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宇宙(天文学名词)

广义的宇宙定义是万物的总称,是时间和空间的统一。狭义的宇宙定义是地球大气层以外的空间和物质。“宇宙航行”的“宇宙”定义就是狭义的“宇宙”定义,宇宙航行意思就是在大气层以外的空间航行。

古代对宇宙的定义,有西汉的《淮南子》:“往古来今谓之宙,四方上下谓之宇”。

通过宇宙微波背景辐射的观测发现我们的宇宙已经膨胀了138.2亿年,最新的研究认为宇宙的直径可达到920亿光年,甚至更大。 [1]

人类所观察到的部分宇宙的物件大约是由4.9-的普通物质(构成恒星行星气体和尘埃的物质)或“重子”,26.8-的暗物质和68.3-的暗能量构成。重子物质构成星系际的“蛛网”。 [2-3]

在宇宙中,地球是目前人类所知唯一一颗有生命存在的星球。

宇宙大爆炸是描述宇宙诞生初始条件及其后续演化的宇宙学模型,这一模型得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。宇宙学家通常所指的大爆炸观点为:宇宙是在过去有限的时间之前,由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的,并经过不断的膨胀到达今天的状态。 [4]

暗物质和暗能量分别通过对普通物质产生的引力作用和推动宇宙做加速膨胀而表明它们的存在。如果暗能量不存在,那么物质间的万有引力作用就会减慢宇宙的膨胀,但是天文观测表明我们的宇宙在做加速膨胀运动。宇宙由一切天体组成。 [5]

文子自然》:“往古来今谓之宙,四方上下谓之宇。” 《庄子庚桑楚》:“出无本,入无窍。有实而无乎处,有长而无乎本剽。有所出而无窍者有实。有实而无乎处者,宇也;有长而无本剽者,宙也。” [8]尸子》:“上下四方曰宇,往古来今曰宙。” 《淮南子》:“往古来今谓之宙,四方上下谓之宇”。 [9]

中国古人曾提出盖天说、宣夜说和浑天说,在春秋战国时期民间就有嫦娥奔月的传说,汉代学者张衡也曾提出“宇之表无极,宙之端无穷”的无限宇宙概念。 [11] 浑天说认为天地的形状像一个鸡蛋,天与地的关系就像蛋壳包着蛋黄。张衡认为浑天说比较符合观测的实际。 [12]

公元前7世纪,巴比伦人认为,天和地都是拱形的,大地被海洋所环绕,而其中央则是高山。

古埃及人把宇宙想象成以天为盒盖、大地为盒底的大盒子,大地的中央则是尼罗河

古犹太人认为,地球是宇宙的中心,周围绕着一圈星球,再往外去,寥落地分布着其余天体。有一个静止的天球存在,在其内部,星球各居其位,转动不止。 [13]

地球原来是近似圆形

最早认识到大地是球形的是古希腊人 [14] 公元前6世纪,毕达哥拉斯从美学观念出发,认为一切立体图形中最美的是球形,主张天体和大地都是近似球形的。 [15] 这一观念为后来许多古希腊学者所继承,被17世纪初麦哲伦的环球航行所证实。 [16-17]

地心说、日心说和万有引力定律

公元2世纪,C.托勒密提出了世界上第一个行星体系模型地心说。地球处于宇宙中心。从地球向外,依次有月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星,在各自的圆轨道上绕地球运转。为了说明行星运动的不均匀性,提出行星在本轮上绕其中心转动,而本轮中心则沿均轮绕地球转动。 [19]

1543年,N.哥白尼所著《天球运行论》正式提出了“日心说”观点, [20] 认为太阳是行星系统的中心,一切行星都绕太阳旋转。地球也是一颗行星,它上面像陀螺一样自转,一面又和其他行星一样围绕太阳转动。在中世纪的欧洲,托勒密的地心说由于符合神权统治理论的需要,一直占有统治地位。为了捍卫日心说,不少仁人志士与黑暗的神权统治势力进行了前仆后继的斗争,付出了血的代价。 [21]

1609年,J.开普勒的开普勒三定律揭示了地球和诸行星都在椭圆轨道上绕太阳公转,发展了日心说,为牛顿万有引力定律的提出打下了基础。 [22] 1608年利普赛发明望远镜后,伽利略立即加以改造并指向苍穹。1610年,伽利略发表了划时代的著作《星际使者》,朦胧的银河原来是无边的星海,皎洁的月亮竟然布满了环形山,灿烂的太阳哪知会有黑子,而金星的相位变化和木星的4颗卫星恰恰是日心说最可靠的证据。 [23-24]

1687年,I.牛顿发现了万有引力定律,使哥白尼的学说获得更加稳固的科学基础。 [25]

天文望远镜的诞生带来了天文学的第一次革命。随着天文望远镜等观测和分析仪器的问世和改进,人类对宇宙的认识愈加清晰丰富。望远镜的每一次发展、突破,都促进了天文学的重大发现和人类对宇宙认识的飞跃,对数学、物理学及其他自然科学产生重大影响,并推动了人类文明进程。 [27]

河外星系

在哥白尼的理论中,恒星只是位于最外层恒星天上的光点不可能的。

1584年,乔尔丹诺布鲁诺提出恒星都是遥远的太阳。

18世纪上半叶,由于E.哈雷对恒星自行的发展和J.布拉得雷对恒星遥远距离的科学估计,布鲁诺的推测得到了越来越多人的赞同。

18世纪中叶,T.赖特、I.康德和J.H.朗伯推测说,布满全天的恒星和银河构成了一个巨大的天体系统。弗里德里希威廉赫歇尔首创用取样统计的方法,用望远镜数出了天空中大量选定区域的星数以及亮星与暗星的比例,1785年首先获得了一幅扁而平、轮廓参差、太阳居中的银河系结构图,奠定了银河系概念的基础。

