宇宙到底是怎麽形成的

宇宙（Universe）是由空間、時間、物質和能量，所構成的統壹體。是壹切空間和時間的綜合。壹般理解的宇宙指我們所存在的壹個時空連續系統，包括其間的所有物質、能量和事件。宇宙根據大爆炸宇宙模型推算，宇宙年齡大約200億年。 宇（yǔ），宙（zhòu） ， 四方上下曰宇,古往今來曰宙。――《新華字典》 在多元化的漢語中，“宇”代表上下四方，即所有的空間，“宙”代表古往今來，即所有的時間，宇：無限空間，宙：無限時間。所以“宇宙”這個詞有“所有的時間和空間”的意思。 把“宇宙”的概念與時間和空間聯系在壹起，體現了我國古代人民的智慧。 “宇宙”壹詞，最早出自《莊子》這本書，“宇”指的是壹切的空間，包括東，南，西，北等壹切地點，是無邊無際的；“宙”指的是壹切的時間，包括過去，現在，白天，黑夜等，是無始無終的。 "宇"指空間,"宙"指時間.宇宙就是在空間上無邊無際,時間上無始無終的,按客觀規律運動的物質世界. 宇宙是萬物的總稱，是時間和空間的統壹。宇宙是物質世界，不依賴於人的意誌而客觀存在，並處於不斷運動和發展中。宇宙是多樣又統壹的。它包括壹切，是所有時間和空間的統壹體，沒有時間和空間就沒有壹切。所以它包含了全部。 宇宙的形狀： 宇宙的形狀現在還是未知的,但可大膽想象.有的人說宇宙其實是壹個類似人的這樣壹種生物的壹個小細胞,而也有人說宇宙是壹種擁有比人類更高智慧生物所制造出來的電腦的壹個程序或是壹個小小的原件,或者宇宙是無形的,它時刻都在變化著... 總之宇宙的形狀是人類壹個未解的壹個心鎖。科學家推算宇宙大約有150億到180億光年。（1光年=10萬億千米） 宇宙年齡 宇宙年齡定義：宇宙年齡（age of universe）宇宙從某個特定時刻到現在的時間間隔。對於某些宇宙模型，如牛頓宇宙模型、等級模型、穩恒態模型等，宇宙年齡沒有意義。在通常的演化的宇宙模型裏，宇宙年齡指宇宙標度因子為零起到現在時刻的時間間隔。通常，哈勃年齡是宇宙年齡的上限，可以作為宇宙年齡的某種度量。 年齡推算 宇宙年齡為壹百二十五億年 科學家利用望遠鏡觀察最老的星球上的鈾光譜，從而估計宇宙的年齡是壹百二十五億年。科學家對宇宙(Universe)的年齡有不同的估計，根據不同的宇宙學模型(cosmologicalmodels)，科學家估計宇宙的年齡是介乎壹百億至壹百六十億之間；2001年科學家利用南歐洲天文臺(EuropeanSouthernObservatory)的望遠鏡，觀察壹顆稱CS31082-001的星球，量度星球上放射性(radioactive)同位素(isotope)鈾-238(Uranium-238)的光譜(spectrum)，從而計算出這星球的年齡是壹百二十五億年，這個估計的誤差大約三十億年，是亦即是說，宇宙的年齡至少有壹百二十五億年，這是科學家第壹次量度太陽系(SolarSystem)以外鈾含量的研究。 科學家解釋說，這個方法和在考古學(archaeology)上使用碳-14(Carbon-14)同位素量度物質的年齡壹樣，鈾-238同位素的半衰期(half-life)是四十四億五千萬年；半衰期是放射性元素(element)自動蛻變成為其他元素，至它本身剩下壹半時所需要的時間。 科學家指出，在宇宙開始時，大爆炸(BigBang)會產生氫(hydrogen)、氦(helium)和鋰(lithium)等元素，而比較重的元素是在星球內部產生，當大質量星球死亡時，含有重元素的物質會散布到周圍的空間，然後和下壹代個的星球結合；其實，地球上黃金(gold)也是從爆炸了的星球而來的。 因此，愈老的星球上的重元素，也會愈少，科學家認為，壹些比較老的星球的重元素含量，只有太陽(Sun)的二百分之壹。科學家曾經嘗試利用釷-232(Thorium-232)同位素來估計宇宙的年齡，釷是壹種放射性金屬元素，與中子(neutron)接觸時會引起核分裂，產生原子能源(atomicenergy)，不過，釷的半衰期是壹百四十億五百萬年，半衰期比較鈾-238長，因此，估計的誤差也比較大。 