宇宙最初的物质从何而来？

所有物质源于一次大爆炸，是影响最大的一种说法。

宇宙大爆炸简史

大爆炸开始时：约150亿年前，体积无限小，密度无限大，温度无限高，时空曲率无限大的点，称为奇点。空间和时间诞生于某种超时空——部分宇宙学家称之为量子真空（假真空），其充满着与海森堡不确定性原理相符的量子能量扰动。

大爆炸后10-43秒（普朗克时间）：约1032度，宇宙从量子涨落背景出现，这个阶段称为普朗克时间。在此之前，宇宙的密度可能超过每立方厘米1094克，超过质子密度1078倍，物理学上所有的力都是一种。

（超对称）在这个阶段，宇宙已经冷却到引力可以分离出来，开始独立存在，存在传递引力相互作用的引力子。宇宙中的其他力（强、弱相互作用和电磁相互作用）仍为一体。

大爆炸后10-35秒：约1027度，暴涨期（第一推动），引力已分离，夸克、玻色子、轻子形成。此阶段宇宙已经冷却到强相互作用可以分离出来，而弱相互作用及电磁相互作用仍然统一于所谓电弱相互作用。

宇宙也发生了暴涨，暴涨仅持续了10-33秒，在此瞬间，宇宙经历了100次加倍（2100），得到的尺度是先前尺度的1030倍（暴涨的是宇宙本身，即空间与时间本身，并不违反光速藩篱）。

暴涨前宇宙还在光子的相互联系范围内，可以平滑掉所有粗糙的点，暴涨停止时，今天所探测的东西已经在各自小区域稳定下来，而这被称为暴涨理论。 

大爆炸后10-12秒：约1015度，粒子期，质子和中子及其反粒子形成，玻色子、中微子、电子、夸克以及胶子稳定下来。宇宙变得足够冷，电弱相互作用分解为电磁相互作用和弱相互作用。轻子家族（电子、中微子以及相应的反粒子）

需要等宇宙继续冷却10-4秒才能从与其他粒子的平衡相中分离出来。其中中微子一旦从物质中退耦，将自由穿越空间，原则上可以探测到这些原初中微子。

大爆炸后001秒：约1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。

大爆炸后01秒后：约300亿度，中子质子比从10下降到061。

大爆炸后1秒后：约100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。

大爆炸后10秒后：约30亿度，核时期，氢、氦类稳定原子核（化学元素）形成。当宇宙冷却到109开尔文以下（约100秒后），粒子转变不可能发生了。核合成计算指出，重子密度仅占拓扑平宇宙所需物质的2%~5%，强烈暗示了其他物质能量的形式（非重子暗物质和暗能量）充满了宇宙。

大爆炸后35分钟后：约3亿度，原初核合成过程停止，尚不能形成中性原子。

大爆炸后1011秒（104年），温度约为105开尔文，物质期。在宇宙早期历史中，光主宰着各能量形式。随着宇宙膨胀，电磁辐射的波长被拉长，相应光子能量也跟着减小。

辐射能量密度与尺度（R）和体积（4πR3/3）的乘积成反比例减小，即安1/R4减小，而物质的能量密度只是简单地与体积成1/R3反比例减小。一万年后，物质密度追上辐射密度且超越它，从那时起，宇宙和它的动力学开始为物质所主导。

大爆炸后30万年后：约3000度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。

量子真空在暴涨期达到全盛，之后便以暗能量的形式弥漫于全宇宙，且随着物质和辐射密度迅速减小，暗能量越来越明显。暗能量可能占据宇宙总能量密度的2/3，从而推动了宇宙加速膨胀。

扩展资料

概括

“大爆炸宇宙论”（The Big Bang Theory）是现代宇宙学中最有影响的一种学说。它的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化，如同一次规模巨大的爆炸。

主要证据

2014年3月17日美国物理学家宣布，首次发现了宇宙原初引力波存在的直接证据。

原初引力波是爱因斯坦于1916年发表的广义相对论中提出的，它是宇宙诞生之初产生的一种时空波动，随着宇宙的演化而被削弱。科学家说，原初引力波如同创世纪大爆炸的“余响”，将可以帮助人们追溯到宇宙创生之初的一段极其短暂的急剧膨胀时期，即所谓“暴涨”。