在此后一个半世纪中,H.沙普利发现了太阳不在银河系中心、J.H.奥尔特发现了银河系的自转旋臂,以及许多人对银河系直径、厚度的测定,科学的银河系概念才最终确立。

18世纪中叶,康德等人还提出,在整个宇宙中,存在着无数像银河系那样的天体系统。

到1924年,由E.P.哈勃用造父视差法测量仙女星系的距离确认了河外星系的存在。

最新的研究认为宇宙的直径可930亿光年,甚至更大。 [28]

目前可观测的宇宙年龄大约为138.2亿年。 [29]

目前的宇宙理论认为宇宙可能是类似马鞍状的负弯曲形状,该理论源于宇宙大爆炸理论,整个宇宙的外形如同一个吹起的气球,我们则生活在宇宙的“表面”。 [31]

同时,科学家也认为宇宙是平坦的,根据美国宇航局的调查,宇宙可能是平坦的,2013年的调查发现如果宇宙是平坦的,那么误差只有0.4-。 [32]

斯蒂芬霍金表示,我们宇宙的形状可能是一种难以置信的几何图形,更接近于超现实主义的艺术,如同荷兰艺术家摩里茨科奈里斯埃舍尔创作的图形一样。

霍金的想法以弦理论为依据,而该理论目前仍然还处于假设之中,并未被验证。如果用语言来形容宇宙的形状,应该是整体呈现多重镶嵌模式,具有无限重复出现的扭曲面,曲面间环环相扣,如同科奈里斯埃舍尔创作的“圆形极限IV”图案,也与美国工程师P.H. Smith创作的“史密斯圆图”类似,体现出双曲空间的概念,是一种非欧几何的空间形态。 [34]

当代天文学研究成果表明,宇宙是有层次结构的、不断膨胀、物质形态多样的、不断运动发展的天体系统。

行星小行星彗星流星体都围绕中心天体太阳运转,构成太阳系

太阳系外也存在其他行星系统。约2500亿颗类似太阳的恒星和星际物质构成更巨大的天体系统银河系。银河系的直径约10万光年,太阳位于银河系的一个旋臂中,距银心约2.6万光年。

银河系外还有许多类似的天体系统,称为河外星系,常简称星系。目前观测到1000亿星系,科学家估计宇宙中至少有2万亿个星系。

星系聚集成大大小小的集团,叫星系团。平均而言,每个星系团约有百余个星系,直径达上千万光年。现已发现上万个星系团。包括银河系在内约40个星系构成的一个小星系团叫本星系群

若干星系团集聚在一起构成的更高一层次的天体系统叫超星系团。超星系团往往具有扁长的外形,其长径可达数亿光年。通常超星系团内只含有几个星系团,只有少数超星系团拥有几十个星系团。

本星系群和其附近的约50个星系团构成的超星系团叫做本超星系团

根据可反映星系发展状态的序列号对星系进行了分类,可以粗略地将星系划分出椭圆星系透镜星漩涡星系棒旋星系不规则星系等五种。 [37]

太阳质量占太阳系总质量的99.86-,它以自己强大的引力将太阳系里的所有天体牢牢地吸引在它的周围,使它们不离不散、井然有序地绕自己旋转。同时,太阳又作为一颗普通恒星,带领它的成员,万古不息地绕银河系的中心运动。 [39] 太阳的半径为696000千米,质量为1.989×10^30kg,中心温度约15000000 ℃,。 [40] 如果一个人站在太阳表面,那么他的体重将会是在地球上的20倍。 [41] 现代星云假说根据观测资料和理论计算,提出:太阳系原始星云是巨大的星际云瓦解的一个小云,一开始就在自转,并在自身引力作用下收缩,中心部分形成太阳,外部演化成星云盘,星云盘以后形成行星。目前,现代星云说又存在不同学派,这些学派之间还存在着许多差别,有待进一步研究和证实。 [42]

金星是离太阳的第二颗行星,夜空中亮度仅次于月球。 [43] 金星上没有水,大气中严重缺氧,二氧化碳占97-以上,空气中有一层厚达20千米至30千米的浓硫酸云,地面温度从不低于400℃,是个名副其实的“炼狱”般世界。金星地面的大气压强为地球的90倍,相当于地球海洋中900米深度时的压强。金星大气主要由二氧化碳等温室气体组成,失控的温室效应,是导致金星极端气候的主要原因。 由于金星没有内禀磁层保护,诱发磁层中磁场重联释放的巨大能量,使得金星大气被加热后加速逃逸。科学界认为,金星上大气的逃逸,是造成金星上缺水而被富含二氧化碳的稠密大气所笼罩,从而导致严重的温室效应的原因。 [44]

木星是离太阳第五颗行星,而且是最大的一颗,比所有其他的行星的合质量大2倍(地球的318倍),直径142987km。它是气态行星没有实体表面,由90-的氢和10-的氦(原子数之比, 75/25-的质量比)及微量的甲烷、水、氨水和“石头”组成。这与形成整个太阳系的原始的太阳系星云的组成十分相似。木星可能有一个石质的内核,相当于10-15个地球的质量。内核上则是大部分的行星物质集结地,以液态氢的形式存在。液态金属氢由离子化的质子与电子组成(类似于太阳的内部,不过温度低多了)。木星共有67颗木卫。按距离木星中心由近及远的次序为:木卫十六木卫十四木卫五木卫十五木卫一木卫二木卫三木卫四木卫十三木卫六木卫十木卫七木卫十二木卫十一木卫八木卫九 [46]

水星是最接近太阳的行星。水星的半径约为2440公里,在八大行星中是最小的。水星昼夜温差极大,白天摄氏 430 度,晚上约可达零下170 度,是太阳系八大行星中温差最大的一个行星。 [47] 水星的外大气层非常稀薄,是由水星表面和太阳风中的原子和离子构成。 [48] 科学家确认水星表面含有丰富的碳,认为碳是水星表面呈黑色的原因,水星表面的岩石是由低重量百分比的石墨碳构成。 [49]

