宇宙

宇宙（universe，universum）包括所有的空间、时间及其内容。它包括所有存在的事物、所有基本相互作用、物理变化和物理常数，因此也包括所有形式的物质和能量及其所形成的结构，其范围小到次原子粒子，大到整个星系丝状结构。根据当前主流的宇宙学理论——大爆炸理论，空间和时间在大约137.87亿年前共同诞生，从那时起，宇宙就开始不断膨胀。今天，宇宙已经膨胀到只有部分范围可被人类观测，即所谓的可观测宇宙，其直径大约为930亿光年，而整个宇宙的空间大小（如果有的话）仍然未知。

最早的一些宇宙学模型由古希腊和印度的哲学家提出，这些模型属于地心说，也就是认为地球位于宇宙的中心。随着几个世纪以来天文观测的进步，尼古拉·哥白尼提出了以太阳为太阳系中心的日心模型。艾萨克·牛顿在发展万有引力定律时，借鉴了哥白尼的工作、约翰内斯·开普勒的行星运动定律以及第谷·布拉赫的观测成果。随着观测技术的进一步发展，人们逐渐认识到，太阳是银河系中数千亿颗恒星之一，而银河系又是可观测宇宙中数千亿个星系之一。许多星系中的恒星拥有行星。在最大尺度上，星系在各个方向上均匀分布，这意味着宇宙既没有边缘也没有中心。在较小尺度上，星系以星系团和超星系团的形式分布，这些结构在空间中形成巨大的丝状结构和空洞，构成了类似泡沫的巨大结构。20世纪初的发现表明，宇宙有一个开端，并且自那时以来一直在膨胀。根据大爆炸理论，随着宇宙的膨胀，最初的能量和物质变得越来越稀疏。在大约10−32秒时发生了一次称为暴胀时期的初始加速膨胀，随后四种已知的基本力分离开来，宇宙逐渐冷却并继续膨胀，使得最早的次原子粒子和简单原子得以形成。巨大的氢云和氦云逐渐被吸引到物质最密集的地方，形成了第一批星系、恒星以及今天所见到的一切。

透过研究引力对物质和光的影响，人们发现宇宙中包含的物质远远超过可见物体（如恒星、星系、星云和星际气体）所能解释的数量。这种看不见的物质被称为暗物质（“暗”意指有大量强有力的间接证据证明其存在，但尚未能直接探测到它），它与宇宙的其他部分一同诞生，并逐渐聚集成丝状结构和空洞的泡沫状结构，从而促成其他形式的物质聚集成可见的结构。ΛCDM模型是当前最广泛接受的宇宙模型。该模型表明，宇宙中大约69.2%的质量和能量是暗能量，这种能量导致了宇宙膨胀的加速，而大约25.8%是暗物质。因此，普通（“重子”）物质仅占宇宙的4.84%。其中，恒星、行星和可见的气体云仅占普通物质的约6%。

关于宇宙的终极命运，以及在大爆炸之前是否存在什么，有许多竞争性的假说。与此同时，其他物理学家和哲学家则拒绝进行推测，因为他们怀疑是否有可能获得关于先前状态的资讯。一些物理学家提出了各种多元宇宙假说，认为我们的宇宙可能只是众多宇宙中的一个。

## 定义

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物理学的宇宙被定义为所有的时间与空间（两者共同称为时空）；这包含了电磁辐射及物质等所有能量的各种形态，进而组成行星、卫星、恒星、星系及星系际空间。宇宙也包含了影响能量与物质的物理定律，包含守恒定律、古典力学及相对论。

宇宙通常被定义为“存在的总和”，或是过去、现在及未来所有存在的万物。事实上，部分哲学家及科学家认为宇宙的定义包含了数学、逻辑等等思想及抽象的概念。“宇宙”这个词也可以指“世界”、“自然”等概念。

## 词源

### 中文

“宇”，“宙”分别指屋檐和船檐。今义可追溯自战国时期尸佼的著作《尸子》〈卷下〉篇：“上下四方曰宇，往古来今曰宙”，将“宇”指代空间的四方，“宙”则指代时间的延续。首次宇宙连用则出现于《庄子》〈齐物论〉：“旁日月，挟宇宙”，此处的“宇宙”意味着天地万物以及时空的广大。另有太空一词，通常指“我们”以外的空间。“太”即“大”。

### 欧洲语言

宇宙的英语“universe”起源于古法语的“univers”，而该词又源自于拉丁语的“universum”，为全部，大全的意思，大学（university）也有相同词根。

西塞罗与后来的拉丁语作者曾使用过“universum”这个词汇，与现代英语所使用的“universe”意义相同。

毕达哥拉斯以降的古希腊哲学家，将宇宙称做“τὸ πᾶν”（即Pan-，泛，一切），定义为一切的物质与空间，而“τὸ ὅλον”（一切事物）则不包含空无状态。另外一个同义词则是“ὁ κόσμος”（英语：cosmos，意义为世界、宇宙），宇宙学使用此词根。拉丁语学者也常使用“totum”、“mundus”、“natura”等词称呼宇宙，且影响现今的语言，如德国以“Das All”、“Weltall”与“Natur”称呼宇宙。英语中也能找到宇宙的同义词，如“everything”（如万有理论）、“world”（如多世界诠释）与“nature”（如自然法或自然哲学）。

## 大爆炸与年表

目前主流的宇宙演化模型是大爆炸理论。这一理论指出，宇宙最初处于极其高温和致密的状态，随后经历了膨胀和冷却。这一模型建立在广义相对论的基础上，并采用了同质 (物理学)和各向同性等简化假设。带有宇宙学常数（Λ）和冷暗物质的版本，称为ΛCDM模型，是目前最简单且能合理解释各种宇宙观测现象的模型。

在这个示意图中，时间从左向右流动，宇宙在每一个时间点上都被表示为一个盘状的“切片”。图中的时间和大小并非按比例绘制。为了展示宇宙的早期阶段，通向余晖阶段的时间（实际上仅占0.003%）被拉伸，而随后的膨胀（实际上扩大了1,100倍至今）则被大幅缩减。

