宇宙在物理意义上被定义为所有的空间和时间(统称为时空)及其内涵,包括各种形式的所有能量,比如电磁辐射、普通物质、暗物质、暗能量等,其中普通物质包括行星、卫星、恒星、星系、星系团和星系间物质等。
宇宙还包括影响物质和能量的物理定律,如守恒定律、经典力学、相对论等。
大爆炸理论是关于宇宙演化的现代宇宙学描述。根据这一理论的估计,空间和时间在137。99±0。21亿年前的大爆炸后一同出现,随着宇宙膨胀,最初存在的能量和物质变得不那么密集。
最初的加速膨胀被称为暴胀时期,之后已知的四个基本力分离。宇宙逐渐冷却并继续膨胀,允许第一个亚原子粒子和简单的原子形成。
暗物质逐渐聚集,在引力作用下形成泡沫一样的结构,大尺度纤维状结构和宇宙空洞。巨大的氢氦分子云逐渐被吸引到暗物质最密集的地方,形成了第一批星系、恒星、行星以及所有的一切。
空间本身在不断膨胀,因此当前可以看见距离地球465亿光年的天体,因为这些光在138亿年前产生的时候距离地球比当前更近。
虽然整个宇宙的大小尚不清楚,但可以测量可观测宇宙的大小,估计其直径为930亿光年。在各种多重宇宙论中,一个宇宙是一个尺度更大的多重宇宙的组成部分之一,各个宇宙本身都包括其所有的空间和时间及其物质。
随着巡天观测技术水平的逐步提高,人类不断尝试绘制整个宇宙的全貌。2021年1月14日,国家天文台bj-亚利桑那巡天(bass)团队和暗能量光谱巡天(desi)团队联合发布最新巨幅二维宇宙地图。
中文词源
在中国古代,“宇”和“宙”都不过指的是人们居住房屋上小小的部件,引申为越来越大的“宇宙”概念,宇指代空间,宙指代时间,这是一个漫长而复杂的演变过程。
“宇”字
周代金文的“宇”是一座房屋里面一个“干”字,实际上就是一座房屋的形状和结构。
《说文解字》曰:“宇,屋边也。”《诗经·豳风·七月》:“七月在野,八月在宇,九月在户,十月蟋蟀入我床下。”释文:“屋四垂为宇。”这里的“宇”正像《一切经音义》中说的“宇,屋檐也”一样,指房屋的屋檐、廊檐。《仪礼·士丧礼》“置于宇西阶上”、《资治通鉴》“权起更衣,肃追于宇下”等,也都是这个意思。
随着时间的推移,“宇”这个房屋上的部件,慢慢地就代替了整座房屋。
《诗经·大雅·緜》“聿来胥宇”、《楚辞·招魂》“高堂邃宇”、苏轼《水调歌头》“惟恐琼楼玉宇,高处不胜寒”中的“宇”,就不是屋檐,而是整个房屋。
到了屈原的《离骚》“尔何怀乎故宇”、贾谊的《过秦论》“振长策而御宇内”,此处的“宇”是指国家或天下了。《吕氏春秋·下贤》“神覆宇宙”、《墨子·经上篇》“久,古今旦莫(暮)。宇,东西家南北”里的“宇”,已是一个很大而多变的空间范畴。
“宙”字
甲骨文的“宙”字,是一座房屋里面加一个“由”字,表示房屋靠一根上细下粗的梁顶着。
《说文解字》曰:“宙,舟舆所极覆也。”《淮南子·览冥》:“而燕雀佼之,以为不能与之争于宇宙之间。”高诱注:“宇,屋檐也。宙,栋梁也。”这里的“宙”都是它的本义“栋梁”的意思。
但到了《南齐书》“功烛上宙,德耀中天”、王勃《七夕赋》“霜凝碧宙,水莹丹霄”里的“宙”,就已是指天空了。
整词
“宇宙”一词连用,最早出自《庄子》:“旁日月,挟宇宙,为其吻合。”这时的“宇”代指一切空间,“宙”代指一切时间。这里宇宙的意义已是标准的时空了。
《尸子》:“上下四方曰宇,往古来今曰宙。”《文子·自然》也说:“往古来今谓之宙,四方上下谓之宇。”说明古代诗人和科学家都对宇宙有了新的认识。
如《楚辞·屈原·涉江》“霰雪纷其无垠兮,云霏霏而承宇”,张衡《东京赋》“泽浸昆虫,威振八宇”以及《庄子·庚桑楚》“有实而无乎处者,宇也;有长而无本剽者,宙也”等等,“宇”已不是指某一个具体的方位、处所,而是指所有的空间;这里的“宙”已经表示没有开始没有终末的无限时间,“宇宙”已经无限大。
宇宙的大小有点难以定义。根据广义相对论,由于光速有限和空间不断膨胀,即使在宇宙的生命周期内,遥远的空间区域也可能永远不会与地球附近的空间相互作用。例如,空间的膨胀速度可能快于穿过它的光速,即使宇宙永远存在,从地球发送的无线电信息可能永远不会到达空间的一些区域。
假定遥远的空间区域存在,并且是现实的一部分,但却永远无法与其相互作用。可以影响和被影响的空间区域是可观测的宇宙。可观测宇宙取决于观察者的位置。旅行中的观察者可以接触比静止的观察者更大的时空区域。
然而,即使是最快速的旅行者也无法与所有的空间互动。通常,可观测宇宙是指地球在银河系中的当前位置观测到的宇宙部分。
在当前时间测量的地球到可观测宇宙边缘之间的真实距离为465亿光年(140亿秒差距),即可观测宇宙的直径约为930亿光年(280亿秒差距)。光从可观测宇宙边缘移动到地球距离非常接近宇宙的年龄乘以光速,即138亿光年(42亿秒差距),但这并不代表任何给定时间地球到可观测宇宙边缘之间的距离。
因为宇宙膨胀,可观测宇宙边缘和地球已经比最初相距更远。与可观测宇宙范围相比,一个典型星系的直径为3万光年,两个相邻星系之间的典型距离为300万光年。例如,银河系的直径约为10到18万光年,距离银河系最近的姐妹星系仙女座星系位于大约250万光年之外。
因无法观察可观测宇宙边缘以外的空间,所以不知道宇宙的大小是有限还是无限。估计表明,如果整个宇宙是有限的,必须大于可观测宇宙250倍以上。宇宙的总体大小一些有争议的。宇宙无边界的方案认为,如果宇宙有限,其范围估计值将高达百万秒差距。
一些推测性理论提出,当前宇宙只是一组不连续的宇宙中的一个,统称为多重宇宙,挑战或增强了有限定义的宇宙。