火星是地球的近邻,是太阳系由内往外数第四颗行星。直径6794km,体积为地球的15-,质量为地球的11-。火星表面是一个荒凉的世界,空气中二氧化碳占了95-。火星大气十分稀薄,密度还不到地球大气的1-,因而根本无法保存热量。这导致火星表面温度极低,很少超过0℃,在夜晚,最低温度则可达到-123℃。火星被称为红色的行星,这是因为它表面布满了氧化物,因而呈现出铁锈红色。其表面的大部分地区都是含有大量的红色氧化物的大沙漠,还有赭色的砾石地和凝固的熔岩流。火星上常常有猛烈的大风,大风扬起沙尘能形成可以覆盖火星全球的特大型沙尘暴。每次沙尘暴可持续数个星期。火星两极的冰冠和火星大气中含有水份。从火星表面获得的探测数据证明,在远古时期,火星曾经有过液态的水,而且水量特别大。 [51]

土星是离太阳第六颗行星,直径120536,体积仅次于木星。主要由氢组成,还有少量的氦与微量元素,内部的核心包括岩石和冰,外围由数层金属氢和气体包裹着。地球距离土星13亿公里。土星的引力比地球强2.5倍,能够牵引太阳系内其它行星,使地球处于一个椭圆轨道中运行,并且与太阳保持适当距离,适宜生命繁衍。当土星轨道倾斜20度将使地球轨道比金星轨道更接近太阳,同时,这将导致火星完全离开太阳系。 [52] 土星是已知唯一密度小于水的行星,假如能够将土星放入一个巨大的浴池之中,它将可以漂浮起来。土星有一个巨大的磁气圈和一个狂风肆虐的大气层,赤道附近的风速可达1800千米/时。在环绕土星运行的31颗卫星中间,土卫六是最大的一颗,比水星和月球还大,也是太阳系中唯一拥有浓厚大气层的卫星。 [53]

天王星是离太阳第七颗行星,51118km。体积约为地球的65倍,在九大行星中仅次于木星和土星。天王星的大气层中83-是氢,15-为氦,2-为甲烷以及少量的乙炔和碳氢化合物。上层大气层的甲烷吸收红光,使天王星呈现蓝绿色。大气在固定纬度集结成云层,类似于木星和土星在纬线上鲜艳的条状色带。天王星云层的平均温度为零下193摄氏度。质量为8.6810±13×10kg,相当于地球质量的14.63倍。密度较小,只有1.24克/立方厘米,为海王星密度值的74.7-。 [54]

海王星是离太阳的第八颗行星,直径49532千米。海王星绕太阳运转的轨道半径为45亿千米,公转一周需要165年。从1846年发现到今天,海王星还没有走完一个全程。海王星的直径和天王星类似,质量比天王星略大一些。海王星和天王星的主要大气成分都是氢和氦,内部结构也极为相近,所以说海王星与天王星是一对孪生兄弟。 [55] 海王星有太阳系最强烈的风,测量到的时速高达2100公里。海王星云顶的温度是-218 °C,是太阳系最冷的地区之一。海王星核心的温度约为7000 °C,可以和太阳的表面比较。海王星在1846年9月23日被发现,是唯一利用数学预测而非有计划的观测发现的行星。 [56]

冥王星,位于海王星以外的柯伊伯带内侧,是柯伊伯带中已知的最大天体。 [57] 直径约为2370±20km,是地球直径的18.5-。 [58] 2006年8月24日,国际天文学联合会大会24日投票决定,不再将传统九大行星之一的冥王星视为行星,而将其列入“矮行星”。大会通过的决议规定,“行星”指的是围绕太阳运转、自身引力足以克服其刚体力而使天体呈圆球状、能够清除其轨道附近其他物体的天体。在太阳系传统的“九大行星”中,只有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星符合这些要求。冥王星由于其轨道与海王星的轨道相交,不符合新的行星定义,因此被自动降级为“矮行星”。 [59] 冥王星的表面温度大概在-238到-228℃之间。冥王星的成份由70-岩石和30-冰水混合而成的。地表上光亮的部分可能覆盖着一些固体氮以及少量的固体甲烷和一氧化碳,冥王星表面的黑暗部分可能是一些基本的有机物质或是由宇宙射线引发的光化学反应。冥王星的大气层主要由氮和少量的一氧化碳及甲烷组成。大气极其稀薄,地面压强只有少量微帕。 [61]

地球是离太阳第三颗行星,是我们人类的家乡,尽管地球是太阳系中一颗普通的行星,但它在许多方面都是独一无二的。比如,它是太阳系中唯一一颗面积大部分被水覆盖的行星,也是目前所知唯一一颗有生命存在的星球。质量M=5.9742 ×10^24 公斤,表面温度:t = - 30 ~ +45。 [62] 英国科研人员在《天体生物学》杂志上报告说,如果没有小行星撞击等可能剧烈改变环境的事件发生,地球适宜人类居住的时间还剩约17.5亿年,不过人为造成的气候变化可能缩短这一时间。 [63]

彗星是由灰尘和冰块组成的太阳系中的一类小天体,绕日运动。 [64] 科学家使用探测器对彗星的化学遗留物进行分析,发现其主要成份为氨、甲烷、硫化氢、氰化氢和甲醛。科学家得出结论称,彗星的气味闻起来像是臭鸡蛋、马尿、酒精和苦杏仁的气味综合。 [65-66]

在太阳系的周围还包裹着一个庞大的“奥特星云”。星云内分布着不计其数的冰块、雪团和碎石。其中的某些会受太阳引力影响飞入内太阳系,这就是彗星。这些冰块、雪团和碎石进入太阳系内部,其表面因受太阳风的吹拂而开始挥发。所以彗星都拖着一条长长的尾巴,而且越靠近太阳尾巴越长、越明显。太阳系内的星际空间并不是真空的,而是充满了各种粒子射线气体尘埃 [68]