最初的高温致密状态被称为普朗克时期，这是从时间零点延续到一个普朗克时间单位（约10−43秒）的一个极短暂阶段。在普朗克时期，所有物质和能量都集中在一个高度致密的状态中，而当今四种已知基本力中最弱的重力，被认为在当时与其他基本力一样强，甚至可能所有基本力都是统一的。由于我们尚未理解这一段极早期阶段的物理学（包括普朗克时期的量子引力），因此无法确定时间零点之前是否发生过任何事件。自普朗克时期以来，宇宙已经膨胀到目前的规模，并且据推测，在最初的10−32秒内发生了一个极短暂但极其剧烈的宇宙膨胀期。这一初期的膨胀解释了为什么宇宙的空间看起来如此平坦性问题。

在宇宙诞生后的最初几分之一秒内，四种基本力已经分离。随着宇宙从极度高温的状态逐渐冷却，各种次原子粒子在短暂的时期内开始形成，这些时期被称为夸克时期、强子时期和轻子时期。这些时期总共加起来不到大爆炸后的10秒。这些基本粒子逐渐稳定结合成更大的组合体，包括稳定的质子和中子，之后这些粒子经由核融合形成了更复杂的原子核。

这一过程称为太初核合成，持续了约17分钟，并在大爆炸后约20分钟结束，因此只有最快速且最简单的反应得以发生。大约25%的质子和所有中子（以质量计）在这段时间内被转化为氦，并生成少量的氘（氢的一种形式）和微量的锂。其他元素则仅形成极微量。剩下的75%质子未参与反应，继续作为氢原子核存在。

在核合成结束后，宇宙进入了一个被称为光子时期的阶段。在这段时间内，宇宙的温度仍然过高，无法形成中性原子，因此宇宙充满了高温、致密且雾状的等离子体，由带负电的电子、中性中微子和带正电的原子核组成。大约在37.7万年后，宇宙的温度逐渐降低，电子和原子核开始结合形成第一批稳定的原子。这一过程历史上称为“复合”，但实际上是电子与原子核的首次结合。与等离子体不同的是，中性原子对许多波长的光线是透明的，因此宇宙也首次变得透明。这些在原子形成时释放（“退耦”）的光子至今仍然可见，构成了我们今天观测到的宇宙微波背景辐射。

随着宇宙膨胀，电磁辐射的能量密度下降得比物质更快，因为光子的能量随着宇宙红移逐渐减少。大约在宇宙诞生后47,000年，物质的能量密度超过了光子和中微子的能量密度，开始主导宇宙的大尺度行为。这一变化标志着辐射主导时代的结束，以及物质主导时代的开始。

在宇宙的最初阶段，微小的密度波动导致暗物质逐渐集中形成区域。普通物质受到引力的吸引，聚集到这些暗物质最密集的地方，形成了大型气体云，最终在这些区域诞生了恒星和星系，而在暗物质稀疏的地方则形成了宇宙的空洞。大约在宇宙诞生后的1到3亿年间，第一批恒星诞生，称为第三星族星。这些恒星可能非常巨大、明亮、缺乏金属元素且寿命短暂。它们在大约2到5亿年到10亿年间，逐渐使宇宙再电离，并通过恒星核合成为宇宙带来了比氦更重的元素。

宇宙中还存在一种神秘的能量，可能是一种纯量场，被称为暗能量，其密度随时间保持不变。大约在宇宙诞生后98亿年，宇宙的膨胀使得物质密度降到低于暗能量密度，这标志着当前暗能量主导时代的开始。在这个时代，由于暗能量的影响，宇宙的膨胀速度正在加快。

## 物理特性

在四种基本相互作用力中，引力在天文尺度上是最主要的力量。引力的效应具有累积性；相比之下，正负电荷的效应倾向于相互抵消，这使得电磁力在天文尺度上，相对来说不那么重要。剩下的两种相互作用力，弱核力和强核力，随着距离的增加迅速衰减，其效应主要限于亚原子尺度。

宇宙中似乎拥有远多于反物质的物质，这种不对称现象可能与CP破坏有关。这种物质与反物质之间的失衡部分解释了为何今天宇宙中仍然有物质存在，因为如果在大爆炸中物质与反物质的产生是对等的，它们会完全湮灭彼此，最终只留下光子作为相互作用的结果。这些定律包括高斯定律以及应力-能量-动量赝张量的无发散性。

### 大小与区域

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根据广义相对论，由于光速的限制以及宇宙不断膨胀的原因，即使在宇宙的寿命内，某些遥远的空间区域可能永远无法与我们互相影响。举例来说，即便宇宙可以无限存在，从地球发出的无线电讯号也可能无法抵达某些区域，因为空间膨胀的速度可能超过了光的传播速度。

透过望远镜能够观测到的空间区域被称为可观测宇宙，这个范围取决于观测者所在的位置。从地球到可观测宇宙边缘的“适当距离”——也就是在特定时间（例如现在）测量的距离——约为460亿光年（140亿秒差距），因此可观测宇宙的直径约为930亿光年（280亿秒差距）。从可观测宇宙边缘传到地球的光，行经的距离非常接近宇宙的年龄乘以光速的结果，即13.8e9ly，但这并不代表在任何特定时间的实际距离，因为自从光从宇宙边缘发出后，这个边缘与地球之间的距离已进一步扩大。

作为比较，一个典型星系的直径大约是30,000光年（9,198秒差距），而两个相邻星系之间的距离通常约为300万光年（919.8千秒差距）。例如，银河系的直径大约在100,000到180,000光年之间，而最近的姐妹星系——仙女座星系——距离银河系约250万光年。

由于人类无法观测到可观测宇宙边界之外的空间，因此我们无法确定整个宇宙的大小属于有限还是无限。有估计认为，如果宇宙是有限的，那么其规模必须超过一个哈伯体积的250倍。一些具争议的估算指出，若宇宙是有限的，其总体规模可能高达$10^{10^{10^{122}}}$兆秒差距，这是根据哈图-霍金量子态的一种推论所推测的结果。

