宇宙
universe；cosmos
宇宙的誕生
我們現在觀察到的宇宙,其邊界大約有100多億光年.它由眾多的星系所組成.地球是太陽系的壹顆普通行星,而太陽系是銀河系中壹顆普通恒星.我們所觀察到恒星、行星、慧星、星系等是怎麽產生的呢?
宇宙學說認為,我們所觀察到的宇宙,在其孕育的初期,集中於壹個很小、溫度極高、密度極大的原始火球.在150億年到200億年前,原始火球發生大爆炸,從此開始了我們所在的宇宙的誕生史.
宇宙原始大爆炸後0.01秒,宇宙的溫度大約為1000億度.物質存在的主要形式是電子、光子、中微子.以後,物質迅速擴散,溫度迅速降低.大爆炸後1秒鐘,下降到100億度.大爆炸後14秒,溫度約30億度.35秒後,為3億度,化學元素開始形成.溫度不斷下降,原子不斷形成.宇宙間彌漫著氣體雲.他們在引力的作用下,形成恒星系統,恒星系統又經過漫長的演化,成為今天的宇宙.
物質現象的總和.廣義上指無限多樣、永恒發展的物質世界,狹義上指壹定時代觀測所及的最大天體系統.後者往往稱作可觀測宇宙、我們的宇宙,現在相當於天文學中的“總星系”.
2003年2月份,美國國家航空航天局曾向全世界公布他們有關宇宙年齡的研究成果.根據其公布的資料顯示,宇宙年齡應該為137億歲.2003年11月份,國際天體物理學研究小組宣稱,宇宙的確切年齡應該是141億歲.地球的形成大約是距今45億年.
詞源考察 在中國古籍中最早使用宇宙這個詞的是《莊子·齊物論》.“宇”的含義包括各個方向,如東西南北的壹切地點.“宙”包括過去、現在、白天、黑夜,即壹切不同的具體時間.戰國末期的屍佼說：“四方上下曰宇,往古來今曰宙.”“宇”指空間,“宙”指時間,“宇宙”就是時間和空間的統壹.後來“宇宙”壹詞便被用來指整個客觀實在世界.與宇宙相當的概念有“天地”、“乾坤”、“六合”等,但這些概念僅指宇宙的空間方面.《管子》的“宙合”壹詞,“宙”指時間,“合”（即“六合”）指空間,與“宇宙”概念最接近.
在西方,宇宙這個詞在英語中叫cosmos,在俄語中叫кocMoc ,在德語中叫kosmos ,在法語中叫cosmos.它們都源自希臘語的κoσμoζ,古希臘人認為宇宙的創生乃是從渾沌中產生出秩序來,κoσμoζ其原意就是秩序.但在英語中更經常用來表示“宇宙”的詞是universe.此詞與universitas有關.在中世紀,人們把沿著同壹方向朝同壹目標***同行動的壹群人稱為universitas.在最廣泛的意義上,universitas 又指壹切現成的東西所構成的統壹整體,那就是universe,即宇宙.universe和cosmos常常表示相同的意義,所不同的是,前者強調的是物質現象的總和,而後者則強調整體宇宙的結構或構造.
宇宙觀念的發展 宇宙結構觀念的發展 遠古時代,人們對宇宙結構的認識處於十分幼稚的狀態,他們通常按照自己的生活環境對宇宙的構造作了幼稚的推測.在中國西周時期,生活在華夏大地上的人們提出的早期蓋天說認為,天穹像壹口鍋,倒扣在平坦的大地上；後來又發展為後期蓋天說,認為大地的形狀也是拱形的.公元前7世紀 ,巴比倫人認為,天和地都是拱形的,大地被海洋所環繞,而其中央則是高山.古埃及人把宇宙想象成以天為盒蓋、大地為盒底的大盒子,大地的中央則是尼羅河.古印度人想象圓盤形的大地負在幾只大象上,而象則站在巨大的龜背上,公元前7世紀末,古希臘的泰勒斯認為,大地是浮在水面上的巨大圓盤,上面籠罩著拱形的天穹.