柯伊伯带,是一种理论推测认为短周期彗星是来自离太阳50500天文单位的一个环带,位于太阳系的尽头。柯伊伯带是冰质残片组成的巨环,位于海王星轨道之外,环绕着太阳系的外边缘。 [69]

红巨星,当一颗恒星度过它漫长的青壮年期主序星阶段,步入老年期时,它将首先变为一颗红巨星。称它为“巨星”,是突出它的体积巨大。在巨星阶段,恒星的体积将膨胀到十亿倍之多。称它为“红”巨星,是因为在这恒星迅速膨胀的同时,它的外表面离中心越来越远,所以温度将随之而降低,发出的光也就越来越偏红。不过,虽然温度降低了一些,可红巨星的体积是如此之大,它的光度也变得很大,极为明亮。红巨星一旦形成,就朝恒星的下一阶段白矮星进发。 [70]

白矮星,是一种低光度、高密度、高温度的恒星。因为颜色呈白色、体积比较矮小,因此被命名为白矮星。白矮星是一种很特殊的天体,它的体积小、亮度低,但质量大、密度极高。白矮星是中低质量的恒星的演化路线的终点。在红巨星阶段的末期,恒星的中心会因为温度、压力不足或者核聚变达到铁阶段而停止产生能量。恒星外壳的重力会压缩恒星产生一个高密度的天体。一个典型的稳定独立白矮星具有大约半个太阳质量,比地球略大。这种密度仅次于中子星和夸克星。如果白矮星的质量超过1.4倍太阳质量,那么原子核之间的电荷斥力不足以对抗重力,电子会被压入原子核而形成中子星。原子是由原子核和电子组成的,原子的质量绝大部分集中在原子核上,在巨大的压力之下,电子将脱离原子核,成自由电子。这种自由电子气体将尽可能地占据原子核之间的空隙,从而使单位空间内包含的物质也将大大增多,密度大大提高了。形象地说,这时原子核是“沉浸于”电子中,常称之为“简并态”。 [72] 大多数的恒星内核通过氢核聚变进行燃烧,将质量转变为能量,并产生光和热量,当恒星内部氢燃料完成消耗完后就开始进行氦融合反应,并形成更重的碳和氧,这一过程对于类似太阳这样的恒星而言,就显得较为短暂,并形成碳氧组成的白矮星,如果其质量大于1.4倍太阳质量,就会发生Ia型超新星爆发。 [73]

类星体,20世纪60年代以来,天文学家还找到一种在银河系以外象恒星一样表现为一个光点的天体,但实际上它的光度和质量又和星系一样,我们叫它类星体,现在已发现了数千个这种天体。 [74]

超新星,是恒星演化过程中的一个阶段。超新星爆发是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。一般认为质量小于9倍太阳质量左右的恒星,在经历引力坍缩的过程后是无法形成超新星的。 [75] 在大质量恒星演化到晚期,内部不能产生新的能量,巨大的引力将整个星体迅速向中心坍缩,将中心物质都压成中子状态,形成中子星,而外层下坍的物质遇到这坚硬的“中子核”反弹引起爆炸。这就成为超新星爆发,质量更大时,中心更可形成黑洞。 [76] 在超新星爆发的过程中所释放的能量,需要我们的太阳燃烧900亿年才能与之相当。 [77] 超新星研究有着关乎人类自身命运的深层意义。如果一颗超新星爆发的位置非常接近地球,目前国际天文学界普遍认为此距离在100光年以内,它就能够对地球的生物圈产生明显的影响,这样的超新星被称为近地超新星。有研究认为,在地球历史上的奥陶纪大灭绝,就是一颗近地超新星引起的,这次灭绝导致当时地球近60-的海洋生物消失。 [78]

脉冲星是恒星在超新星阶段爆发后的产物。超新星爆发之后,就只剩下了一个“核”,仅有几十公里大小,它的旋转速度很快,有的甚至可以达到每秒714圈。在旋转过程中,它的磁场会使它形成强烈的电波向外界辐射,脉冲星就像是宇宙中的灯塔,源源不断地向外界发射电磁波,这种电磁波是间歇性的,而且有着很强的规律性。正是由于其强烈的规律性,脉冲星被认为是宇宙中最精确的时钟。脉冲星靠消耗自转能而弥补辐射出去的能量,因而自转会逐渐放慢。但是这种变慢非常缓慢,以致于信号周期的精确度能够超过原子钟。而从脉冲星的周期就可以推测出其年龄的大小,周期越短的脉冲星越年轻。脉冲星的特征除高速自转外,还具有极强的磁场,电子从磁极射出,辐射具有很强的方向性。由于脉冲星的自转轴和它的磁轴不重合,在自转中,当辐射向着观测者时,观测者就接收到了脉冲。 [79] 脉冲星就是快速自转的中子星。 [80]

中子星,是超大质量恒星爆炸形成超新星时残留的内核,它是密度非常高的天体,相当于将太阳的质量装入一个直径仅有20千米的球体内。中子星能够每秒旋转数百次,由于超强的引力作用和旋转速度,中子星可在时空中形成较大的“涟漪”,但如果其表面包含隆起或其他瑕疵,时空中出现的“涟漪”将出现不均匀性。中子星的表面被认为是由富含中子微粒的结晶层,是一种固体坚硬的外层。中子星表面的原子排列地比钢铁更加紧密,其强度是钢铁断点的100亿倍。坚硬的表面意味着中子星能够支撑大量的表面隆起地形“山脉”,可能在中子星表面能够支撑一些10厘米高的地形隆起,延伸至几公里之外。 [81] 研究认为黄金和其他重金属元素可能来自于中子星碰撞的大爆炸。 [82]

