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宇宙
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1.所有物质,空间和时间的综合编辑本义项
宇宙
科技名词定义
中文名称：宇宙英文名称：universe;cosmos应用学科：天文学（一级学科）；星系和宇宙（二级学科）
以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布
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宇宙
宇宙（Universe）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.宇宙根据大爆炸宇宙模型推算,宇宙年龄大约200亿年.
目录
历史资料
相关猜想
宇宙年龄
结构观念
演化观念
宇宙模型
起源与结局
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历史资料
相关猜想
宇宙年龄
结构观念
演化观念
宇宙模型
起源与结局
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历史资料
《文子·自然》：“
已知的宇宙往古来今谓之宙,四方上下谓之宇.” 《尸子》：“上下四方曰宇,往古来今曰宙.” 在这种观念之下,“宇”代表上下四方,即所有的空间,“宙”代表古往今来,即所有的时间,“宇”：无限空间,“宙”：无限时间.所以“宇宙”这个词有“所有的时间和空间”的意思. 把“宇宙”的概念与时间和空间联系在一起,体现了我国古代人民的独特智慧.
“宇宙”两字连用,最早出自《庄子》这本书,同时,《庄子》一书还给出了一种更抽象的宇宙定义,他说：“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.”现代学者张京华将其译为：“有实体存在但并不固定静止在某一位置不变叫做宇；有外在属性但并没有固定的度量可以衡量叫做宙.”此种宇宙定义与时空无关,与现代宇宙观有相似之处.但长期未被人们接受.[1]
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相关猜想
宇宙形状还是未知的,人类在大胆想象.有的人说宇宙其实是一个类似人的这样一种生物的一个小细胞,而也有人说宇宙是一种拥有比人类更高智慧的电脑生物所制造出来的一个程序或是一个小小的原件.还有人猜想,宇宙其实就是一个电子,宇宙是一个比电子更小得多的东西,宇宙根本就不存在,或者宇宙是无形的.也有人猜想,我们的宇宙生活在一个大的空间里,叫做“超空间”.在超空间里,有很多宇宙,而超空间的能量是守恒的,而且非常巨大.每当一个宇宙的能量上升时,他邻近的宇宙的能量就会下降.
宇宙大爆炸(5张)每一个宇宙的每个地方,能量都不一样,有正能量,也有暗能量,也有没有能量的地方.
目前比较流行的是大爆炸理论.根据大爆炸理论,宇宙的发展史可表示为一个右端开放的封闭曲面体,如右图.左端中心为爆炸奇点,向右延伸137亿光年.从左往右依次为：奇点、40万年的初期膨胀、近4亿年的黑暗期、出现恒星、星系和行星发展期、含有暗物质与暗能量的加速膨胀期.[2]
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宇宙年龄
定义
绚烂的宇宙(40张)对于某些宇宙模型,如牛顿宇宙模型、等级模型、稳恒态模型等,宇宙年龄没有意义.通常,哈勃年龄为宇宙年龄的上限,可以作为宇宙年龄的某种度量.[2]
推算
宇宙年龄约为137.5亿年.
使用整个星系作为透镜观看其他星系,目前研究人员最新使用一种精确方法测量了宇宙的体积大小和年龄,以及它如何快速膨胀.这项测量证实了“哈勃常数”的实用性,它指示出了宇宙的体积大小,证实宇宙的年龄约为137.5亿年.
宇宙最大结构-史隆长城(33张)研究小组使用一种叫做引力透镜的技术测量了从明亮活动星系释放的光线沿着不同路径传播至地球的距离,通过理解每个路径的传播时间和有效速度,研究人员推断出星系的距离,同时可分析出它们膨胀扩张至宇宙范围的详细情况.
科学家经常很难识别宇宙中遥远星系释放的明亮光源和近距离昏暗光源之间的差异,引力透镜回避了这一问题,能够提供远方光线传播的多样化线索.这些测量信息使研究人员可以测定宇宙的体积大小,并且天体物理学家可以用哈勃常数进行表达.
