宇宙
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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综合。一般理解的宇宙指我们所存在的一个时空连续系统，包括其间的所有物质、能量和事件。对于这一体系的整体解释构成了宇宙论。二十世纪以来，根据现代物理学和天文学，建立了关于宇宙的科学理论，称为宇宙学。
根据相对论，信息的传播速度有限，因此在某些情况下，例如在发生宇宙爆炸的情况下，时空连续系统中我们将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。可以被我们观测到的时空部分称为“可观测宇宙”、“可见宇宙”或“我们的宇宙”。应该强调的是，这是由于时空本身的结构造成的，与我们所用的观测设备没有关系。
宇宙大约是由5%的普通物质，25%的暗物质和70%的暗能量构成[1]。
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中文辞源
《文子·自然》：“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。”
《尸子》：“上下四方曰宇，往古来今曰宙。”
二字连用，始见于《庄子·齐物论》曰：“旁日月，挟宇宙，为其吻合。”
《淮南子·天方训》中关于世界起源的论述：“天地未形，冯冯翼翼，洞洞灟灟，故曰太昭，道始于虚霩，虚霩生宇宙，宇宙生气，气有涯垠，清阳者薄靡而为天，重浊者凝滞而为地。清妙之合专易，重浊之凝竭难，故天先成而地后定，天地之袭精为阴阳，阴阳之专精为四时，四时之散精之万物，”
神话和宗教的宇宙观
起初古人不愿意承认有其他世界的可能性，甚至认为“山后面没有人”，更不用说到宇宙了。但在地球上探险和征服的活动频繁下，又见到新奇的世界甚至星座的变化，从而想像宇宙整体，虽然这些宇宙观主要是纯思辨的产物，但客观上对于后来探险和观测活动是起了指导的作用。
- 佛教宇宙观
佛经中，大的空间叫佛刹、虚空，小的叫微尘，统称为“三千大千世界”。“佛教宇宙观”主张宇宙系由无数个世界所构成。集一千个一小世界称为“小千世界”，集一千个小千世界称为“中千世界”，集一千个中千世界称为“大千世界”；合小千、中千、大千总称为三千大千世界。
但佛经中没有说过地和天空的关系与形成，这些问题被认为是当时无法理解的不可说法。
- 前佛教的印度宇宙观
认为世界在无限的海上由一只巨大的龟背着，还有四头巨象来支持着世界。
- 中国古代的宇宙观
常有天圆地方之说，以为大地是一个方形的饼般由有限的天球包围，而天球外的空间没有可以想像的余地，而神明也是住在天球内的。
- 古希腊的宇宙观
认为人类世界是由海洋包围的平面，天球中是挂着星体，中间有的云层，并认为月亮是在大气中而月亮的变化是在大气做成的。天球外是神的无限空间。
宇宙的历史
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观测的宇宙论 |
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爱因斯坦 • 弗里德曼 • 勒梅特 |
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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。
宇宙大小
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。
宇宙的形状
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。）。
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。
宇宙的命运
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”（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做出肯定的预言。
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。
注释
- ^ Varun, Sahni（2006）．“Dark Matter and Dark Energy”(PDF)．Lecture Notes in Physics（653）：141-180．
- ^ 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.（2006年）．“The First DIRECT Distance to a Detached Eclipsing Binary in M33”．Astrophysics and Space ScienceOnline First．
- ^ 黄永明, 2006年世界天文学和天体物理学重要进展, 科技导报. 2007, 25 (3): 第13-17页.
相关条目
参考文献
- 史蒂芬·霍金《胡桃里的宇宙》，(台北：大块文化出版，2001年5月)。
- 史蒂芬·霍金著，吴忠超、许明贤合译：〈基本粒子和自然的粒〉，《时间简史-从大爆炸到黑洞》（艺文印书馆，2002年增订版）。
- 吕应钟：《大世纪－佛经宇宙人纪事》（台北：慧众出版，1992年12月）。
- 陈家成、林杜娟：〈科学和佛教的宇宙论及其与十二因缘的关系〉(佛教与科学，2001年)。
- 杨中杰：〈从佛学角度观西方三大物理学之理论层次〉（佛学与科学，2001年）。
- 王萌：〈佛教与科学的当代对话－以佛教性空论与量子理论为线索〉（四川：自然辩证法通讯，2004年第2期）。
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