然而，广义相对论提出近百年来，源于它的其他重要预言如光线的弯曲、水星的近日点进动以及引力红移效应等都被一一被证实，而引力波却始终未被直接探测到，问题就在于其信号极其微弱，技术上很难测量。

美国哈佛-史密森天体物理学中心等机构物理学家利用架设在南极的BICEP2望远镜，观测宇宙大爆炸的“余烬”—微波背景辐射。微波背景辐射是由弥漫在宇宙空间中的微波背景光子形成的。

计算表明，原初引力波作用到微波背景光子，会产生一种叫做B模式的特殊偏振模式，其他形式的扰动，都产生不了这种B模式偏振，因此B模式偏振成为原初引力波的“独特印记”。观测到B模式偏振即意味着引力波的存在。

南极是地球上观测微波背景辐射的最佳地点之一。研究人员在这里发现了比“预想中强烈得多”的B模式偏振信号，随后经过3年多分析，排除了其他可能的来源，确认它就是原初引力波导致的。

2016年年初，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）和欧洲引力波天文台（VIRGO）的科学家联合宣布，他们探测到了两个约为30倍太阳质量的黑洞在13亿年前的并合产生的引力波，这一发现被称为“世纪发现”。

-大爆炸宇宙论

大发生爆炸后宇宙是如何演化的？在1382亿年前，一个物质、时间、空间都卷曲成一个点，我们称之为宇宙奇点。在某一个时间，宇宙奇点发生了大爆炸，我们的宇宙便开始进行了一个从极致热到冷的演化过程。

宇宙初始演化过程

在大爆炸开始的一瞬间，宇宙就从一个普朗克时间达到了一个普朗克温度。也就是宇宙在10的—43次方秒内温度达到了10的32次方开尔文。科学家们定义普朗克时间是指时间量子间最小的时间间隔，没有比这更短的时间了。

时间的最小单位是普朗克时间

普朗克温度是温度的基础上限。现代科学认为：任何温度超过普朗克温度是毫无意义的！也就是说宇宙在最短的时间内达到了极致高的温度！

温度的最高上限是普朗克温度

通过大爆炸，宇宙形成了一些基本的粒子。在宇宙早期，温度极高，在100亿度以上，物质密度也相当大。宇宙中只有中子、质子和中微子等一些基本粒子形态的物质。随着宇宙温度的下降，当温度降到10亿度左右的时候，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变要么与质子结合成重氢、氦等元素。化学元素就从这一时期开始形成了。

宇宙大爆炸初始基本粒子形成

当温度进一步下降到100万度的时候，早期形成的化学元素过程结束，宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度的时候，辐射减退，宇宙间主要是气态物质。气体逐渐凝聚成气云。宇宙是一直膨胀的，宇宙中被喷射出去的气体云，在引力作用下聚集在一块，并不断的发生坍塌。其中体积比较大的就形成了恒星。这些恒星只是最早期的恒星，它们的寿命并没有现如今的恒星动辄上百亿年这么久。只有短短的几百万年，最长的也不过几千万年。这些恒星更新换代的速度非常快，而每一个恒星在末期都会发生和经历超新星爆发这一阶段。所以也制造出大量的重元素。这些重元素被抛洒到宇宙中，在引力的作用下，这些重元素聚集成更加紧密的球体，并在温度达到400万度时产生核聚变，核聚变的过程中会产生氦原子核，诞生出全新的恒星。这样一个星系便形成了。

宇宙初始星系形成

根据宇宙大爆炸理论，宇宙是从1328亿年前从一个极小的点诞生的。从那里诞生了时间、空间和能量。从而由物质小微粒聚集成大团的物质，最终形成星系、恒星和行星等。

在宇宙大爆炸发生之前，宇宙中没有物质，没有能量，甚至没有生命。但是大爆炸理论无法回答：现在的宇宙在大爆炸前的演化到底是什么？发生大爆炸的原因是什么？按照大爆炸理论，宇宙没有开端。大爆炸理论虽然不成熟，但它却是主流的宇宙形成理论。它比较满意的解释了宇宙学的一些根本问题。但宇宙是否起源于大爆炸，仍然缺乏足够多的令人信服的证据！小伙伴们，你们觉得宇宙是否起源于大爆炸呢？