夸克星,是一种假设的星体。恒星爆发之后会留下遗骸,一颗中子星或者一个黑洞。但如果这个遗骸比上质量太小无法成为黑洞,比下质量太大无法形成中子星,则形成夸克星。虽然还没有被观测到,但天文学家们相信它们应该是存在的。夸克星其实是由奇异夸克物质所组成的,所以它们还被称为奇异星 [83]

黑洞,一种特别致密的暗天体。大质量恒星在其演化末期发生塌缩,其物质特别致密,它有一个称为“视界”的封闭边界,黑洞中隐匿着巨大的引力场,因引力场特别强以至于包括光子(即组成光的微粒,速度c=3*10^8m/s)在内的任何物质只能进去而无法逃脱。黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程;恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收缩,发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止,被压缩成一个密实的星球。但在黑洞情况下,由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去,中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末,剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。黑洞的最特别之处在于它的“隐身术”,原因是弯曲的空间。光是沿直线传播的。根据广义相对论,空间会在引力场作用下弯曲。形象地理解,好像光本来是要走直线的,只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。在地球上,由于引力场作用很小,这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围,空间的这种变形非常大。这样,即使是被黑洞挡着的恒星发出的光,虽然有一部分会落入黑洞中消失,可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以,我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一样,这就是黑洞的隐身术。黑洞会发出耀眼的光芒,体积会缩小,甚至会爆炸。当英国物理学家斯蒂芬威廉霍金于1974年做此预言时,整个科学界为之震动。他发现黑洞周围的引力场释放出能量,同时消耗黑洞的能量和质量。如果在黑洞附近创生一对正负粒子,其中一个粒子被吸入黑洞,那么创生的反粒子会被吸入黑洞,而正粒子会逃逸,由于能量不能凭空创生,我们设反粒子携带负能量,一个反粒子被吸入黑洞可视为一个正粒子携带正能量从黑洞逃逸。而爱因斯坦的公式E=mc^2表明,能量的损失会导致质量的损失。当黑洞的质量越来越小时,它的温度会越来越高。这样,当黑洞损失质量时,它的温度和发射率增加,因而它的质量损失得更快。因此霍金预测黑洞以极高的速度辐射能量,直到黑洞的爆炸。 [85]

1917年,A.阿尔伯特爱因斯坦运用广义相对论建立了一个“静态、无限、无界”的宇宙模型,奠定了现代宇宙学的基础。

1922年,G.D.弗里德曼发现,根据爱因斯坦的场方程,宇宙也可以是膨胀的和振荡的。

1927年,G.勒梅特提出了真正意义的膨胀宇宙模型。1929年,哈勃发现了星系红移与它的距离成正比,建立了著名的哈勃定律。这一发现是对膨胀宇宙模型的有力支持。

20世纪中叶,G.伽莫夫等人提出了热大爆炸宇宙模型。1965年微波背景辐射的发现证实了伽莫夫等人的预言。大爆炸宇宙模型成为标准宇宙模型

1980年,美国的阿兰古斯在热大爆炸宇宙模型的基础上又进一步提出了大爆炸前期暴涨宇宙模型随后由安德烈林德进行了修订。 [86] 该模型包括一个短暂的(指数的)快速膨胀,这个过程抹平时空而使宇宙平坦,解决了视界问题。他提出:在宇宙诞生最初的时刻,时空发生过一次急速膨胀的过程,宇宙大爆炸之后的一瞬间,时空在不到10-34秒的时间里迅速膨胀了10^78倍。 [87]

2014年5月,科学家制作出最为成功的宇宙演化的电脑模型,模拟宇宙以暗物质为起点诞生并演化的过程。

本次建立的电脑模型和真实的宇宙惊人得相似。这个电脑模型可用于测试有关宇宙构造和运转原理的理论。有关科研成果已经在《自然》杂志上发表。

电脑模型最初展示了虚空状态下分散在各处神秘的“暗物质”。几百万年过去了,暗物质集中起来,为早期星系的产生埋下种子。反暗物质随之出现,才有了将来的星球和生命。黑洞也在模型中占有一席之地。它们吸入并吐出物质,产生一系列爆炸,影响星球的形成。

研究人员马克福格尔斯贝格尔表示,模型印证了暗物质等诸多宇宙学理论。他说:“在模拟中,很多星系都和现实宇宙中的星系非常相似。这意味着我们对宇宙基本运转原理的认知是正确的、完整的。如果你不把暗物质算进去,它看着都不怎么像真正的宇宙。” [88]

现代宇宙学的先驱是霍金。霍金:“宇宙创造过程中,“上帝”没有位置。没有必要借助“上帝”来为宇宙按下启动键。” [89]

霍金推崇利用数学和物理手段寻找一个大一统理论,并且证明“宇宙不是偶然诞生的不需要上帝”,“宇宙的数学模型是有限无界”。

霍金在演讲中说道:

“然而,人们在过去几年发现,科学定律甚至在宇宙的开端也是成立的。在那种情形下,宇宙可以是自足的,并由科学定律所完全确定。哈特尔和我所做的设想可以被重新表达成:宇宙的边界条件是它没有边界。” [90]

爆炸之初,物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀,导致温度和密度很快下降。随着温度降低、冷却,逐步形成原子、原子核、分子,并复合成为通常的气体。气体逐渐凝聚成星云,星云进一步形成各种各样的恒星和星系,最终形成我们如今所看到的宇宙。 [91]

暴涨模型允许宇宙的物质和能量从无中产生。大统一理论认为,重子数允许不守恒,而宇宙中的引力能可粗略地说是负的,并精确地抵消非引力能,总能量为零,因此宇宙从无中演化是可能的。

“无”并非是绝对的虚无,真空能恰恰是一种特殊的物质和能量形式。如果进一步说真空能起源于“无”,那么这个“无”也只能是一种未知的物质和能量形式。从现代物理学的观点看,真空也可视为物质 [92]