### 年龄与膨胀

假设ΛCDM模型正确，根据多项实验使用各种技术测量所得的参数，宇宙年龄的最佳估计值为137.99 ± 0.021亿年（截至2015年）。

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随着时间的推移，宇宙及其内部结构不断演化。例如，类星体和星系的相对数量发生了变化，并且宇宙也在不断膨胀。我们从遥远星系的光被红移的观测中推断出这种膨胀，这表明这些星系正在远离我们。对Ia超新星的分析显示，宇宙的膨胀速度正在加快。

宇宙中的物质越多，物质之间的引力就越强。如果宇宙过于致密，将会重新塌缩成重力奇点。然而，如果宇宙中的物质过少，自身的引力将不足以形成星系或行星等天文结构。自大爆炸以来，宇宙一直在不断膨胀。或许不足为奇的是，我们的宇宙恰好具有适当的质量–能量密度，大约相当于每立方米5个质子，这使得宇宙能够在过去的138亿年间膨胀，并有时间形成我们今天所观测到的宇宙。

在宇宙中有一股动力作用于粒子，影响着宇宙的膨胀速度。1998年之前，科学家们普遍认为，由于宇宙中的引力相互作用，膨胀速度随着时间的推移会逐渐减慢；因此，宇宙中有一个可观测的量称为减速参数，大多数宇宙学家预计该参数为正值，并且与宇宙的物质密度相关。然而，在1998年，两个不同的研究团队测得该减速参数为负值，约为-0.55，这从技术上意味着宇宙标度因子$\ddot{a}$的二阶导数在过去50至60亿年间一直为正值。

### 时空

现代物理学认为事件在时空中组织。这一概念起源于狭义相对论，该理论预测，如果一位观察者看到两个事件在不同地点同时发生，那么另一位相对于第一位观察者运动的观察者将看到这些事件在不同时间发生。两位观察者对事件之间的时间$T$和分隔事件的距离$D$会有不同的观点，但他们都会在光速$c$取得一致同意，并且在组合量$c^2T^2 - D^2$的测量上得到相同的结果。这个量的绝对值平方根称为两个事件之间的间隔。这个间隔表示事件之间在时空中的分隔程度，而不仅仅是空间或时间中的分隔。

狭义相对论无法解释引力。其后继理论广义相对论认识到时空并非固定不变而是动态的，并以此来解释引力。在广义相对论中，引力被重新定义为时空的曲率。像轨道这样的曲线运动并不是某种力将物体从直线路径上偏转的结果，而是物体试图在一个因其他质量存在而弯曲的背景中自由运动。物理学家约翰·惠勒的一句名言生动地概括了这一理论：“时空告诉物质如何运动；物质告诉时空如何弯曲。”因此无法将二者分开考虑。当引力效应较弱且物体运动速度远低于光速时，广义相对论的预测会近似于牛顿的引力理论。

物质分布与时空曲率之间的关系由爱因斯坦场方程描述，这需要使用张量微积分来表达。宇宙看起来像是一个平滑的时空连续体，由三个空间维度和一个时间维度构成。因此，物理宇宙中的一个事件可以用四个坐标来描述：(x, y, z, t)。从平均来看，可以观察到空间几乎是平坦的（曲率接近于零），这意味着欧几里得几何在大部分宇宙中是高度精确的经验真理。时空似乎也具有单连通的拓扑结构，类似于一个球体，至少在可观测宇宙的尺度上是如此。然而，现有观测并不能排除以下可能性：宇宙存在更多的维度（如弦理论所假设的），以及时空可能具有多重连通的全域拓扑结构，类似于二维空间中的圆柱或环体拓扑结构。

### 形状

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广义相对论描述了质量和能量（即引力）如何弯曲和扭曲时空。宇宙的拓扑或几何包括可观测宇宙的局部几何和整个宇宙的全域几何。宇宙学家通常会使用一个称为同移座标的时空切片来研究宇宙。可观测的时空区域由向后的光锥界定，它标识了宇宙学视界。宇宙学视界，也称为粒子视界或光视界，是在宇宙的年龄内，粒子可以到达观察者的最大距离。这个视界划分了可观测区域与不可观测区域的边界。

决定宇宙未来演化的一个重要参数是密度参数 (Ω)，它被定义为宇宙的平均物质密度与临界密度的比值。根据Ω等于1、小于1还是大于1，宇宙可以具有3种可能的几何结构，这些结构分别称为平坦宇宙、开放宇宙和封闭宇宙。

根据宇宙背景探测者、威尔金森微波各向异性探测器和普朗克卫星对宇宙微波背景的测绘及观测结果，表明宇宙有无限空间，但是具有有限的年龄，这与弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规的描述一致。该模型支持了暴胀模型和标准宇宙学模型，描绘了一个平坦、均匀的宇宙，现今由暗物质和暗能量所主导。

### 生命的支持

微调宇宙假说认为，宇宙中允许可观测生命存在的条件，只有当某些基本物理常数位于非常狭窄的范围内时才会出现。根据这一假说，如果若干基本常数中的任何一个稍有变化，宇宙很可能就无法适应物质、天文结构、元素多样性或生命的形成与发展。这一假说是否成立，以及探讨这个问题是否具有逻辑意义，都是广泛争论的话题。这一命题在哲学家、科学家、神学家以及创造论支持者之间都有讨论。

## 成分

宇宙的组成几乎完全是由暗能量、暗物质和普通物质构成。其他成分包括电磁辐射（估计占宇宙总质量-能量的0.005%到接近0.01%）以及反物质。

宇宙中的物质和能量比例在其历史进程中发生了变化。在过去的20亿年中，宇宙内生成的电磁辐射总量大约减少了一半。如今，普通物质——包括原子、恒星、星系和生命——只占宇宙总内容的4.9%。这种类型的物质当前密度极低，约为每立方厘米4.5 × 10−31克，相当于每4立方米空间内仅有一个质子。暗能量和暗物质的性质仍然未知。暗物质是一种尚未被识别的神秘物质，占宇宙总内容的26.8%。而暗能量——这是一种存在于空间中的能量，导致宇宙膨胀加速——则占剩下的68.3%。