依据这项最新研究，如果宇宙形状是弯曲的，那也是平缓地弯曲结构，这种平缓的弯曲结构对人类生活、太阳系甚至银河系的运行并不重要，但是在银河系之外深邃黑暗的宇宙空间，天体保持着直线运行，最终将绕圈循环，并回到最初的起始点。

北京时间3月30日消息，据美国生活科学网站报道，宇宙空间是什么形状？我们所知道任何宇宙形状都可以是错误的，依据一项最新研究，宇宙可能不是像床单一样扁平，而是像一个巨大的充气气球。

这项最新研究报告发表在11月4日出版的《自然天文学》杂志上，该研究报告源自宇宙微波背景的相关数据，宇宙微波背景是大爆炸的微弱回声，但并不是任何人都对这项最新研究信服，该研究基于2018年发布的数据，与多年以来的传统观点相悖，也与近期另一项基于相同宇宙微波背景数据集的研究不一致。

依据这项最新研究，如果宇宙形状是弯曲的，那也是平缓地弯曲结构，这种平缓的弯曲结构对人类生活、太阳系甚至银河系的运行并不重要，但是在银河系之外深邃黑暗的宇宙空间，天体保持着直线运行，最终将绕圈循环，并回到最初的起始点。宇宙学家称这种想法为“封闭宇宙”，它已存在了一段时间，但它不符合现有的宇宙运行理论，因此在很大程度上不被人们接受，取而代之的是一个“平坦宇宙”概念，宇宙向各个方向沿伸且没有边界，自身不进行回路循环。

目前，宇宙微波背景最佳测量的异常数据资料提供了宇宙是封闭结构的有力证据，封闭宇宙和开放宇宙的区别有点像被拉伸的平板和膨胀的气球，无论是哪种情况，整个宇宙都处于膨胀之中。当某个平面结构被拉伸时，该结构上的每个点都保持直线彼此远离；当宇宙膨胀时，其表面每个点都彼此远离，但是这个球状宇宙的曲率将使该运动的几何结构变得更加复杂。

研究报告合著作者、罗马智慧大学宇宙学家阿里桑德罗·梅奇里称，这意味着如果有两个光子，它们在封闭宇宙中平行移动，最终会相遇在一起。

在开放、平坦的宇宙概念中，光子在不受干扰的情况下，会沿着它们的平行方向运动，而不会相互作用。

梅奇里说：“传统宇宙模型是不断膨胀的，暗示着宇宙应当是平坦结构，追溯至宇宙膨胀之初，在大爆炸后最初的00000000000000000000000001秒，依据这个最新模型，将呈现一个难以置信的时间节点，宇宙从最初那个无限小的点开始增长，以指数级迅速膨胀，这个超快膨胀的物理结构这是一个平坦的宇宙。

这是多数专家认为宇宙是平坦结构的第一原因，梅奇里说：“如果宇宙不是平坦结构，你必须‘微调’原始机制中的物理原理，使其完全吻合，并在此过程中进行无数次其他运算，这可能是揭晓宇宙结构的必要环节。”

因为宇宙背景辐射存在异常，它是我们在宇宙中观测到最古老的现象，是由周围的微波光构成，当人们将恒星、星系和其他干扰阻挡在外时，它就会充满整个空间。它是关于宇宙历史和行为的最重要数据来源之一，因为宇宙背景辐射太古老了，并且遍布整个宇宙。依据最新数据资料，宇宙背景辐射的“引力透镜效应”比预期的更多，这意味着引力对宇宙微波背景辐射的弯曲作用似乎比现有物理学所解释的更显著。