宇宙不论多么巨大,作为一个有限的物质体系 ,也有其产生、发展和灭亡的历史。暴涨模型认为宇宙中的物质与能量形式不是永恒的,把“无”作为一种未知的物质和能量形式,在认识论和方法论上有一定意义。

现代宇宙学不是晦涩无用的哲学思辩,而是建立在天文观测数学模型物理实验基础上的现代科学完全有能力认知宇宙的奥秘。天文学家们指出,大爆炸必然会发生,原因是“虚空”本质上是不稳定的,可以从量子力学和广义相对论中推导出来。在量子力学的尺度,空间将不稳定,不再显示平滑和连续,空间和时间失去稳定性,混杂形成时空的泡沫,微小的时空泡可以自发形成。量子化的时空产生涨落,宇宙产生于“虚空”。 [93]

暗能量占据宇宙全部物质的74-,它是宇宙加速膨胀的推手。宇宙的膨胀进程处于两种相克的力量平衡之中,如同阴阳相克。其中的一种力量是引力,它们的作用使膨胀减速,而另一种强大的反制力量则是暗能量,它使宇宙加速膨胀。而现在看来,暗能量胜出了 [95] 宇宙中可见物质远远不足以把宇宙连成一片,如果不是存在一种神秘而不可见的物质,星系早就分崩离析。科学家把这种看不见的神秘物质称为“暗物质”。暗物质是促使宇宙膨胀时在自身引力下形成特定结构的首要物质类型。 [96] 天文观测表明我们的宇宙在做加速膨胀运动 [97]

理论上存在某种临界密度。如果平均密度小于临界密度,宇宙就会一直膨胀下去,称为“开宇宙”;要是平均密度大于临界密度,膨胀过程迟早会停下来并收缩,称为“闭宇宙”。

目前来看,开宇宙的可能性大一些

诺贝尔奖获得者布莱恩施密特指出:“物质与物质之间的空间正在加大。“

2011年,布莱恩施密特和他的同事因利用“超新星”作为“宇宙探测器”发现宇宙的加速膨胀而获得了当年的诺贝尔物理学奖,在研究之初,他们的想法是测量宇宙的膨胀速度如何因为万有引力的作用而减缓,而最终的发现却出乎人们的意料,事实证明,宇宙的膨胀速度越来越快。他解释道:“我们观察物体远离我们的速度,就像多普勒雷达采用多普勒频移来定位、测量一样。我们测量距离以及这些动作划分的距离,从而计算出宇宙的膨胀速度。我们的测量方法就是观察遥远的物体,在不同的时间做同样的测量,通过比较得出结论。从这个角度来说,这是一个很简单的实验。通过比较过去与现在测量的不同距离,我们得知现在宇宙的膨胀速度比以往快很多。“ [98]

研究人员计算出目前的宇宙膨胀速度,即所谓哈勃常数,约为73.2公里/(秒百万秒差距)。每百万秒差距相当于326万光年,因此一个星系与地球的距离每增加百万秒差距,其远离地球的速度每秒就增加73.2公里。这意味着,在98亿年内,宇宙天体间的距离将扩大一倍。 [99]

热力学定律不会让宇宙获得永生,新的恒星无法继续形成时,宇宙抵达平衡点,宇宙的状态如同诞生之初的那一碗汤状时空。热寂是热力学上的终点,整个宇宙任何一处的温度都仅仅比绝对零度高一些,这意味着没有东西会幸存下来。 [100] 少部分科学家认为,宇宙结局如果是大坍缩,所有的物质最终都会变成原子状态,再经过一次偶然的量子涨落,新一轮的大爆炸又形成了,下一个宇宙诞生。 [101]

宇宙学家认为,如果宇宙能量密度等于或者小于临界密度,膨胀会逐渐减速,但永远不会停止。恒星形成会因各个星系中的星际气体都被逐渐消耗而最终停止;恒星演化最终导致只剩下白矮星、中子星和黑洞。相当缓慢地,这些致密星体彼此的碰撞会导致质量聚集而陆续产生更大的黑洞。宇宙的平均温度会渐近地趋于绝对零度,从而达到所谓大冻结。此外,倘若质子真像标准模型预言的那样是不稳定的,重子物质最终也会全部消失,宇宙中只留下辐射和黑洞,而最终黑洞也会因霍金辐射而全部蒸发。宇宙的会增加到极点,以致于再也不会有自组织的能量形式产生,最终宇宙达到热寂状态。在ΛCDM模型中,暗能量以宇宙学常数的形式存在,这个理论认为只有诸如星系等引力束缚系统的物质会聚集,并随着宇宙的膨胀和冷却它们也会到达热寂。对暗能量的其他解释,例如幻影能量理论则认为最终星系群、恒星、行星、原子、原子核以及所有物质都会在一直持续下去的膨胀中被撕开,即所谓大撕裂 [102]

大爆炸这一模型的框架基于爱因斯坦的广义相对论,又在场方程的求解上作出了一定的简化。1932年勒梅特首次提出现代宇宙大爆炸理论,1946年美国物理学家伽莫夫正式提出大爆炸理论。 [104] 大爆炸宇宙模型认为,宇宙起源于100多亿年前的一个原始火球。 [105] 暴胀模型解决了宇宙学三大疑难:视界疑难、平坦性疑难、磁单极子疑难。 [106] 大爆炸依据宇宙学原理,即奇点在所有空间爆发。

大爆炸理论最早也最直接的观测证据包括从星系红移观测到的哈勃膨胀、对宇宙微波背景辐射的精细测量、宇宙间轻元素的丰度,而今大尺度结构和星系演化也成为了新的支持证据。这四种观测证据有时被称作“大爆炸理论的四大支柱”。 [107]

大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实:

(a)理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的,因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短,即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。

(b)观测到河外天体有系统性的谱线红移,而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释,那么红移就是宇宙膨胀的反映。但2012年认为这是宇宙学红移,而非多普勒红移。在宇宙学红移中,光波波长是在传播过程中随空间的膨胀而发生变化的。光谱线的红移就是宇宙膨胀的反映。