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物质、暗物质和暗能量在超过约3亿光年的尺度上均匀分布。然而，在较小的尺度上，物质呈现出层次性的聚集：许多原子凝聚成恒星，大多数恒星聚集成星系，大多数星系再聚集成星系群与星系团，最终形成大规模的星系丝状结构。可观测宇宙中估计包含多达2兆个星系，并且总共估计有多达1024颗恒星——比地球上的沙粒总数还多（包括类地行星）；但比宇宙中的原子总数（约1082）要少，并且比暴胀宇宙中（包括已观测和未观测的部分）估计的恒星总数（约10100）要少。典型星系的大小范围，小到拥有约1,000万颗恒星的矮星系，大到拥有1兆颗恒星的巨型星系。在较大结构之间存在空洞，这些空洞的直径通常在10到150百万秒差距（约3,300万至4.9亿光年）之间。银河系位于本星系群中，而本星系群隶属于拉尼亚凯亚超星系团。这个超星系团的跨度超过5亿光年，而本星系群的跨度超过1,000万光年。宇宙中还存在着巨大的相对空无区域，已知最大的空洞直径达到18亿光年（550百万秒差距）。

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可观测宇宙在远大于超星系团的尺度上呈现各向同性，这意味着从地球观察到的宇宙统计性质，在所有方向上都相同。宇宙中充满了高度各向同性的微波辐射，这些辐射对应于大约2.72548克耳文的热平衡黑体波谱。宇宙在大尺度上均匀且具有各向同性，这一假设被称为宇宙学原理。一个均匀且各向同性的宇宙，从任何观察点看都相同，而且没有中心。

### 暗能量

宇宙为何正在膨胀，长期以来都找不到比较好的解释。目前假设可能是由于一股未知的能量充斥在宇宙空间中，称之为“暗能量”。在质能等价的基础上，暗能量的密度（6.91 × 10−27 kg/m3）比星系中普通物质或暗物质来得小。然而，在现今的暗能量时代，由于暗能量均匀分布于宇宙中，因此它支配着宇宙的质能。

目前科学家所提出暗能量的两种型态，皆为宇宙学常数；其一是“静态”的能量密度，它能均匀分布在空间中，以及如第五元素或模数 (物理学)等纯量场理论中；其二是“动态”的能量密度量数，会随着空间与时间而有所变化。宇宙学常数通常也包含了恒定空间中纯量场的贡献。宇宙学常数可被定义为等同真空能量。如果纯量场之间仅有非常微小的空间不均匀差异，那么光从宇宙学常数就没有办法分辨出这些有差异的纯量场。

### 暗物质

暗物质是一种假设性的物质，对所有电磁波谱都不可见，但却构成了宇宙中大部分的物质。暗物质的存在和特性是通过它对可见物质、辐射和宇宙大规模结构的引力影响来推断的。除了作为热暗物质的中微子外，暗物质还没有被直接探测到，这使它成为现代天文物理学中最大的谜题之一。暗物质既不发射也不吸收光或其他任何形式的电磁辐射。据估计，暗物质构成了宇宙总质能的26.8%和总物质的84.5%。

### 普通物质

宇宙质能中剩余的4.9%是由普通物质构成，也就是原子、离子、电子以及由它们组成的物体。这包括了恒星（它们产生了我们从银河系观测到的几乎所有光线）、星系间和暖-热星系际介质介质中的星际气体、行星，以及日常生活中我们可以碰触、感觉或压缩的所有物体。宇宙中大多数普通物质实际上看不见，因为银河和星团中的可见恒星和气体所占的比例不到普通物质对宇宙质能密度贡献的10%。

普通物质通常存在于四种状态（或相态）：固态、液态、气态和等离子态。然而，随着实验技术的进步，揭示了其他先前仅存在于理论中的相态，例如玻色–爱因斯坦凝聚态和费米子凝聚态。普通物质由两种类型的基本粒子组成：夸克和轻子。例如，质子由两个上夸克和一个下夸克组成；中子由两个下夸克和一个上夸克组成；电子则是一种轻子。原子由原子核和环绕核运动的电子组成，其中原子核由质子和中子构成（两者都是重子）。

大爆炸后不久，随着早期宇宙的温度降至两万亿度以下，原始的质子和中子从夸克-胶子电浆中形成。几分钟后，在一个称为太初核合成的过程中，原子核由这些原始质子和中子生成。这次核合成主要形成了轻元素，即原子序数较小的元素，如锂和铍，但随着原子序数的增加，重元素的丰度急剧减少。在这段时间内可能形成了一些硼，但下一个较重的元素碳并未大量生成。由于宇宙膨胀导致的温度和密度迅速下降，太初核合成在大约20分钟后结束。随后的重元素则经由恒星核合成和超新星核合成形成。

### 粒子

这是一个四乘四的粒子表格，列分为三代物质（费米子）和一代基本力（玻色子）。在前三列中，有两行对应夸克，另外两行对应轻子。上两行的列分别对应上夸克（u）和下夸克（d）、粲夸克（c）和奇夸克（s）、顶夸克（t）和底夸克（b），以及光子（γ）和胶子（g）。下两行的列分别对应电中微子（νₑ）和电子（e）、缈中微子（νₘ）和缈子（μ）、陶中微子（νₜ）和陶子（τ），以及 Z⁰ 和 W± 弱作用力载体。每个粒子的质量、电荷和自旋都有列出。