研究小组使用的数据源自2018年普朗克实验，这是一个欧洲航天局实验，能够比以往任何时候更详细地绘制宇宙微波背景辐射。

为了解释宇宙额外的透镜效果，普朗克实验项目在该宇宙结构模型中加入一个额外变理，科学家称其为“透镜”，梅奇里说：“这是你的手放入其中，试图解释你所看到的事物，这与物理学没有关系，意味着在爱因斯坦相对论中没有透镜参数，我们发现人们可以用一个正弯曲宇宙概念来解释‘透镜’，这是一个能用广义相对论说明的物理解释。”

梅奇里指出，研究小组的解释并不是结论性的，依据该小组的计算结果，普朗克数据指向一个标准偏差35西格玛的封闭宇宙，西格玛是一种统计测量单位，意味着计算结果998%的可信度不是随机的，该数据远低于物理学家通常所提及的5西格玛标准。

但是一些宇宙学家表示，还有更多的环节存在疑问，需要进一步研究分析。美国斯坦福大学宇宙学家安德烈·林德表示，《自然天文学》杂志上这篇最新论文，并未考虑到10月1日发表的另一篇重要论文结论。

在该研究论文中，英国剑桥大学宇宙学家乔治·埃夫斯塔西奥和史蒂芬·格拉顿也参与了普朗克合作项目，他们的研究数据范围比《自然天文学》杂志发表的论文更小，他们的分析也基本支持了一个曲面宇宙的观点，但与梅奇里等人所分析的更多普朗克数据相比，他们的统计可信度更低很多。当埃夫斯塔西奥和格拉顿将这些数据与其他早期宇宙的数据集一起研究时，他们发现这些证据均指向一个开放的平面宇宙。

同时，埃夫斯塔西奥和格拉顿所依据的普朗克数据太少，他们的研究是基于改良版的普朗克数据，而不是600多名物理学家审查通过的公共数据。埃夫斯塔西奥在研究过程将部分普朗克数据直接引用，他指出，如果宇宙的弯曲的，这与早期宇宙的其他数据集相矛盾，并且与观测到的宇宙膨胀率存在差异。

目前，梅奇里承认封闭宇宙模型将对物理学带来很多疑问，他说：“我不想说自己相信存在一个封闭宇宙，我保持中立观点，最终的研究结果将建立在可信度数据之上，在研究过程中我们必须非常谨慎，努力寻找出造成这个差异的具体原因。”

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本文来源：深空游戏 责任编辑：佚名王者之心2点击试玩

宇宙

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宇宙的诞生

我们现在观察到的宇宙，其边界大约有100多亿光年。它由众多的星系所组成。地球是太阳系的一颗普通行星，而太阳系是银河系中一颗普通恒星。我们所观察到恒星、行星、慧星、星系等是怎么产生的呢？

宇宙学说认为，我们所观察到的宇宙，在其孕育的初期，集中于一个很小、温度极高、密度极大的原始火球。在150亿年到200亿年前，原始火球发生大爆炸，从此开始了我们所在的宇宙的诞生史。

宇宙原始大爆炸后001秒，宇宙的温度大约为1000亿度。物质存在的主要形式是电子、光子、中微子。以后，物质迅速扩散，温度迅速降低。大爆炸后1秒钟，下降到100亿度。大爆炸后14秒，温度约30亿度。35秒后，为3亿度，化学元素开始形成。温度不断下降，原子不断形成。宇宙间弥漫着气体云。他们在引力的作用下，形成恒星系统，恒星系统又经过漫长的演化，成为今天的宇宙。

物质现象的总和。广义上指无限多样、永恒发展的物质世界，狭义上指一定时代观测所及的最大天体系统。后者往往称作可观测宇宙、我们的宇宙，现在相当于天文学中的“总星系”。

2003年2月份，美国国家航空航天局曾向全世界公布他们有关宇宙年龄的研究成果。根据其公布的资料显示，宇宙年龄应该为137亿岁。2003年11月份，国际天体物理学研究小组宣称，宇宙的确切年龄应该是141亿岁。地球的形成大约是距今45亿年。