最早認識到大地是球形的是古希臘人.公元前6世紀,畢達哥拉斯從美學觀念出發,認為壹切立體圖形中最美的是球形,主張天體和我們所居住的大地都是球形的.這壹觀念為後來許多古希臘學者所繼承,但直到1519～1522年,葡萄牙的F.麥哲倫率領探險隊完成了第壹次環球航行後 ,地球是球形的觀念才最終證實.
公元2世紀,C.托勒密提出了壹個完整的地心說.這壹學說認為地球在宇宙的中央安然不動,月亮、太陽和諸行星以及最外層的恒星天都在以不同速度繞著地球旋轉.為了說明行星視運動的不均勻性,他還認為行星在本輪上繞其中心轉動,而本輪中心則沿均輪繞地球轉動.地心說曾在歐洲流傳了1000多年.1543年,N.哥白尼提出科學的日心說,認為太陽位於宇宙中心,而地球則是壹顆沿圓軌道繞太陽公轉的普通行星.1609年,J.開普勒揭示了地球和諸行星都在橢圓軌道上繞太陽公轉,發展了哥白尼的日心說,同年,G.伽利略則率先用望遠鏡觀測天空,用大量觀測事實證實了日心說的正確性.1687年,I.牛頓提出了萬有引力定律,深刻揭示了行星繞太陽運動的力學原因,使日心說有了牢固的力學基礎.在這以後,人們逐漸建立起了科學的太陽系概念.
在哥白尼的宇宙圖像中,恒星只是位於最外層恒星天上的光點.1584年,G.布魯諾大膽取消了這層恒星天,認為恒星都是遙遠的太陽.18世紀上半葉,由於E.哈雷對恒星自行的發展和J.布拉得雷對恒星遙遠距離的科學估計,布魯諾的推測得到了越來越多人的贊同.18世紀中葉,T.賴特、I.康德和J.H.朗伯推測說,布滿全天的恒星和銀河構成了壹個巨大的天體系統.F.W.赫歇爾首創用取樣統計的方法,用望遠鏡數出了天空中大量選定區域的星數以及亮星與暗星的比例,1785年首先獲得了壹幅扁而平、輪廓參差、太陽居中的銀河系結構圖,從而奠定了銀河系概念的基礎.在此後壹個半世紀中,H.沙普利發現了太陽不在銀河系中心、J.H.奧爾特發現了銀河系的自轉和旋臂,以及許多人對銀河系直徑、厚度的測定,科學的銀河系概念才最終確立.
18世紀中葉,康德等人還提出,在整個宇宙中,存在著無數像我們的天體系統(指銀河系)那樣的天體系統.而當時看去呈雲霧狀的“星雲”很可能正是這樣的天體系統.此後經歷了長達170年的曲折的探索歷程,直到1924年,才由E.P.哈勃用造父視差法測仙女座大星雲等的距離確認了河外星系的存在.
近半個世紀,人們通過對河外星系的研究,不僅已發現了星系團、超星系團等更高層次的天體系統,而且已使我們的視野擴展到遠達200億光年的宇宙深處.
宇宙演化觀念的發展 在中國,早在西漢時期,《淮南子·俶真訓》指出：“有始者,有未始有有始者,有未始有夫未始有有始者”,認為世界有它的開辟之時,有它的開辟以前的時期,也有它的開辟以前的以前的時期.《淮南子·天文訓》中還具體勾畫了世界從無形的物質狀態到渾沌狀態再到天地萬物生成演變的過程.在古希臘,也存在著類似的見解.例如留基伯就提出,由於原子在空虛的空間中作旋渦運動,結果輕的物質逃逸到外部的虛空,而其余的物質則構成了球形的天體,從而形成了我們的世界.
太陽系概念確立以後,人們開始從科學的角度來探討太陽系的起源.1644年,R.笛卡爾提出了太陽系起源的旋渦說；1745年,G.L.L.布豐提出了壹個因大彗星與太陽掠碰導致形成行星系統的太陽系起源說；1755年和1796年,康德和拉普拉斯則各自提出了太陽系起源的星雲說.現代探討太陽系起源z的新星雲說正是在康德-拉普拉斯星雲說的基礎上發展起來.