宇宙的起源 所謂大爆炸理論，簡單地說就是宇宙開始的時候是由壹個火球爆炸而形成的。近代科學研究發現宇宙不是永恒的，而是在不斷的膨脹中。宇宙的不平衡現象最早是由壹位德國的醫生發現的。他在夜空觀查星星時發現，每個星球間的距離並沒有因為萬有引力的關系而彼此靠近。那麽，在星球之間必定存在另壹種力量抵消了它們彼此之間的萬有引力。他就把這現象假設為宇宙在不斷地膨脹。 後來科學家們又發現了紅移現象，就是遠距離星球射向地球的光以紅光為多，近距離的則以紫光為主。這說明了星球在遠離地球。接著愛因斯坦提出了廣義相對論，他提出加速度不等於零的理論，其中即包含了宇宙膨脹的學說。1931年，美國天文學家以先進的天文望遠鏡發現，在銀河系外仍有很多銀河系，並且在不斷地膨脹，這才使得宇宙膨脹的理論得到證實。 到了40年代，科學家們預測宇宙是由大爆炸產生的，那麽它爆炸之後必定會有殘餘物質留在太空之中。這遺留的物質就是電子波［輻射波］，其所代表的溫度約為零下273度。這假設在當時並沒被證實。在60年代時，貝爾實驗室的科學家為電訊研究架起天線時發現壹直聽到噪音，而這噪音所代表的溫度為零下260度左右。在此同時普林斯頓大學的物理學家們也在憑理論找尋大爆炸後的餘波，後來這兩組工作研究聯合表示，這天線所收到的噪音即為大爆炸後的餘波，其溫度約為零下270度，這壹發表證實了大爆炸的理論。 宇宙大爆炸 宇宙大爆炸(Big Bang)僅僅是壹種學說，是根據天文觀測研究後得到的壹種設想。 大約在150億年前，宇宙所有的物質都高度密集在壹點，有著極高的溫度，因而發生了巨大的爆炸。大爆炸以後，物質開始向外大膨脹，就形成了今天我們看到的宇宙。大爆炸的整個過程是復雜的，現在只能從理論研究的基礎上，描繪過去遠古的宇宙發展史。在這150億年中先後誕生了星系團、星系、我們的銀河系、恒星、太陽系、行星、衛星等。現在我們看見的和看不見的壹切天體和宇宙物質，形成了當今的宇宙形態，人類就是在這壹宇宙演變中誕生的。 宇宙的不斷膨脹 科學家認為它起源為137億年前之間的壹次難以置信的大爆炸。這是壹次不可想像的能量大爆炸，宇宙邊緣的光到達地球要花120億年到150億年的時間。大爆炸散發的物質在太空中漂遊，由許多恒星組成的巨大的星系就是由這些物質構成的，我們的太陽就是這無數恒星中的壹顆。原本人們想象宇宙會因引力而不再膨脹，但是，科學家已發現宇宙中有壹種 “暗能量”會產生壹種斥力而加速宇宙的膨脹。 大爆炸後的膨脹過程是壹種引力和斥力之爭，爆炸產生的動力是壹種斥力，它使宇宙中的天體不斷遠離；天體間又存在萬有引力，它會阻止天體遠離，甚至力圖使其互相靠近。引力的大小與天體的質量有關，因而大爆炸後宇宙的最終歸宿是不斷膨脹，還是最終會停止膨脹並反過來收縮變小，這完全取決於宇宙中物質密度的大小。 理論上存在某種臨界密度。如果宇宙中物質的平均密度小於臨界密度，宇宙就會壹直膨脹下去，稱為開宇宙；要是物質的平均密度大於臨界密度，膨脹過程遲早會停下來，並隨之出現收縮，稱為閉宇宙。 問題似乎變得很簡單，但實則不然。理論計算得出的臨界密度為5×10^-30克/厘米3。但要測定宇宙中物質平均密度就不那麽容易了。星系間存在廣袤的星系間空間，如果把目前所觀測到的全部發光物質的質量平攤到整個宇宙空間，那麽，平均密度就只有2×10^-31克/厘米3，遠遠低於上述臨界密度。 然而，種種證據表明，宇宙中還存在著尚未觀測到的所謂的暗物質，其數量可能遠超過可見物質，這給平均密度的測定帶來了很大的不確定因素。因此，宇宙的平均密度是否真的小於臨界密度仍是壹個有爭議的問題。不過，就目前來看，開宇宙的可能性大壹些。 恒星演化到晚期，會把壹部分物質（氣體）拋入星際空間，而這些氣體又可用來形成下壹代恒星。這壹過程會使氣體越耗越少，以致最後再沒有新的恒星可以形成。10^14年後，所有恒星都會失去光輝，宇宙也就變暗。