普通物质及其所受的作用力可以用基本粒子来描述。这些粒子有时被称为“基本”，是因为它们的内部结构尚未被揭示，目前也不确定它们是否由更小、更基本的粒子构成。在大多数当代模型中，这些粒子被认为是空间中的点。所有基本粒子目前都可以用量子力学来适当解释，并展现出波粒二象性：它们的行为既有粒子性，也有波动性，具体特征在不同情况下会有所不同。

标准模型是一个至关重要的理论，主要涉及电磁相互作用、弱核力和强核力。标准模型得到了实验的支持，确认了组成物质的粒子——夸克和轻子，以及它们的“反物质”对应物的存在，并证实了介导这些相互作用的力粒子——光子、W及Z玻色子，以及胶子的存在。标准模型预测了最近发现的希格斯玻色子，它是一种粒子，代表着宇宙中一个能赋予粒子质量的场。由于在解释多种实验结果方面的成功，标准模型有时被称为“几乎万有的理论”。然而，标准模型并未包含引力。一个真正的“万有理论”尚未被提出。

#### 强子

强子是由夸克组成的复合粒子，经由强作用力结合在一起。强子分为两类：重子（如质子和中子），由三个夸克组成；以及介子（如π介子），由一个夸克和一个反夸克组成。在强子中，质子很稳定，而被束缚在原子核中的中子也很稳定。其他强子在普通条件下很不稳定，因此在现代宇宙中所占比例微不足道。

在大爆炸后约10−6秒期间，称为强子时期，宇宙的温度已经下降到允许夸克结合成强子的程度，当时宇宙的质量主要由强子组成。最初，温度仍然足够高，能够形成强子–反强子对，从而保持物质和反物质之间的热平衡。然而，随着宇宙温度的进一步下降，强子–反强子对不再产生。大多数强子和反强子随后在粒子–反粒子湮灭反应中被消灭，当宇宙大约一秒钟时，仅留下少量强子残余。

#### 轻子

轻子是一种基本粒子，具有半整数自旋，不参与强相互作用，但受泡利不相容原理的限制；同一种轻子不能同时处于完全相同的状态。轻子有两大类：带电轻子（又称为类电子轻子）和中性轻子（通常指中微子）。电子是稳定的，也是宇宙中最常见的带电轻子，而缈子和τ子则是不稳定的粒子，会在高能碰撞（如宇宙射线或粒子加速器中的碰撞）后迅速衰变。带电轻子可以与其他粒子结合，形成如原子和正电子素等复合粒子。电子在几乎所有化学过程中起著主导作用，因为它存在于原子中，并直接影响所有化学性质。中微子很少与其他物质相互作用，因此难以被观测到。中微子遍布宇宙，但与正常物质的相互作用极为罕见。

轻子时期是宇宙早期演化过程中由轻子主导质量的阶段。该阶段大约在大爆炸后1秒开始，当时大多数强子和反强子在强子时期结束时已相互湮灭。在轻子时期，宇宙的温度仍然足够高，可以创造轻子–反轻子对，因此轻子和反轻子保持在热平衡状态。大约在大爆炸后10秒，宇宙的温度已下降到无法再产生轻子–反轻子对的程度。随后，大多数轻子和反轻子在湮灭反应中被消灭，只剩下少量轻子残余。此时，宇宙的质量由光子主导，进入了随后的光子时期。

#### 光子

光子是光及所有其他形式电磁辐射的量子。它是电磁力的力载子。由于光子具有零静止质量，这使得它能够进行长距离的相互作用，因此电磁力的效应在微观和宏观层面上都很容易观察到。

光子时期开始于轻子时期结束时，大部分轻子和反轻子在大爆炸后约10秒被湮灭。光子时期的最初几分钟内发生了核合成过程，创造了原子核。在光子时期的其余时间内，宇宙中充满了由原子核、电子和光子组成的高温致密等离子体。大约在大爆炸后38万年，宇宙的温度下降到足以使原子核与电子结合形成中性原子的程度。结果，光子不再频繁与物质相互作用，宇宙变得透明。来自这一时期的高度红移的光子形成了宇宙微波背景。宇宙微波背景中可检测到的微小温度和密度变化是所有后来结构形成的早期“种子”。

## 生命宜居性

宇宙中生命存在的频率一直是天文学和天体生物学研究的焦点议题，这包括德雷克方程及其不同解释，从费米悖论（指我们尚未发现任何外星生命迹象的困境）到支持生物物理宇宙学的观点，即认为生命是宇宙物理特性中固有的一部分。

## 宇宙学模型

### 基于广义相对论的宇宙模型

广义相对论是阿尔伯特·爱因斯坦于1915年提出的引力几何学理论，也是现代物理学中对引力的主流解释。这一理论构成了当今宇宙学模型的基础。广义相对论扩展了特殊相对论和牛顿的万有引力定律，将引力解释为物理中的时间与空间（也就是时空）的一种几何属性。更具体地说，时空的曲率与其中存在的物质和辐射的能量与动量有直接关联。

这一关联由一套偏微分方程系统界定，称为爱因斯坦场方程式。在广义相对论框架下，物质与能量的分布决定了时空的几何结构，进而影响物质的加速运动。因此，解出爱因斯坦场方程式能够描述宇宙的发展历程。当这些方程式与关于宇宙中物质数量、类型与分布的实测数据结合时，广义相对论便能够描绘出宇宙随时间演进的全貌。

基于宇宙论原则的假设，即宇宙在各处都呈现均匀且同向的性质下，一个描述宇宙的特定场方程式解称为傅里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃克度规：

$$ds^2 = -c^{2} dt^2 + R(t)^2 \left( \frac{dr^2}{1-k r^2} + r^2 d\theta^2 + r^2 \sin^2 \theta \, d\phi^2 \right)$$

其中(r,θ,φ)是指球座标系。这个度规只包含两个未定义的参数，其中一个参数是无因次量的长度比例因子R，它描述了宇宙的尺度随时间变化的情况（R的增加代表着宇宙的膨胀），另一个是曲率指数k，用来描述宇宙的几何形态。k的值被定义为只能是三个数值之一：0，代表平面的欧几里得几何；1，代表正曲率的空间；或-1，代表正或负曲率的空间。R随时间t的变化取决于k和宇宙常数Λ。宇宙常数代表空间真空的能量密度，与暗能量可能相关。描述R如何随时间变化的方程式称为弗里德曼方程式，以其发现者亚历山大·弗里德曼之名命名。