1911年,E.赫茨普龍建立了第壹幅銀河星團的顏色星等圖；1913年,H.N.羅素則繪出了恒星的光譜-光度圖,即赫羅圖.羅素在獲得此圖後便提出了壹個恒星從紅巨星開始,先收縮進入主序,後沿主序下滑,最終成為紅矮星的恒星演化學說.1924年 ,A.S.愛丁頓提出了恒星的質光關系；1937～1939年,C.F.魏茨澤克和貝特揭示了恒星的能源來自於氫聚變為氦的原子核反應.這兩個發現導致了羅素理論被否定,並導致了科學的恒星演化理論的誕生.對於星系起源的研究,起步較遲,目前普遍認為,它是我們的宇宙開始形成的後期由原星系演化而來的.
1917年,A.阿爾伯特·愛因斯坦運用他剛創立的廣義相對論建立了壹個“靜態、有限、無界”的宇宙模型,奠定了現代宇宙學的基礎.1922年,G.D.弗裏德曼發現,根據阿爾伯特·愛因斯坦的場方程,宇宙不壹定是靜態的,它可以是膨脹的,也可以是振蕩的.前者對應於開放的宇宙,後者對應於閉合的宇宙.1927年,G.勒梅特也提出了壹個膨脹宇宙模型.1929年 哈勃發現了星系紅移與它的距離成正比,建立了著名的哈勃定律.這壹發現是對膨脹宇宙模型的有力支持.20世紀中葉,G.伽莫夫等人提出了熱大爆炸宇宙模型,他們還預言,根據這壹模型,應能觀測到宇宙空間目前殘存著溫度很低的背景輻射.1965年微波背景輻射的發現證實了伽莫夫等人的預言.從此,許多人把大爆炸宇宙模型看成標準宇宙模型.1980年,美國的古斯在熱大爆炸宇宙模型的 基礎上又進壹步提出了暴漲宇宙模型.這壹模型可以解釋目前已知的大多數重要觀測事實.
宇宙圖景 當代天文學的研究成果表明,宇宙是有層次結構的、物質形態多樣的、不斷運動發展的天體系統.
層次結構 行星是最基本的天體系統.太陽系中***有九大行星：水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星和冥王星.除水星和金星外,其他行星都有衛星繞其運轉,地球有壹個衛星 月球,土星的衛星最多,已確認的有17顆.行星 小行星 彗星和流星體都圍繞中心天體太陽運轉,構成太陽系.太陽占太陽系總質量的99.86％,其直徑約140萬千米,最大的行星木星的直徑約14萬千米.太陽系的大小約120億千米.有證據表明,太陽系外也存在其他行星系統.2500億顆類似太陽的恒星和星際物質構成更巨大的天體系統——銀河系.銀河系中大部分恒星和星際物質集中在壹個扁球狀的空間內,從側面看很像壹個“鐵餅”,正面看去?則呈旋渦狀.銀河系的直徑約10萬光年,太陽位於銀河系的壹個旋臂中,距銀心約3萬光年.銀河系外還有許多類似的天體系統,稱為河外星系,常簡稱星系.現已觀測到大約有10億個.星系也聚集成大大小小的集團,叫星系團.平均而言,每個星系團約有百余個星系,直徑達上千萬光年.現已發現上萬個星系團.包括銀河系在內約40個星系構成的壹個小星系團叫本星系群.若幹星系團集聚在壹起構成更大、更高壹層次的天體系統叫超星系團.超星系團往往具有扁長的外形,其長徑可達數億光年.通常超星系團內只含有幾個星系團,只有少數超星系團擁有幾十個星系團.本星系群和其附近的約50個星系團構成的超星系團叫做本超星系團.目前天文觀測範圍已經擴展到200億光年的廣闊空間,它稱為總星系.