(c)在各种不同天体上,丰度相当大,而且大都是30-。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论,早期温度很高,产生氦的效率也很高,则可以说明这一事实。

(d)根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等,可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。

按照大爆炸理论,宇宙没有开端。它只是一个循环不断的过程,便是宇宙创生与毁灭并再创生的过程。

大爆炸理论证据如下:

(a)红位移

从地球的任何方向看去,遥远的星系都在离开我们而去,故可以推出宇宙在膨胀,且离我们越远的星系,远离的速度越快。

(b)哈勃定律

哈勃定律就是一个关于星系之间相互远离速度和距离的确定的关系式。仍然是说明宇宙的运动和膨胀。

V=H×D

其中,V(Km/sec)是远离速度;H(Km/sec/Mpc)是哈勃常数,为50;D(Mpc)是星系距离。1Mpc=3.26百万光年。

(c)的丰存度

由模型预测出氢占25-,氦占75-,已由试验证实。

(d)微量元素的丰存度

对这些微量元素,在模型中所推测的丰存度与实测的相同。

(e)3K的宇宙背景辐射

根据大爆炸学说,宇宙因膨胀而冷却,现今的宇宙中仍然应该存在当时产生的辐射余烬,1965年,3K的背景辐射被测得。

(f)背景辐射的微量不均匀

证明宇宙最初的状态并不均匀。

(g)宇宙大爆炸理论的新证据

在2000年12月份的英国《自然》杂志上,科学家们称他们又发现了新的证据,可以用来证实宇宙大爆炸理论。 [108]

美国能源部布鲁克海文国家实验室等机构一些科学家认为,宇宙早期可能还有一个较为短暂的二次膨胀时期,这种假设或许能解释宇宙中现有暗物质数量过多的问题。

该实验室高能理论小组负责人霍曼戴伍迪亚索说,在这些重要事件之间,可能还有一次膨胀,它不像第一次爆炸那么剧烈,却可以“稀释”暗物质,使宇宙中的暗物质密度最终成为今天这样。 [109]

大爆炸理论的建立基于两个基本假设:物理定律的普适性和宇宙学原理。宇宙学原理是指在大尺度上宇宙是均匀且各向同性的。 [110] 宇宙的所有地方(同质性)和所有方向(同向性)看起来都相同,是大爆炸理论的重要依据。该理论认为整个宇宙,我们所见的一切,都起源于一个炽热、致密而统一的状态,在那里,各处的定律和初始条件都是相同的 [111] 宇宙学最基本的原理即平庸原理。它认为,地球上的各种规律在其他地方都适用。 [112]

多元宇宙是一个理论上的无限个或有限个可能的宇宙的集合多元宇宙所包含的各个宇宙被称为平行宇宙。极少数理论物理学家认为存在着不同状态的多元宇宙。

根据暴胀理论,通常所说的大爆炸可能并不是时间和空间的起始,而是我们这个可观测宇宙的开始。在此以前是宇宙的暴胀期。那是一个以指数级膨胀的宇宙,充满着时空结构固有的能量。宇宙的暴胀也是一个通过继承和发展而来的理论。它继承了大爆炸理论和现代宇宙学的所有成果;解释了大爆炸理论无法解释的一系列问题,包括宇宙各处的温度为何如此平均,空间为何如此平坦,为何没有发现磁单极子这样的高能遗留物等等;与此同时,它还明确作出了五个可供检验的预测,其中四个已被确认。唯一一个未被确认,也难以确认的预测是:多元宇宙。

暴胀理论认为,暴胀能导致空间以指数级急速膨胀。这能解释为什么我们的宇宙如此平均、如此巨大。暴胀结束后,我们的宇宙充满了物质和辐射,也就是我们在大爆炸中所看到的一切。我们今天的宇宙是通过充分的暴胀形成的。但是根据同一个理论,可以推导出在暴胀已经结束的地方周围,或许仍然存在着许多暴胀尚未结束的地方。这种存在于理论中的现象也就是所谓的“永久暴胀”。

判断一个理论是否成熟、是否科学有三大标准。它们分别是:

能否重现原有理论的结果能否解释与原有理论矛盾的结果;以及能否作出新的、可供检验的预测

由于无法验证,也无法预言如何验证,多元宇宙不是科学理论,也不是科学假说,而是个人假说。多元宇宙理论本身并不是一个科学理论。它实际上是一个根据当前已知物理定律所作的推论

对于我们所在的这个宇宙来说,多元宇宙理论起不到多大的解释作用。它无法解决我们当前面临的问题。最糟糕的是,它无法向我们提供任何能够加以检验的预测。这首先意味着假如我们对这个宇宙及其历史的认识是正确的,那么多元宇宙可能真的存在。但产生这些宇宙的大爆炸与我们这个宇宙没有任何关联。但与此同时,这一切又是超现实的。即便在理论上,也无法加以检验。除非我们重现宇宙暴胀,然后把观测者送往不同的暴胀区。

多元宇宙理论永远是一种物理学的推论。它也许是一种不可避免的推论,但在加以检验之前,不能被称为科学。事实上,我们可能永远也无法对此加以检验。这是一个有意义的理论猜想,但不是科学理论。而且由于宇宙给我们设置了局限,多元宇宙可能永远都无法成为科学理论。它属于一种基于物理的“形而上学(metaphysics)”。我们能够通过科学的方式学习这个宇宙内部的信息,但是这个宇宙实际上却是有限的。 [113]

宇宙最冷之处 最新一项研究表明,回力棒星云或许是宇宙中最寒冷的地方,温度仅有零下272摄氏度。回力棒星云距离地球5000光年。 [114]

宇宙中最热的行星 迄今发现最炽热的行星是WASP-33b,这颗气态行星可达到3200℃。 [115]