KIPAC研究员菲尔－马歇尔(Phil Marshall)说：“长期以来我们知道透镜能够对哈勃常数进行物理性测量.”而当前引力透镜实现了非常精确的测量结果,它可以作为一种长期确定的工具提供哈勃常数均等化精确测量,比如：观测超新星和宇宙微波背景.他指出,引力透镜可作为天体物理学家的一种最佳测量工具测定宇宙的年龄.[2]
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结构观念
众多的观点
远古时代,人们对宇宙结构的认识处于十分幼稚的状态,他们通常按照自己的生活环境对宇宙的构造做
璀璨的宇宙星空出推测.在中国西周时期,生活在华夏大地上的人们提出的早期盖天说认为,天穹像一口锅,倒扣在平坦的大地上；后来又发展为后期盖天说,认为大地的形状也是拱形的.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.古印度人想象圆盘形的大地负在几只大象上,而象则站在巨大的龟背上,公元前7世纪末,古希腊的泰勒斯认为,大地是浮在水面上的巨大圆盘,上面笼罩着拱形的天穹. 也有一些人认为,地球只是一只龟上的一片甲板,而龟则是站在一个托着一个又一个的龟塔...[2]
地球原来是球形
最早认识到大地是球形的是古希腊人.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,主张天体和我们所居住的大地都是球形的.这一观念为后来许多古希腊学者所继承,但直到1519～1522年,葡萄牙的F.麦哲伦率领探险队完成了第一次环球航行后 ,地球是球形的观念才最终被证实.[2]
地心说、日心说和万有引力定律
公元2世纪,C.托勒密提出了一个完整的地心说.这一学说认为地球在宇宙的中央安然不动,月亮、太阳和诸行星以及最外层的恒星天都在以不同速度绕着地球旋转.为了说明行星运动的不均匀性,他还认为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.地心说曾在欧洲流传了1000多年.1543年,N.哥白尼提出科学的日心说,认为太阳位于宇宙中心,而地球则是一颗沿圆轨道绕太阳公转地普通行星.到16世纪哥白尼建立日心说后才普遍认识到：地球是绕太阳公转的行星之一,而包括地球在内的八大行星则构成了一个围绕太阳旋转的行星系── 太阳系的主要成员.1609年,J.开普勒揭示了地球和诸行星都在椭圆轨道上绕太阳公转,发展了哥白尼的日心说,同年,伽利略·伽利雷则率先用望远镜观测天空,用大量观测事实证实了日心说的正确性.1687年,I.牛顿提出了万有引力定律,深刻揭示了行星绕太
自然颜色下的土星
阳运动的力学原因,使日心说有了牢固的力学基础.在这以后,人们逐渐建立起了科学的太阳系概念.[2]
宇宙里不光只有银河系
在哥白尼的宇宙图像中,恒星只是位于最外层恒星天上的光点.1584年,乔尔丹诺·布鲁诺大胆取消了这层恒星天,认为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,从而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和旋臂,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.
太阳
18世纪中叶,康德等人还提出,在整个宇宙中,存在着无数像我们的天体系统(指银河系)那样的天体系统.而当时看去呈云雾状的“星云”很可能正是这样的天体系统.此后经历了长达170年的曲折的探索历程,直到1924年,才由E.P.哈勃用造父视差法测仙女座大星云等的距离确认了河外星系的存在.[2]
河外星系离我们越来越远
近半个世纪,人们通过对河外星系的研究,不仅已发现了星系团、超星系团等更高层次的天体系统,而且已使我们的视野扩展到远达大约140亿光年的宇宙深处.[2]
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演化观念
宇宙
在中国,早在西汉时期,《淮南子·俶真训》指出：“有始者,有未始有有始者,有未始有夫未始有有始者”,认为世界有它的开辟之时,有它的开辟以前的时期,也有它的开辟以前的以前的时期.《淮南子·天文训》中还具体勾画了世界从无形的物质状态到浑沌状态再到天地万物生成演变的过程.在古希腊,也存在着类似的见解.例如留基伯就提出,由于原子在空虚的空间中作旋涡运动,结果轻的物质逃逸到外部的虚空,而其余的物质则构成了球形的天体,从而形成了我们的世界.