多樣性 天體千差萬別,宇宙物質千姿百態.太陽系天體中,水星、金星表面溫度約達700K,遙遠的冥王星向日面的溫度最高時也只有50K；金星表面籠罩著濃密的二氧化碳大氣和硫酸雲霧,氣壓約50個大氣壓,水星、火星表面大氣卻極其稀薄,水星的大氣壓甚至小於2×10-9毫巴；類地行星(水星、金星、火星)都有壹個固體表面,類木行星卻是壹個流體行星；土星的平均密度為0.70克／厘米3,比水的密度還小,木星、天王星、海王星的平均密 度略大於水的密度,而水星、金星、地球等的密度則達到水的密度的5倍以上；多數行星都是順向自轉,而金星是逆向自轉；地球表面生機盎然,其他行星則是空寂荒涼的世界.
太陽在恒星世界中是顆普遍而又典型的恒星.已經發現,有些紅巨星的直徑為太陽直徑的幾千倍.中子星直徑只有太陽的幾萬分之壹；超巨星的光度高達太陽光度的數百萬倍,白矮星光度卻不到太陽的幾十萬分之壹.紅超巨星的物質密度小到只有水的密度的百萬分之壹,而白矮星、中子星的密度分別可高達水的密度的十萬倍和百萬億倍.太陽的表面溫度約為6000K,O型星表面溫度達30000K,而紅外星的表面溫度只有約600K.太陽的普遍磁場強度平均為1×10-4特斯拉,有些磁白矮星的磁場通常為幾千、幾萬高斯（1高斯＝10-4特斯拉）,而脈沖星的磁場強度可高達十萬億高斯.有些恒星光度基本不變,有些恒星光度在不斷變化,稱變星.有的變星光度變化是有周期的,周期從1小時到幾百天不等.有些變星的光度變化是突發性的,其中變化最劇烈的是新星和超新星,在幾天內,其光度可增加幾萬倍甚至上億倍.
恒星在空間常常聚集成雙星或三五成群的聚星,它們可能占恒星總數的1／3.也有由幾十、幾百乃至幾十萬個恒星聚在壹起的星團.宇宙物質除了以密集形式形成恒星、行星等之外,還以彌漫的形式形成星際物質.星際物質包括星際氣體和塵埃,平均每立方厘米只有壹個原子,其中高度密集的地方形成形狀各異的各種星雲.宇宙中除發出可見光的恒星、星雲等天體外,還存在紫外天體、紅外天體、X射線源、γ射線源以及射電源.
星系按形態可分為橢圓星系、旋渦星系、棒旋星系、透鏡星系和不規則星系等類型.60年代又發現許多正在經歷著爆炸過程或正在拋射巨量物質的河外天體,統稱為活動星系,其中包括各種射電星系、塞佛特星系、N型星系、馬卡良星系、蠍虎座BL型天體,以及類星體等等.許多星系核有規模巨大的活動：速度達幾千千米／秒的氣流,總能量達1055焦耳的能量輸出,規模巨大的物質和粒子拋射,強烈的光變等等.在宇宙中有種種極端物理狀態：超高溫、超高壓、超高密、超真空、超強磁場、超高速運動、超高速自轉、超大尺度時間和空間、超流、超導等.為我們認識客觀物質世界提供了理想的實驗環境.
運動和發展 宇宙天體處於永恒的運動和發展之中,天體的運動形式多種多樣,例如自轉、各自的空間運動(本動)、繞系統中心的公轉以及參與整個天體系統的運動等.月球壹方面自轉壹方面圍繞地球運轉,同時又跟隨地球壹起圍繞太陽運轉.太陽壹方面自轉,壹方面又向著武仙座方向以20千米／秒的速度運動,同時又帶著整個太陽系以250千米／秒的速度繞銀河系中心運轉,運轉壹周約需2.2億年.銀河系也在自轉,同時也有相對於鄰近的星系的運動.本超星系團也可能在膨脹和自轉.總星系也在膨脹.