同時，恒星還會因相互作用不斷從星系逸出，星系則因損失能量而收縮，結果使中心部分生成黑洞，並通過吞食經過其附近的恒星而長大。 10^17～10^18年後，對於壹個星系來說只剩下黑洞和壹些零星分布的死亡了的恒星，這時，組成恒星的質子不再穩定。10^32年後，質子開始衰變為光子和各種輕子。10^71年後，這個衰變過程進行完畢，宇宙中只剩下光子、輕子和壹些巨大的黑洞。 10^108年後，通過蒸發作用，有能量的粒子會從巨大的黑洞中逃逸出。宇宙將歸於壹片黑暗。這也許就是開宇宙“末日”到來時的景象，但它仍然在不斷地、緩慢地膨脹著。 閉宇宙的結局又會怎樣呢？閉宇宙中，膨脹過程結束時間的早晚取決於宇宙平均密度的大小。如果假設平均密度是臨界密度的2倍，那麽根據壹種簡單的理論模型，經過400～500億年後，當宇宙半徑擴大到目前的2倍左右時，引力開始占上風，膨脹即告停止，而接下來宇宙便開始收縮。 以後的情況差不多就像壹部宇宙影片放映結束後再倒放壹樣，大爆炸後宇宙中所發生的壹切重大變化將會反演。收縮幾百億年後，宇宙的平均密度又大致回到目前的狀態，不過，原來星系遠離地球的退行運動將代之以向地球接近的運動。再過幾十億年，宇宙背景輻射會上升到400開，並繼續上升，於是，宇宙變得非常熾熱而又稠密，收縮也越來越快。 在坍縮過程中，星系會彼此並合，恒星間碰撞頻繁。 近幾年來，壹批西方的天文學家發表了關於“宇宙無始無終”的新論斷。他們認為，宇宙既沒有“誕生”之日，也沒有終結之時，而就是在壹次又壹次的大爆炸中進行運動，循環往復，以至無窮的。 至於“宇宙無始無終”的新論是否正確，科學家認為，過幾年國際天文學界可望對此做出驗證。 宇宙的創生 1.有些宇宙學家認為，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。 2. 宇宙是如何起源的？空間和時間的本質是什麽？這是從2000多年前的古代哲學家到現代天文學家壹直都在苦苦思索的問題。經過了哥白尼、赫歇爾、哈勃的從太陽系、銀河系、河外星系的探索宇宙三部曲，宇宙學已經不再是幽深玄奧的抽象哲學思辯，而是建立在天文觀測和物理實驗基礎上的壹門現代科學。 目前學術界影響較大的“大爆炸宇宙論”是1927年由比利時數學家勒梅特提出的，他認為最初宇宙的物質集中在壹個超原子的“宇宙蛋”裏，在壹次無與倫比的大爆炸中分裂成無數碎片，形成了今天的宇宙。1948年，俄裔美籍物理學家伽莫夫等人，又詳細勾畫出宇宙由壹個致密熾熱的奇點於150億年前壹次大爆炸後，經壹系列元素演化到最後形成星球、星系的整個膨脹演化過程的圖像。但是該理論存在許多使人迷惑之處。 宏觀宇宙是相對無限延伸的。“大爆炸宇宙論”關於宇宙當初僅僅是壹個點，而它周圍卻是壹片空白，即將人類至今還不能確定範圍也無法計算質量的宇宙壓縮在壹個極小空間內的假設只是壹種臆測。況且從能量與質量的正比關系考慮，壹個小點無緣無故地突然爆炸成浩瀚宇宙的能量從何而來呢？ 人類把地球繞太陽轉壹圈確定為衡量時間的標準——年。但宇宙中所有天體的運動速度都是不同的，在宇宙範圍，時間沒有衡量標準。譬如地球上東西南北的方向概念在宇宙範圍就沒有任何意義。既然年的概念對宇宙而言並不存在，大爆炸宇宙論又如何用年的概念去推算宇宙的確切年齡呢？ 1929年，美國天文學家哈勃提出了星系的紅移量與星系間的距離成正比的哈勃定律，並推導出星系都在互相遠離的宇宙膨脹說。哈勃定律只是說明了距離地球越遠的星系運動速度越快--星系紅移量與星系距離呈正比關系。但他沒能發現很重要的另壹點--星系紅移量與星系質量也呈正比關系。 宇宙中星系間距離非常非常遙遠，光線傳播因空間物質的吸收、阻擋會逐漸減弱，那些運動速度越快的星系就是質量越大的星系。質量大，能量輻射就強，因此我們觀察到的紅移量極大的星系，當然是質量極大的星系。這就是被稱作“類星體”的遙遠星系因質量巨大而紅移量巨大的原因。