宇宙的知识

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1、宇宙的知识宇宙是由空间、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

2、。宇宙大约是由5%的普通物质，25%的暗物质和70%的暗能量构成宇宙的历史：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： 10-4 3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

3、：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。宇宙的大小：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

4、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

5、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， 是基本平坦的一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（4nR2）。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（2n2R3）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

6、有弯曲圆柱本身一 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

7、可能的。宇宙的组成结构：行星我们居住的地球是太阳系的一颗大行星。太阳系一共有八颗大行星：水星、 金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。除了大行星以外，还有60 多颗卫星、为数众多的小行星、难以计数的彗星和流星体等。他们都是离我们地 球较近的，是人们了解的较多的天体。那么，除了这些以外，茫茫宇宙空间还有 一些什么呢？(2) 恒星和星云晴夜，我们用肉眼可以看到许多闪闪发光的星星，他们绝大多数是恒星，恒 星就是象太阳一样本身能发光发热的星球。我们银河系内就有1000多亿颗恒星。 恒星常常爱好群居，有许多是成双成对地紧密靠在一起的，按照一定的规律 互相绕转着，这称为双星。还有一些是3颗、4颗或

8、更多颗恒星聚在一起，称为 聚星。如果是十颗以上，甚至成千上万颗星聚在一起，形成一团星，这就是星团。 银河系里就发现1000多个这样的星团。(3) 银河系及河外星系随着测距能力的逐步提高，人们逐渐在越来越大的尺度上对宇宙的结构建立 了立体的观念。这里第一个重要的发展，是认识了银河。它包含两重含义，一是 了解了银河的形状，二是认识了河外天体的存在。星系团当我们把观测的尺度再放大，宇宙可看成由大量星系构成的介质，而恒星 只是星系内部细致结构的表现。这样，为了了解宇宙结构，需关心星系在空间的 分布规律。(5)大尺度结构今天人们把10Mpc以上的结构称为宇宙的大尺度结构(目前观测到的宇宙的 大小是104Mpc)。至今大尺度上的观测事实远不是十分明确的。有趣的是，有 迹象表明，星系在大尺度上的分布呈泡沫状。即有许多看不到星系的空洞区， 而星系聚集在空洞的壁上，呈纤维状或片状结构。这一层次的结构叫超星系团。 它的典型尺度为几十兆秒差距。总之，若把星系看成宇宙物质的基本单元，那么星系的分布状况就是宇宙结 构的表现。现在看来，直至50Mpc的尺度为止，星系的分布呈现有层次的结构。 这就是我们对宇宙面貌的基本认识。