R(t)的解取决于k和Λ，不过这些解有一些普遍的基本特性。最关键的一点是，宇宙的长度比例因子R只有在宇宙完全同向且具有正曲率（k=1）时才能保持恒定，且宇宙中每处的密度都必须达到一个特定值，这一观点最早由阿尔伯特·爱因斯坦提出。然而，这种平衡状态很不稳定：如果任何地方的密度与这个必要值（R）略有差异，这种差异将会随着时间被放大。

其次，所有的解都指出，过去曾存在一个引力奇点，当时R变成零，物质和能量密度为无穷大。这个结论可能看起来不太确定，因为它基于完全均匀和同向的假设（即宇宙原理），以及仅考虑引力交互作用的重要性。然而，彭罗斯-霍金奇点定理表明，在极其广泛的条件下，必然会存在奇点。因此，根据爱因斯坦场方程式，R从一个难以想象的热和密集的状态迅速增长，这种状态是在重力奇异点之后立即形成的（当时R是一个小而有限的数值）；这正是大爆炸模型中对宇宙起源的核心描述。要理解大爆炸的奇点，可能需要一个尚未形成的量子引力理论。

再者，曲率指数k决定了在足够大的长度（超过约十亿光年）上平均恒定时空表面的曲率正负。若k=1，则曲率为正，意味着宇宙的体积是有限的。拥有正曲率的宇宙常被想象为嵌入四维空间中的三维球面。相反地，如果k是零或负，则宇宙的体积是无限的。虽然当R=0时，数学上预测在一瞬间就能创造出一个无限大且密度无穷的宇宙，这种结果看似违反直觉，但当k是非正值且符合宇宙论原则时，就有可能产生这种情况。作为类比，无限平面的曲率为零但面积无限；无限长的圆柱在一个方向上是有限的，而圆环面在两个方向上都是有限的。圆环面形状的宇宙可能表现得像一个有周期性边界条件的正常宇宙。

宇宙的终极命运仍是一个未解之谜，因为这与曲率指数k和宇宙常数Λ有关。若宇宙密度足够高，则k将为+1，意味着其平均曲率为正，宇宙最终将会在一场大挤压中重新塌缩，这可能会触发一次大反弹，形成新的宇宙。相反地，若宇宙密度不够，k将为0或-1，宇宙将无限扩张，逐步冷却，最终导致大冻结和宇宙的热寂。现代的数据显示宇宙扩张正在加速；如果这种加速过快，宇宙可能最终会经历一次大撕裂。从观测数据来看，宇宙似乎是平坦的（k=0），其整体密度非常接近于塌缩和永恒扩张之间的临界值。

### 多重宇宙假说

一些理论推测，我们的宇宙仅是众多互不相关的宇宙之一，这些宇宙总体被称作多重宇宙，这一概念挑战或扩展了对宇宙的传统定义。在科学上，多重宇宙模型与神秘学的层界或模拟实境等概念有明显区别。

马克斯·泰格马克提出了一套四类分类方案，用于区分科学家为解决物理学中各种问题而提出的不同多重宇宙类型。例如，一种多重宇宙来自于早期宇宙的永恒暴胀论。另一种则源自于量子力学中的多世界诠释。在这种解释下，平行世界的形成类似于量子叠加和去相干，波函数的所有状态在不同的世界中得以实现。实际上，在多世界观中，多重宇宙会像全体波函数那样来进化。如果创造了我们所在多重宇宙的大爆炸也创造了一系列的多重宇宙，那么这一系列的波函数在某种意义上会有纠缠的特性。关于是否能从这一理论中提取有科学意义的概率，一直是并将继续成为热烈讨论的主题，而且多世界解释有多种版本（一般来说，对于量子力学诠释存在着分歧）。

在泰格马克的分类方案中，最不引起争议但仍有争议的多重宇宙类型是第一级。这一级的多重宇宙由我们自己宇宙中遥远时空事件所构成。泰格马克和其他人提出，如果空间是无限的，或足够大且足够均匀，则地球整个哈伯体积的相同历史情况将会偶然重现。泰格马克估算，我们最接近的所谓“分身”距离我们约为1010115米（远超过古戈尔普勒克斯的双重指数函数）。然而，这些论证的性质仅仅是推测。此外，从科学角度验证一个相同哈伯体积的存在是不可能的。

这里可以想象存在着互不相连的时空，每个时空都独立存在却无法相互影响。一个形象的比喻是一组分隔的肥皂泡：在其中一个肥皂泡上的观察者原则上无法与其他肥皂泡上的观察者互动。按照一种常用的术语，每一个时空的“肥皂泡”被称作一个宇宙，而人类所处的特定时空也被称作宇宙。这些分隔时空的总和被称作多重宇宙。

按照这种术语，不同的宇宙之间不存在因果关系。理论上，这些不相连的宇宙可能拥有不同的时空维度和拓扑结构、不同类型的物质和能量，甚至不同的物理定律和常数，尽管这些都是纯粹的推测。有些理论家认为，永恒暴胀论过程中形成的每个泡泡都构成一个独立的宇宙，但在这种模型中，这些宇宙都共享一个因果起点。

## 历史概念

在历史上，人们对宇宙（或宇宙学）及其起源有过许多不同的看法。希腊人和印度人首次提出宇宙是一个受客观物理法则支配的概念。而古代中国的哲学则视宇宙为涵盖一切空间和时间的整体。随着几个世纪以来天文观察技术的提升，以及运动和引力理论的发展，人类对宇宙的了解变得日益精确。现代宇宙学的起点可追溯至阿尔伯特·爱因斯坦在1915年提出的广义相对论，这一理论使我们能够定量地预测宇宙的起源、演化过程及其最终命运。现今主流且被普遍接受的宇宙学理论大多基于广义相对论，其中尤以大爆炸理论为核心。