太阳系概念确立以后,人们开始从科学的角度来探讨太阳系的起源.1644年,R.笛卡尔提出了太阳系起源的旋涡说；1745年,G.L.L.布丰提出了一个因大彗星与太阳掠碰导致形成行星系统的太阳系起源说；1755年和1796年,康德和拉普拉斯则各自提出了太阳系起源的星云说.现代探讨太阳系起源z的新星云说正是在康德-拉普拉斯星云说的基础上发展起来.[2]
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宇宙模型
1911年,E.赫茨普龙建立了第一幅银河星团的颜色星等图；1913年,伯特兰·阿瑟·威廉·罗素则绘出了恒星的光谱-光度图,即赫罗图.罗素在获得此图后便提出了一个恒星从红巨星开始,先收缩进入主序,后沿主序下滑,最终成为红矮星的恒星演化学说.1924年 ,亚瑟·斯坦利·爱丁顿提出了恒星的质光关系；1937～1939年,C.F.魏茨泽克和贝特揭示了恒星的能源来自于氢聚变为氦的原子核反应.这两个发现导致了罗素理论被否定,并导致了科学的恒星演化理论的诞生.对于星系起源的研究,起步较迟,它是我们的宇宙开始形成的后期由原星系演化而来的. 1917年,A.阿尔伯特·爱因斯坦运用他刚创立的广义相对论建立了一个“静态、有限、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,根据阿尔伯特·爱因斯坦的场方程,宇宙不一定是静态的,它可以是膨胀的,也可以是振荡的.前者对应于开放的宇宙,后者对应于闭合的宇宙.1927年,G.勒梅特也提出了一个膨胀宇宙模型.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.从此,许多人把大爆炸宇宙模型看成标准宇宙模型.1980年,美国的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.[2]
银河系
宇宙图景
当代天文学的研究成果表明,宇宙是有层次结构的、像布一样的、不断膨胀、物质形态多样的、不断运动发展的天体系统.
层次结构 行星是最基本的天体系统.太阳系中共有八颗行星：水星金星地球火星木星土星天王星海王星.除水星和金星外,其他行
蜘蛛星云
星都有卫星绕其运转,地球有一个卫星 月球,土星的卫星最多,已确认的有28颗.行星小行星彗星和流星体都围绕中心天体太阳运转,构成太阳系.太阳占太阳系总质量的99.86%,其直径约140万千米,最大的行星木星的直径约14万千米.太阳系的大小约120亿千米（以冥王星作边界）.有证据表明,太阳系外也存在其他行星系统.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.银河系中大部分恒星和星际物质集中在一个扁球状的空间内,从侧面看很像一个“铁饼”,正面看去则呈旋涡状.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3万光年.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.现已观测到大约有10亿个.星系也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更大、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.[2]
麦哲伦星云&
宇宙历史
据媒体报道,美国有线新闻网（CNN）科学空间频道在2012年度评选出最壮观的行星、卫星、星系以及星云照片,这些都是令人惊叹的宇宙空间照片,其中包括猎户座星云、土星的神秘而漂亮的环结构,还有地球北极地区美丽的极光或者火星上的沙尘暴天气等.图中显示的猎户座星云图像,由阿塔卡玛探索者实验望远镜在亚毫米波长上所拍摄,显示了这片恒星形成区中正在形成新的恒星.
CNN评出最令人惊叹的18张宇宙图片(18张)[3]
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起源与结局
宇宙的不断膨胀
宇宙大爆炸图册(6张)一般认为,宇宙产生于140亿年前一次大爆炸中.大爆炸后30亿年,最初的物质涟漪出现.大爆炸后20亿～30亿年,类星体逐渐形成.大爆炸后90亿年,太阳诞生.38亿年前地球上的生命开始逐渐演化.
大爆炸散发的物质在太空中漂游,由许多恒星组成的巨大的星系就是由这些物质构成的,我们的太阳就是这无数恒星中的一颗.原本人们想象宇宙会因引力而不再膨胀,但是,科学家已发现宇宙中有一种 “暗能量”会产生一种斥力而加速宇宙的膨胀.