現代天文學已經揭示了天體的起源和演化的歷程.當代關於太陽系起源學說認為,太陽系很可能是50億年前銀河系中的壹團塵埃氣體雲(原始太陽星雲)由於引力收縮而逐漸形成的（見太陽系起源）.恒星是由星雲產生的,它的壹生經歷了引力收縮階段、主序階段、紅巨星階段、晚期階段和臨終階段.星系的起源和宇宙起源密切相關,流行的看法是：在宇宙發生熱大爆炸後40萬年,溫度降到4000K,宇宙從輻射為主時期轉化為物質為主時期,這時或由於密度漲落形成的引力不穩定性,或由於宇宙湍流的作用而逐步形成原星系,然後再演化為星系團和星系.熱大爆炸宇宙模型描繪了我們的宇宙的起源和演化史：我們的宇宙起源於200億年前的壹次大爆炸,當時溫度極高、密度極大.隨著宇宙的膨脹,它經歷了從熱到冷、從密到稀、從輻射為主時期到物質為主時期的演變過程,直至10～20億年前,才進入大規模形成星系的階段,此後逐漸形成了我們當今看到的宇宙.1980年提出的暴漲宇宙模型則是熱大爆炸宇宙模型的補充.它認為在宇宙極早期,在我們的宇宙誕生後約10-36秒的時候,它曾經歷了壹個暴漲階段.
哲學分析 宇宙概念 有些宇宙學家認為,我們的宇宙是唯壹的宇宙；大爆炸不是在宇宙空間的哪壹點爆炸,而是整個宇宙自身的爆炸.但是,新提出的暴漲模型表明,我們的宇宙僅是整個暴漲區域的非常小的壹部分,暴漲後的區域尺度要大於1026厘米,而那時我們的宇宙只有10厘米.還有可能這個暴漲區域是壹個更大的始於無規則混沌狀態的物質體系的壹部分.這種情況恰如科學史上人類的認識從太陽系宇宙擴展到星系宇宙,再擴展到大尺度宇宙那樣,今天的科學又正在努力把人類的認識進壹步向某種探索中的“暴漲宇宙”、“無規則的混沌宇宙”推移.我們的宇宙不是唯壹的宇宙,而是某種更大的物質體系的壹部分,大爆炸不是整個宇宙自身的爆炸,而是那個更大物質體系的壹部分的爆炸.因此,有必要區分哲學和自然科學兩個不同層次的宇宙概念.哲學宇宙概念所反映的是無限多樣、永恒發展的物質世界；自然科學宇宙概念所涉及的則是人類在壹定時代觀測所及的最大天體系統.兩種宇宙概念之間的關系是壹般和個別的關系.隨著自然科學宇宙概念的發展,人們將逐步深化和接近對無限宇宙的認識.弄清兩種宇宙概念的區別和聯系,對於堅持馬克思主義的宇宙無限論,反對宇宙有限論、神創論、機械論、不可知論、哲學代替論和取消論,都有積極意義.
宇宙的創生 有些宙學家認為,暴漲模型最徹底的改革也許是觀測宇宙中所有的物質和能量從無中產生的觀點,這種觀點之所以在以前不能為人們接受,是因為存在著許多守恒定律,特別是重子數守恒和能量守恒.但隨著大統壹理論的發展,重子數有可能是不守恒的,而宇宙中的引力能可粗略地說是負的,並精確地抵消非引力能,總能量為零.因此就不存在已知的守恒律阻止觀測宇宙從無中演化出來的問題.這種“無中生有”的觀點在哲學上包括兩個方面：①本體論方面.如果認為“無”是絕對的虛無,則是錯誤的.這不僅違反了人類已知的科學實踐,而且也違反了暴漲模型本身.按照該模型,我們所研究的觀測宇宙僅僅是整個暴漲區域的很小的壹部分,在觀測宇宙之外並不是絕對的“無”.現在觀測宇宙的物質是從假真空狀態釋放出來的能量轉化而來的,這種真空能恰恰是壹種特殊的物質和能量形式,並不是創生於絕對的“無”.如果進壹步說這種真空能起源於“無”,因而整個觀測宇宙歸根到底起源於“無”,那麽這個“無”也只能是壹種未知的物質和能量形式.②認識論和方法論方面.暴漲模型所涉及的宇宙概念是自然科學的宇宙概念.這個宇宙不論多麽巨大,作為壹個有限的物質體系 ,也有其產生、發展和滅亡的歷史.暴漲模型把傳統的大爆炸宇宙學與大統壹理論結合起來,認為觀測宇宙中的物質與能量形式不是永恒的,應研究它們的起源.它把“無”作為壹種未知的物質和能量形式,把“無”和“有”作為壹對邏輯範疇,探討我們的宇宙如何從“無”——未知的物質和能量形式,轉化為“有”——已知的物質和能量形式,這在認識論和方法論上有壹定意義.