### 神话

许多文化都有讲述创世神话列表。这些文化普遍将这些故事视为具有一定的真实性。然而，在那些信仰宇宙有超自然起源的人群中，对这些故事的理解和应用却有诸多不同，例如从上帝直接创造现在的宇宙，到仅仅启动了宇宙的运行（例如透过大爆炸和进化的机制）等等。

研究神话的民族学家和人类学家开发了多种分类方法，用以整理创世故事中出现的各种主题。比如，在某些故事中，世界是从一颗“世界蛋”中诞生，这类故事包括芬兰的史诗《卡勒瓦拉》、中国的盘古传说或印度的《梵天往世书》。另一些故事中，宇宙由单一实体自行创造，比如藏传佛教中的本初佛概念、古希腊的大地之母盖亚故事、阿兹特克的女神克亚特里库神话、古埃及的亚图姆神话，以及犹太-基督教创世纪的创世叙事，描述亚伯拉罕宗教的上帝创造宇宙的过程。又有故事描绘宇宙由男女神的结合而成，如毛利族神话的朗吉和帕帕故事。还有一些故事中，宇宙是由既有材料制造而成，如巴比伦史诗中利用提阿玛特的尸体、或北欧神话中利用巨人尤弥尔的身体制造；或由混沌物质创造，如日本神话中的伊邪那岐和伊邪那美。在其他故事里，宇宙则是从基本原则如梵和原质、塞雷尔人的塞雷尔人的创世神话，或道家的阴阳中发展而来。

### 哲学模型

前苏格拉底的希腊哲学家和印度哲学家发展了一些最早的宇宙哲学概念。早期的希腊哲学家注意到，表象可能具有欺骗性，并试图理解表象背后的真实性。他们特别关注物质的形态变化（例如冰变成水再变成蒸汽），并且有几位哲学家提出，世界上的所有物质都是单一原始物质或始基的不同形式。泰勒斯是第一位提出这一观点的哲学家，他认为这种原始物质是水 (古典元素)。泰勒斯的学生阿那克西曼德认为一切源自无限的“无定”。阿那克西美尼则认为原始物质是空气 (古典元素)，因为空气具有吸引和排斥的特性，能够使始基凝结或解体为不同的形式。阿那克萨哥拉提出了“智性”的原理，而赫拉克利特则认为火 (古典元素)是始基（并谈及“理性”）。恩培多克勒提出，元素由土、水、空气和火构成，他的四元素理论非常流行。像毕达哥拉斯一样，柏拉图认为所有事物都是由数字组成的，恩培多克勒的元素对应着柏拉图立体。德谟克利特及后来的哲学家，特别是留基伯，提出宇宙是由在虚空（或真空）中运动的不可分割的原子所构成，但亚里士多德认为这不可能，因为空气如同水一样对运动产生阻力。空气会立刻填满真空，而且在没有阻力的情况下，这一过程将以无限快的速度进行。

尽管赫拉克利特主张永恒的变化，他的同时期学者巴门尼德则强调不变性。巴门尼德的诗作《自然论》被解读为认为所有变化都是幻觉，真正的根本现实永恒不变且具有单一性质，或者至少，每个存在事物的本质特征必须永恒存在，没有起源、变化或终结。他的学生埃利亚的芝诺以几个著名的悖论挑战了日常对运动的观念。亚里士多德则透过发展可计数无穷大的概念以及无限可分的连续体来回应这些悖论。

印度哲学家迦那陀，胜论学派的创始人，提出了原子论的概念，并认为光和热是同一种物质的不同形式。公元5世纪，佛教原子论哲学家陈那认为原子是无延时的点状物，而且由能量构成。他们否认实质物质的存在，并认为运动由能量流的瞬间闪烁所构成。

时间有限论的概念源自亚伯拉罕诸教（犹太教、基督教和伊斯兰教）的创世教义。基督教哲学家约翰·费罗普勒斯提出了反对古希腊无限过去和未来观念的哲学论证。菲洛波诺斯对无限过去的反对论点被早期伊斯兰哲学家肯迪、犹太教哲学家萨阿迪亚·果昂（约瑟夫之子萨阿迪亚）和伊斯兰教义学家阿布·哈米德·加札利所采用。

泛神论是一种哲学宗教信仰，认为宇宙本身就是神性，并且是至高无上的存在或实体。因此，物理宇宙被理解为一个包罗万象且具有内在的神祇。“泛神论者”指的是那些认为“万物构成一个统一体，并且这个统一体是神圣的，包含着一个包罗万象、可显现的神或女神”之人。

### 天文学概念

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现代天文学前身可辨识的最早书面记录来自约公元前3000至1200年的古埃及和美索不达米亚。公元前7世纪的巴比伦天文学家认为，世界是一个被海洋包围的平坦圆盘。

随后的古希腊哲学家观察天体运行，致力于发展基于经验证据的宇宙模型。第一个连贯的宇宙模型由欧多克索斯提出，他是柏拉图的学生，继承了柏拉图认为天体运动必须是圆形的理念。为了解释行星运动中的复杂现象，特别是逆行运动，欧多克索斯的模型中包括了27个不同的天球：每颗肉眼可见的行星有四个天球，太阳和月亮各有三个天球，还有一个天球属于恒星。这些天球全部以地球为中心，地球保持静止，而天球则永恒地旋转。亚里士多德进一步完善了这一模型，将天球的数量增加到55个，以解释行星运动的更多细节。对亚里士多德而言，普通物质完全包含在地球圈内，并遵循与以太 (元素)根本不同的规则。