大爆炸后的膨胀过程是一种引力和斥力之争,爆炸产生的动力是一种斥力,它使宇宙中的天体不断远离；天体间又存在万有引力,它会阻止天体远离,甚至力图使其互相靠近.引力的大小与天体的质量有关,因而大爆炸后宇宙的最终归宿是不断膨胀,还是最终会停止膨胀并反过来收缩变小,这完全取决于宇宙中物质密度的大小.
宇宙内围为引力,宇宙外围为斥力
理论上存在某种临界密度.如果宇宙中物质的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”；要是物质的平均密度大于临界密度,膨胀过程迟早会停下来,并随之出现收缩,称为“闭宇宙”.
问题似乎变得很简单,但实则不然.理论计算得出的临界密度为5×8^-30克/厘米3.但要测定宇宙中物质平均密度就不那么容易了.星系间存在广袤的星系间空间,平均密度就只有2×10^-31克/厘米3,远远低于上述临界密度.
然而,种种证据表明,宇宙中还存在着尚未观测到的所谓的暗物质,其数量可能远超过可见物质,这给平均密度的测定带来了很大的不确定因素.因此,宇宙的平均密度是否真的小于临界密度仍是一个有争议的问题.不过,就目前来看,开宇宙的可能性大一些,因为宇宙中还有更多的暗能量.
恒星演化到晚期,会把一部分物质（气体）抛入星际
NGC 5139 半人马座Ω
空间,而这些气体又可用来形成下一代恒星.这一过程中气体可能越来越少（并未确定这种过程会减少这种气体.）.以致于不能再产生新的恒星.10^14年后,所有恒星都会失去光辉,宇宙也就变暗.同时,恒星还会因相互作用不断从星系逸出,星系则因损失能量而收缩,结果使中心部分生成黑洞,并通过吞食经过其附近的恒星而长大.（根据质能守恒定律,形成恒星的气体并不会减少而是转换成其他形态.所以新的恒星可能会一直产生.)
10^17～10^18年后,对于一个星系来说只剩下黑洞和一些零星分布的死亡了的恒星,这时,组成恒星的质子不再稳定.10^32年后,质子开始衰变为光子和各种轻子.10^71年后,这个衰变过程进行完毕,宇宙中只剩下光子、轻子和一些巨大的黑洞.
10^108年后,通过蒸发作用,有能量的粒子会从巨大的黑洞中逃逸出.宇宙归于一片黑暗.这也许就是开宇宙“末日”到来时的景象,但它仍然在不断地、缓慢地膨胀着.（但质子是否会衰变还未得到结论,因此根据质能守恒定律.宇宙中的质能会不停的转换.）
闭宇宙的结局又会怎样呢?闭宇宙中,膨胀过程结束时间的早晚取决于宇宙平均密度的大小.如果假设平均密度是临界密度的2倍,那么根据一种简单的理论模型,经过400～500亿年后,引力开始占上风,膨胀即告停止,而接下来宇宙便开始收缩.
以后的情况差不多就像一部宇宙影片放映结束后再倒放一样,大爆炸后宇宙中所发生的一切重大变化将会反演.收缩几百亿年后,原来星系远离地球的退行运动将代之以向地球接近的运动.再过几十亿年,宇宙背景辐射会上升到400开,并继续上升,于是,宇宙变得非常炽热而又稠密. 在坍缩过程中,星系会彼此并合,恒星间碰撞频繁.
这些结局只考虑到引力作用.实际上可能有更多其他的复杂因素.
2002年,据中国网[4]报导,美国普林斯顿大学的保罗·斯坦哈特教授与英国剑桥大学的尼尔·图罗克教授,发表了关于“宇宙无始无终”的新论断.他们认为,宇宙既没有“诞生”之日,也没有终结之时,而就是在一次又一次的大爆炸中进行运动,循环往复,以至无穷的. 至于“宇宙无始无终”的新论是否正确,报导中认为,过几年国际天文学界可望对此做出验证.但直到2013年,循环宇宙的观点仍存在争议.[5]