時空起源 有些人認為,時間和空間不是永恒的,而是從沒有時間和沒有空間的狀態產生的.根據現有的物理理論,在小於10-43秒和10-33厘米的範圍內,就沒有壹個“鐘”和壹把“尺子”能加以測量,因此時間和空間概念失效了,是壹個沒有時間和空間的物理世界.這種觀點提出已知的時空形式有其適用的界限是完全正確的.正像歷史上的牛頓時空觀發展到相對論時空觀那樣,今天隨著科學實踐的發展也必然要求建立新的時空觀.由於在大爆炸後10-43秒以內,廣義相對論失效,必須考慮引力的量子效應,因此有些人試圖通過時空的量子化的途徑來探討已知的時空形式的起源.這些工作都是有益的,但我們決不能因為人類時空觀念的發展或者在現有的科學技術水平上無法度量新的時空形式,而否定作為物質存在形式的時間、空間的客觀存在.
人和宇宙 從本世紀60年代開始,由於人擇原理的提出和討論,出現了人類存在和宇宙產生的關系問題.人擇原理認為 ,可能存在許多具有不同物理參數和初始條件的宇宙,但只有物理參數和初始條件取特定值的宇宙才能演化出人類,因此我們只能看到壹種允許人類存在的宇宙.人擇原理用人類的存在去約束過去可能有的初始條件和物理定律,減少它們的任意性,使壹些宇宙學現象得到解釋,這在科學方法論上有壹定的意義.但有人提出,宇宙的產生依賴於作為觀測者的人類的存在.這種觀點值得商榷.現在根據暴漲模型,那些被傳統大爆炸模型作為初始條件的狀態,有可能從極早期宇宙的演化中產生出來,而且宇宙的演化幾乎變得與初始條件的壹些細節無關.這樣就使上述那種利用初始條件的困難來否定宇宙客觀實在性的觀點失去了基礎.但有些人認為,由於暴漲引起的巨大距離尺度,使得從整體上去觀測宇宙的結構成為不可能.這種擔心有其理由,但如果暴漲模型正確的話,隨著科學實踐的發展,壹定有可能突破人類認識上的困難.
宇宙
宇宙,是我們所在的空間,“宇”字的本義就是指“上下四方”.
地球是我們的家園；
而地球僅是太陽系的第三顆行星；
而太陽系又僅僅定居於銀河系巨大旋臂的壹側；
而銀河系,在宇宙所有星系中,也許很不起眼……
這壹切,組成了我們的宇宙：
宇宙,是所有天體***同的家園.
宇宙,又是我們所在的時間,“宙”的本意就是指“古往今來”.
因為,我們的宇宙不是從來就有的,它也有著誕生和成長的過程.現代科學發現,我們的宇宙大概形成於二百億年以前.在壹次無比壯觀的大爆炸中,我們的宇宙誕生了!（這就是著名的“大爆炸”理論.）
宇宙壹經形成,就在不停地運動著.科學家發現,宇宙正在膨脹著,星體之間的距離越來越大.
宇宙沒有開始,沒有結束,沒有邊界,更沒有誕生與毀滅,只有壹個個階段的結束與開始,我們現階段的宇宙大概形成於二百億年以前.在壹次無比壯觀的大爆炸中,這階段的宇宙開始了!最新研究表明,大爆炸孕育於黑洞中,黑洞將所有物質,包括光子在內壓到壹個點,這時連電子,中子,質子等都已不存在(究竟是什麽物質比電子還小呢?當代科技無法解釋,暫稱為誇克),這時發生了比核聚變更高等級的爆炸,這種爆炸的範圍至少波及數十億光年,又壹個新的宇宙紀元就誕生了.