另外那些質量小、能量輻射弱的星系（除極少數距銀河系很近的星系，如大、小麥哲倫星系外）則很難觀察到，於是我們現在看到的星系大多呈紅移。而銀河系內的恒星由於距地球近，大小恒星都能看到，所以恒星的紅移紫移數量大致相等。 導致星系紅移多紫移少的另壹原因是：宇宙中的物質結構都是在壹定範圍內圍繞壹個中心按圓形軌跡運動的，不是像大爆炸宇宙論描述的從壹個中心向四周作放射狀的直線運動。因此，從地球看到的紫移星系範圍很窄，數量極少，只能是與銀河系同壹方向運動的，前方比銀河系小的星系；後方比銀河系大的星系。只有將來研制出更高分辨程度的天文觀測儀器才能看到更多的紫移星系。 宇宙中的物質分布出現不平衡時，局部物質結構會不斷發生膨脹和收縮變化，但宇宙整體結構相對平衡的狀態不會改變。僅憑從地球角度觀測到的部分（不是全部）可見星系與地球之間距離的遠近變化，不能說明宇宙整體是在膨脹或收縮。就像地球上的海洋受引力作用不斷此漲彼消的潮汐現象並不說明海水總量是在增加或減少壹樣。 1994年，美國卡內基研究所的弗裏德曼等人，用估計宇宙膨脹速率的辦法計算宇宙年齡時，得出壹個80～120億年的年齡計算值。然而根據對恒星光譜的分析，宇宙中最古老的恒星年齡為140～160億年。恒星的年齡倒比宇宙的年齡大。 1964年，美國工程師彭齊亞斯和威爾遜探測到的微波背景輻射，是因為布滿宇宙空間的各種物質相互之間能量傳遞產生的效果。宇宙中的物質輻射是時刻存在的，3K或5K的溫度值也只是人類根據自己判斷設計的壹種衡量標準。這種能量輻射現象只能說明宇宙中的物質由於引力作用，在大尺度空間整體分布的相對均勻性和星際空間裏確實存在大量我們目前還觀測不到的“暗物質”。 至於大爆炸宇宙論中的氦豐度問題，氦元素原本就是宇宙中存在的僅次於氫元素的數量極豐富的原子結構，它在空間的百分比含量和其它元素的百分比含量同樣都屬於物質結構分布規律中很平常的物理現象。在宇宙大尺度範圍中，不僅氦元素的豐度相似，其余的氫、氧……元素的豐度也都是相似的。而且，各種元素是隨不同的溫度、環境而不斷互相變換的，並不是始終保持壹副面孔，所以微波背景輻射和氦豐度與宇宙的起源之間看不出有任何必然的聯系。 大爆炸宇宙論面臨的難題還有，如果宇宙無限膨脹下去，最後的結局如何呢？德國物理學家克勞修斯指出，能量從非均勻分布到均勻分布的那種變化過程，適用於宇宙間的壹切能量形式和壹切事件，在任何給定物體中有壹個基於其總能量與溫度之比的物理量，他把這個物理量取名為“熵”，孤立系統中的“熵”永遠趨於增大。但在宇宙中總會有高“熵”和低“熵”的區域，不可能出現絕對均勻的狀態。所以，那種認為由於“熵”水平的不斷升高而達到最大值時，宇宙就會進入壹片死寂的永恒狀態，最終“熱寂”而亡的結局，是把我們現在可觀測到的壹部分宇宙範圍當作整個宇宙的誤識。 根據天文觀測資料和物理理論描述宇宙的具體形態，星系的形態特征對研究宇宙結構至關重要，從星系的運動規律可以推斷整個宇宙的結構形態。而星系***有的圓形旋渦結構就是整個宇宙的縮影，那些橢圓、棒旋等不同的星系形態只是因為星系年齡和觀測角度不同而產生的視覺效果。 奇妙的螺旋形是自然界中最普遍、最基本的物質運動形式。這種螺旋現象對於認識宇宙形態有著重要的啟迪作用，大至旋渦星系，小至DNA分子，都是在這種螺旋線中產生。大自然並不認可筆直的形式，自然界所有物質的基本結構都是曲線運動方式的圓環形狀。從原子、分子到星球、星系直到星系團、超星系團無壹例外，毋庸置疑，浩瀚的宇宙就是壹個大旋渦。因此，確立壹個“螺旋運動形態宇宙模型”，比那種作為所有物質總和的“宇宙”卻脫離曲線運動模式而獨辟蹊徑，以直線運動方式從壹個中心向四面八方無限伸展的“大爆炸宇宙模型”，更能體現真實的宇宙結構形態。 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20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。