49][50]。該模型支持暴脹理論與標準宇宙學模型,描述宇宙為具有同質性的扁平狀空間,而暗物質暗能量占有主導地位[1][51]

成分[編輯]

冷暗物質模式下星系團、大尺度纖維狀結構暗能量的構成圖。本圖顯示了4,300萬秒差距(1.4億光年)範圍內,紅移值從30至現今的結構演化(左上z=30至右下z=0)。

宇宙幾乎是由暗能量暗物質原有物質組成。其他的成分為電磁波(約占0.005-0.01%)與反物質[52][53][54]。宇宙中所產生的電磁波總量,在過去20億年中減少了一半[55][56]

原有物質包含了原子、恆星、星系與生命,在宇宙中只占有全部成分的4.9%[6]。現存的原有物質總密度非常低,約為每立方公分4.5 × 10−31公克,相當於每4立方公尺只有1個質子[4]。暗物質與暗能量的本質目前尚未知曉。暗物質是一種目前尚未被偵測的神祕物質型態,占宇宙全部成分的26.8%。暗能量是真空中的能量,也是導致宇宙加速膨脹的原因,在全部宇宙成分中占68.3%[57][58][6]

一幅地球附近的超星系團與空洞地圖。

物質、暗物質與暗能量均勻分布於宇宙3億光年的大尺度範圍中[59]。然而,在小尺度範圍中,物質會趨向集結為塊狀層次;大多數原子會聚集成恆星,大多數恆星會聚集成星系,而大多數星系會聚集成星系團與超星系團英語Galaxy groups and clusters,最後則聚集成大尺度纖維狀結構。可觀測宇宙包含了大約300澗(3×1023)個恆星[60]與超過1,000億(1011)個星系[61]。通常星系的規模可以小到只有1,000萬(107)個恆星矮星系[62]),也可以大到擁有1(1012)個恆星,形成巨大的星系[63]。各結構之間存有空洞,直徑通常為1,000萬-1.5億秒差距(3,300萬-4.9億光年)之間。銀河系本星系群的其中一個星系,其所屬的超星系團為拉尼亞凱亞超星系團[64]。此超星系團範圍廣達5億光年,而本星系群範圍則超過1,000萬光年[65]。相對地,宇宙也有廣大的空無區域;已知最大的空洞範圍廣達180億光年(5.5億秒差距[66])。

在規模比超星系團大的可觀測宇宙,具有各向同性,也就是從地球上觀察宇宙的任一方向,其統計學上的性質皆相同。宇宙中充滿了強烈且各向同性的微波輻射,對應於熱平衡黑體波譜,大約為2.72548克耳文[5]。「大尺度宇宙為各向同性」的假說,成為目前為人所知的宇宙學原理[67]。無論在任何一個瞭望點觀察宇宙,皆具有均勻性與各向同性[68],且宇宙沒有所謂的中心[69]

暗能量[編輯]

宇宙為何正在膨脹,長期以來都找不到比較好的解釋。目前假設可能是由於一股未知的能量充斥在宇宙空間中,稱之為「暗能量[58]」。在質能等價的基礎上,暗能量的密度(6.91 × 10−27 kg/m3)比星系中原有物質或暗物質來得小。然而,在現今的暗能量時代,由於暗能量均勻分布於宇宙中,因此它支配著宇宙的質能[70]

目前科學家所提出暗能量的兩個型態,皆為宇宙學常數;其一是「靜態」的能量密度,它能均勻分布在空間中[71],以及如第五元素模數英語Moduli (physics)純量場英語Scalar field theory中;其二是「動態」的能量密度量數,會隨者空間與時間而有所變化。宇宙學常數通常也包含了恆定空間中純量場的貢獻。宇宙學常數可被定義為等同真空能量。如果純量場之間僅有非常微小的空間不均勻差異,那光從宇宙學常數是無法分辨出這些純量場。

宇宙的命運[編輯]

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」相對的一場「大坍縮」(big crunch);如果物質密度等於或低於臨界密度,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:如果密度大於臨界密度,宇宙的幾何應該是封閉的;如果密度等於臨界密度,宇宙的幾何是平直的;如果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宇宙微波背景輻射等天文觀測所知,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,宇宙的最終命運取決於暗能量的密度和性質,較不可能是「大擠壓」,可能是漸緩膨脹趨於穩定,更可能是繼續無限膨脹或不斷加速膨脹至連原子也被摧毀的「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作出肯定的預言。

多重宇宙[編輯]

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。

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,構成其它的宇宙。例如,在宇宙暴脹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。

神話和宗教的宇宙觀[編輯]

起初古人沒有普遍意識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。[來源請求]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[編輯]

佛教中的世界一詞,相當於英語,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。[來源請求]

「世」為時間(註:三十年為一世)意,「界」為空間意,涵蓋了時間空間不可分隔的道理[原創研究?]。中國古代形容大千世界多用「天下」一詞,而並無「世界」。蓋因世界乃佛教名詞,如今被廣為用之,但應當了解這個名詞的來源。據楞嚴經卷四載:世,即遷流之義;界,指方位。即於時間上有過去、現在、未來三世之遷流,空間上有東南西北、上下十方等定位場所之意。

佛經中,大的空間叫佛剎、虛空,小的叫微塵,統稱為「三千大千世界」[72]。「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。[73]華嚴經》稱:「知一世界即是無量無邊世界,知無量無邊世界即是一世界,知無量無邊世界入一世界,知一世界入無量無邊世界。」[74]

色界諸天分為四禪,即初禪、二禪、三禪、四禪,總計十八天。初禪天三天,有梵眾天梵輔天大梵天;第二禪天三天,有少光天、無量光天、極光淨天;第三禪天三天,有少淨天、無量淨天、遍淨天;第四禪天為九天,有無雲天、福生天、廣果天、無想天﹑無煩天、無熱天、善現天、善見天、色究竟天。[75]無色界,還有空無邊處天、識無邊處天、無所有處天、非想非非想處天等四無色天。

中國人關於宇宙的上古神話[編輯]

藝文類聚》記載「天地渾沌如雞子,盤古生其中。萬八千歲,天地開闢,陽清為天,陰濁為地」[76]

郭店楚簡》記載:「大一生水。水反輔大一,是以成天。天反輔大一,是以成地。天地[復相輔]也,是以成神明。神明復[相]輔也,是以成陰陽。陰陽復相輔也,是以成四時。」[77]

到戰國後中國出現了論天三說即:蓋天說宣夜說渾天說

其他神話[編輯]

印度神話描述宇宙之始,有一梵卵化為一人,即普魯沙,普魯沙有著數千個頭、眼睛和腳,後來普魯沙一分為三,就是三大神,大梵天(Brahma),大自在天(Shiva),以及妙毗天(Vishnu)。其中大梵天為宇宙之主,妙毗天是宇宙與生命的守護者。

古埃及神話中認為初始宇宙是來自阿多姆神(Atum),阿多姆一分為二,變成風神休(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)和大地之神蓋布(Geb)。

注釋[編輯]

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  72. ^ 《俱舍論》卷十一:「四大洲日月,蘇迷盧欲天,梵世各一千,名一小千界,此小千千倍,說名一中千,此千倍大千,皆同一成壞。」
  73. ^ 華嚴經》卷九〈初發心菩薩功德品〉
  74. ^ 《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。」
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相關條目[編輯]

參考文獻[編輯]

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