宇宙是什么

在开始关于“宇宙是什么”的探讨之前,首先我需要声明一点:我并不是物理专家,我所知道的关于宇宙的知识也仅仅停留在科普层面。因此,本节中关于宇宙是什么的探讨很可能会显得不够科学严谨,如果各位能指出本节中不正确的地方并加以矫正,将不胜感激。那么下面就开始了~

简单的来说,宇宙是我们对自己可观测到的最大范围内的事物及现象的集合的称谓,关于宇宙的较为严谨的定义可以参考维基百科里的“宇宙”条目:

宇宙(英语:Universe)是所有時間、空間與其包含的內容物所構成的統一體;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與能量。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);而整個宇宙的大小可能為無限大,但尚不明朗。

仅仅是这么用文字定义宇宙可能有些单薄,所以下面就直接用眼睛来一起确认关于这个宇宙的一些光学情报吧(以下图片均来自NASA官网以及NASA的Flicker相册):

好了,图片浏览就到此为止。基于以上的文字图片说明,以及各位的日常生活体验,相信大家现在一定知道了关于宇宙的初步概念。那么接下来,就让我们一起探究宇宙的的一些性质以及宇宙的起源。

话虽如此,然而我的物理知识确实十分有限,也没有对宇宙进行过深入的研究,甚至连维基百科上的“宇宙”条目也无法完全看懂,所以这里我也就只能直接引用维基百科中“宇宙”条目的一些内容供大家参考,然后基于我对这些内容的理解总结一下“宇宙是什么”。

关于宇宙的大小:

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,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[43]。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

关于宇宙的组成:

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]

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,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[edit]

主条目:

暗能量

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 × 10−27kg/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,它能均勻分佈在空間中[71],以及如第五元素模數純量場中;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。

关于宇宙的物理性质:

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-動量贗張量的非散發型態[40])。

关于多重宇宙:

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。

关于宇宙的未来:

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”相对的一场“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所知,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,宇宙的最终命运取决于暗能量的密度和性质,較不可能是“大擠壓”,可能是渐缓膨胀趋于稳定,更可能是继续无限膨胀或不断加速膨胀至连原子也被摧毁的“大撕裂”(big rip)。目前,由于对暗能量的性质缺乏了解,还难以对宇宙的命运作出肯定的预言。

关于宇宙的起源:

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。

总结:宇宙是什么?

虽然我无法完全理解以上的引用内容,但关于宇宙的总体认知依然是需要的,所以下面我就基于我对以上内容的理解给出我关于“宇宙是什么”这一问题的答案。

在我的认知中,宇宙于大约138亿年前由奇点大爆炸产生;宇宙由时间、空间、(各种)物质、(各种)能量组成,并且形成了大量星系、星云、恒星、行星等天体结构;宇宙大到几乎无限(超出可观测距离);宇宙有特定的物理法则指导其状态变化;宇宙的未来不确定,但现在依然在膨胀;可能存在多重宇宙

然而,在以上的认知中,存在大量疑问:

  • 什么是时间、空间、物质、能量的本质?

  • 奇点是什么状态、奇点之前是什么?

  • 如果宇宙有界限的话宇宙外面是什么?

  • 宇宙的物理法则怎么来的、能改变吗?

  • ......

目前的我,或许甚至目前的人类,对以上的疑问毫无头绪。

关于其它的宇宙理论:

以上是科学界的主流宇宙观,然而,宗教和神话也同样阐述了一些不同的宇宙观,虽然这些宇宙观在具体内容上不同,但大抵都是讲神创造了世界万物、规定了万物法则。

基于以往的生活经验和认知,我认为认知应当基于观测到的现象,即”实践是检验真理的唯一标准“,即我是一个唯物主义者。因此,对于这些宇宙观的具体内容,我是不赞同的,因为往往可以找到反驳它们的现象或设计实验证伪它们。然而,抛却这些具体内容,我们会发现其实这些宇宙观也是合理的假设之一:具有强到超越我们认知(已有观测)的能力的”神“创造了我们的宇宙。由于认知基于观测,所以认知无法处理自己完全未观测到过的事物。而上面提到的”神“正是我们所完全未观测到过的事物,因此,我们无法确定”神创造了世界“这个观点是正确还是不正确的——除非某天我们观测到了”神“。《黑客帝国》系列电影以及动漫《正确的卡多》形象地描述了这种状况。