宇宙中最冷的行星 OGLE-BLG-390L是迄今发现最寒冷的行星,其质量是地球的5倍,被认为是一颗岩石行星,它也是距离地球最遥远的行星之一,距离地球大约28000光年。它表面温度仅为零下220℃,低于液氮的沸点,接近于绝对零度(-273.15℃)。 [116]

宇宙最大恒星盾牌座UY星是目前已知最大星体,是一颗位于盾牌座的红色特超巨星。半径是1708倍太阳半径,也就意味着1708个太阳排成一排。它距离地球约9500光年。 [117]

宇宙中旋转最快的恒星 VFTS 102是迄今最快旋转的超大质量恒星,该恒星赤道区域环绕轴心以每秒600公里的速度高速旋转,由于离心力作用,如此之高的自转速率几乎将这颗恒星撕裂。它非常炽热,是一颗高度发光恒星,是太阳亮度的10万倍,位于大麦哲伦星云中的蜘蛛星云 [118]

宇宙最小的物质尺寸 已知宇宙中最小的粒子是夸克。未经证明的新理论认为:超弦(尚未成为科学理论),奇点,空间泡(尚未成为科学理论)都约是普朗克尺度的大小。普朗克尺度是1.6 x 10^-35米。普朗克尺度被认为代表了可测量的最小尺度的理论下限。据不确定性理论,没有仪器能测量更小的尺度,因为在那个范围内,物质具有概率性和不确定性。这个尺度也被认为是广义相对论量子力学的划分界限。科学家认为可能所有宇宙最小的物质大致都是普朗克长度大小。 [119]

宇宙中最快的信息传递速 研究表明,无论信息传输得多快,其传输速度都不能超过光速。从而也提示爱因斯坦的速度极限理论无懈可击。 [120] 量子纠缠技术是安全的传输信息的加密技术,超光速无关。尽管知道这些粒子之间“交流”的速度是光速的几千倍,但我们却无法利用这种联系以如此快的速度控制和传递信息。因此爱因斯坦提出的规则,也即任何事物移动的速度都无法超过光速,仍然成立。 [121] “信息”指的是能作用于一个物体或系统的任何信号,例如,一束光脉冲能开启一台仪器设备。研究人员提出,即使脉冲光束中最前沿的一些光子的速度超过光速,也只有在光束的多数光子团到达后,脉冲才会发生作用。这就是说,前沿超光速光子不能传达任何信息。不能传递信息的超光速是没有意义的,比如空间膨胀虽然超光速但无法传递信息。 [122]

宇宙中最亮的类星体 SDSS J0100+2802是已知遥远类星体中黑洞质量和光度最大的。其光度是太阳光度的430万亿倍,距离地球128亿光年。其中心黑洞质量约为120亿个太阳质量,大约在宇宙大爆炸发生9亿年后形成,是目前已知的遥远宇宙中星体中光度最高、黑洞质量最大的类星体。相比之下,银河系中心的黑洞质量只相当于300万个太阳。类星体是其中心黑洞猛烈吞噬周围物质而形成的耀眼天体。 [123]

宇宙中迄今观测到的最大行星苍蝇座KR b是观测到的最大行星(也是褐矮星),它的半径是太阳系“巨人”木星的6.8倍,距离地球320光年。它的质量为20MJ,此星是唯一一个被观测到的新生钱行星。

宇宙中运行速度最快的行星 运行最快的行星是SWEEPS-10,它与主恒星的距离为119万公里,是地球和月球之间距离的3倍,这意味着这颗行星自转一周的时间仅相当于地球的10个小时。 [124]

宇宙中最重的黑洞 OJ 287是迄今观测到最重的无形黑洞,它的质量是太阳质量的180亿倍。 [125]

宇宙中最明亮的太空目标 持久性伽马射线爆GRB 080319B于2008年3月爆发,人们可用肉眼在地面进行观测,其亮度相同于普通星系的1000万倍,然而它与地球的距离却是75亿光年。 [126]

宇宙中最快的逃亡者 恒星HE 0437-5439,它以时速160万英里(257万公里)速度疾驰穿越银河系。 [127]

宇宙中最繁忙的星系 天文学家观测发现星系GOODS 850-5是最忙的星系,它在宇宙形成初期每年形成4000颗恒星,而银河系每年却只生成4颗恒星。 [128]

宇宙中最遥远的星系 一个130亿年历史的星系形成于宇宙大爆炸后的7亿年,然而这个最遥远的光线至今才到达地球,目前我们所看到的明亮、恒星形成阶段状态正是这个星系的早期。 [129]

宇宙中最小的黑洞 使用准周期振动(QPO)方法,天文学家发现迄今为至最小的黑洞,它仅是太阳的3.8倍质量,位于银河系二元恒星XTE J1650-500之中。 [130]

宇宙中最大最重的类星体:这是一种极亮,宽吸收线,强射电类星体,简称Ton 618.它的事件视界范围是3840亿千米(公里),质量是660亿倍太阳质量,远在于104亿光年的猎犬座。想到这里,人们会感到人马座A(银河系中心黑洞)很渺小的感觉

宇宙中最像地狱般的行星 行星 HD149026b是一个木炭般黑暗的世界,它从非常邻近的恒星吸收大量的辐射光线,并使其表面达到3700华氏温度,远在沸点之上。 [131]

宇宙中最明亮的超新星 超新星2005ap比太阳亮1000亿倍,比普通超新星明亮300倍,但是不用担心,这个超新星距离地球47亿光年。 [132]

宇宙中理论最高温度 当物体到达超热的温度时就会发出递减的波长(相当于递增的频率和增加的能量)。理论上讲,辐射的波长是有下限(相对的是能量上限)的。普朗克定律认为,能量不能持续增加,否则会产生无法想象的射线。极限点在1.416833(85)x10^32K左右,通称为普朗克温度。 [133]

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