亚里士多德之后的论文《论宇宙》（作者和日期不详）中指出：“五种元素位于五个区域的球体中，较小的（元素）每次被较大的（元素）包围——即地被水包围，水被空气包围，空气被火包围，火被以太包围——构成了整个宇宙。”这一模型由卡里普斯进一步完善，并在放弃同心球体后，由托勒密将其与天文观测结果几乎完美地进行匹配。这一模型的成功很大程度上归因于数学上的事实，即任何函数（如行星的位置）都可以分解为一组圆函数（傅立叶级数）。其他希腊科学家，如毕达哥拉斯哲学家菲洛劳斯（根据约翰尼斯·斯托拜乌斯的记载），提出宇宙中心有一个“中央之火”，地球、太阳、月亮和行星围绕它做均匀圆周运动。

古希腊天文学家阿里斯塔克斯是已知第一个提出日心模型的人。虽然他的原始著作已遗失，但阿基米德在《数沙者》中提到了阿里斯塔克斯的日心模型。阿基米德写道：

盖伦王，你知道，“宇宙”这个名称是大多数天文学家用来称呼一个球体的，这个球体的中心就是地球的中心，而它的半径等于从太阳中心到地球中心的直线距离。这是你从天文学家那里听到的常见说法。但阿里斯塔克斯出版了一本书，提出了某些假设。根据这些假设，似乎这个宇宙比刚才提到的宇宙大许多倍。他的假设是，恒星和太阳保持不动，地球沿着圆周围绕太阳运转，太阳位于轨道的中心，而固定恒星的球体，与太阳位于同一中心，其大小如此之大，以至于他认为地球运行的圆周相对于固定恒星的距离，如同球体的中心相对于其表面一样。

因此，阿里斯塔克斯认为恒星非常遥远，并将这解释为为什么没有观测到恒星视差——即地球绕太阳运行时，恒星之间没有相对移动的现象。事实上，恒星的距离比古代普遍认为的要远得多，这就是为什么只有使用精密仪器才能检测到恒星视差的原因。地心模型由于能解释行星视差，当时被认为是无法观测到恒星视差的解释。

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古代唯一已知支持阿里斯塔克斯日心模型的天文学家是塞琉西亚的塞琉古，他是一位生活在阿里斯塔克斯之后一个世纪的希腊化天文学家。根据普鲁塔克的记载，塞琉古是第一个通过推理证明日心系统正确的人，但我们不知道他具体使用了什么论据。塞琉古支持日心宇宙论的论据可能与潮汐现象有关。据史特拉波记载（1.1.9），塞琉古是第一位指出潮汐由月球引力引起的人，且潮汐的高度取决于月球相对于太阳的位置。另一种可能性是，他经由确定日心模型的几何常数并发展计算行星位置的方法来证明日心说，类似于16世纪的尼古拉·哥白尼。在中世纪，波斯天文学家阿布·马谢尔和西杰兹也提出了日心模型。

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大约2,000年以来，亚里士多德的宇宙模型在西方世界被普遍接受，直到哥白尼重新提出阿里斯塔克斯的观点，即如果地球绕轴自转，并且太阳位于宇宙中心，天文数据就能有更合理的解释。

将太阳安置在中心。因为谁会将这盏美丽庙宇的灯放在比这里更好或更适合的位置，使其能同时照亮一切？

如哥白尼所述，地球自转的观念由来已久，至少可以追溯到菲洛劳斯（前450年）、赫拉克利德·朋狄库斯（前350年）和毕达哥拉斯学派的埃克凡图斯。大约在哥白尼之前一个世纪，基督教学者库萨的尼各老在他的著作《有知识的无知》（On Learned Ignorance，1440年）中也提出了地球自转的观点。西杰兹同样提出过地球绕轴自转的观点。使用彗星现象来证明地球自转的实证证据由奈绥尔丁（1201年—1274年）和阿里·卡什吉（1403年—1474年）提出。

这一宇宙学被艾萨克·牛顿、克里斯蒂安·惠更斯及后来的科学家所接受。牛顿证明了相同的运动和引力定律适用于地球上的物质和天体物质，使得亚里士多德对两者的区分变得过时。埃德蒙·哈雷（1720年）和尚-菲利浦·德·歇索（1744年）分别指出，如果假设一个无限的空间均匀地充满了恒星，那么夜空应该会与太阳一样明亮；这一现象在19世纪被称为奥伯斯悖论。牛顿认为，一个均匀充满物质的无限空间会导致无限的力和不稳定性，最终使物质在自身引力作用下向内塌缩。这种不稳定性在1902年由金斯不稳定性准则进行阐明。解决这些悖论的其中一个方法是沙利叶宇宙模型，在这一模型中，物质以分形的方式层次分明地排列（如环绕体系中的物体本身又在更大的体系内环绕，无限重复），使得整个宇宙的总体密度可以忽略不计；这一宇宙模型也早在1761年由约翰·海因里希·朗伯提出过。

在18世纪，伊曼努尔·康德推测星云可能是独立于银河系之外的整个星系，1850年，亚历山大·冯·洪堡将这些独立的星系称为“世界岛屿”（Weltinseln），这个术语后来发展为“岛宇宙”。1919年，随着胡克望远镜的建成，当时的主流观点认为宇宙完全由银河系组成。爱德温·哈伯使用胡克望远镜，在几个螺旋星云中发现了造父变星，并在1922至1923年期间证实仙女座星云和三角座星云等是我们银河系之外的完整星系，从而证明宇宙是由无数星系组成的。

现代物理宇宙学的时代始于1917年，当时阿尔伯特·爱因斯坦首次将他的广义相对论应用于建立宇宙模型的结构和动态。本时期的发现及尚未解答的问题已在上面各章节中概述。

## 基本资料

- 年龄：137.87 ± 0.020亿年
- 直径：未知、可观测宇宙：8.8×10^26米，28.5e9pc
- 质量（普通物质）：至少
- 平均密度（包含能量）：9.9×10^-27kg/m3
- 平均温度：2.72548K、(-270.4°C, -454.8°F)
- 主要成分：普通（重子）物质（4.9%）、暗物质（26.8%）、暗能量 （68.3%）
- 形状：扁平状，误差范围只有0.4%
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