词源考察 在中国古籍中最早使用宇宙这个词的是《庄子•齐物论》。“宇”的含义包括各个方向，如东西南北的一切地点。“宙”包括过去、现在、白天、黑夜，即一切不同的具体时间。战国末期的尸佼说：“四方上下曰宇，往古来今曰宙。”“宇”指空间，“宙”指时间，“宇宙”就是时间和空间的统一。后来“宇宙”一词便被用来指整个客观实在世界。与宇宙相当的概念有“天地”、“乾坤”、“六合”等，但这些概念仅指宇宙的空间方面。《管子》的“宙合”一词，“宙”指时间，“合”（即“六合”）指空间，与“宇宙”概念最接近。

在西方，宇宙这个词在英语中叫cosmos，在俄语中叫кocMoc ，在德语中叫kosmos ，在法语中叫cosmos。它们都源自希腊语的κoσμoζ，古希腊人认为宇宙的创生乃是从浑沌中产生出秩序来，κoσμoζ其原意就是秩序。但在英语中更经常用来表示“宇宙”的词是universe。此词与universitas有关。在中世纪，人们把沿着同一方向朝同一目标共同行动的一群人称为universitas。在最广泛的意义上，universitas 又指一切现成的东西所构成的统一整体，那就是universe，即宇宙。universe和cosmos常常表示相同的意义，所不同的是，前者强调的是物质现象的总和，而后者则强调整体宇宙的结构或构造。

宇宙观念的发展 宇宙结构观念的发展 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作了幼稚的推测。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。

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证实。

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。为了说明行星视运动的不均匀性，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的普通行星。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，G伽利略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。

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，G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JH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。FW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、JH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。

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EP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。

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200亿光年的宇宙深处。

宇宙演化观念的发展 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，GLL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。

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，HN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 ，AS爱丁顿提出了恒星的质光关系；1937～1939年，CF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，目前普遍认为，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，GD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，他们还预言，根据这一模型，应能观测到宇宙空间目前残存着温度很低的背景辐射。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暴涨宇宙模型。这一模型可以解释目前已知的大多数重要观测事实。

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、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17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9986％，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。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。目前天文观测范围已经扩展到200亿光年的广阔空间，它称为总星系。

多样性 天体千差万别，宇宙物质千姿百态。太阳系天体中，水星、金星表面温度约达700K，遥远的冥王星向日面的温度最高时也只有50K；金星表面笼罩着浓密的二氧化碳大气和硫酸云雾，气压约50个大气压，水星、火星表面大气却极其稀薄，水星的大气压甚至小于2×10-9毫巴；类地行星(水星、金星、火星)都有一个固体表面，类木行星却是一个流体行星；土星的平均密度为070克／厘米3，比水的密度还小，木星、天王星、海王星的平均密 度略大于水的密度，而水星、金星、地球等的密度则达到水的密度的5倍以上；多数行星都是顺向自转，而金星是逆向自转；地球表面生机盎然，其他行星则是空寂荒凉的世界。

太阳在恒星世界中是颗普遍而又典型的恒星。已经发现，有些红巨星的直径为太阳直径的几千倍。中子星直径只有太阳的几万分之一；超巨星的光度高达太阳光度的数百万倍，白矮星光度却不到太阳的几十万分之一。红超巨星的物质密度小到只有水的密度的百万分之一，而白矮星、中子星的密度分别可高达水的密度的十万倍和百万亿倍。太阳的表面温度约为6000K，O型星表面温度达30000K，而红外星的表面温度只有约600K。太阳的普遍磁场强度平均为1×10-4特斯拉，有些磁白矮星的磁场通常为几千、几万高斯（1高斯＝10-4特斯拉），而脉冲星的磁场强度可高达十万亿高斯。有些恒星光度基本不变，有些恒星光度在不断变化，称变星。有的变星光度变化是有周期的，周期从1小时到几百天不等。有些变星的光度变化是突发性的，其中变化最剧烈的是新星和超新星，在几天内，其光度可增加几万倍甚至上亿倍。

恒星在空间常常聚集成双星或三五成群的聚星，它们可能占恒星总数的1／3。也有由几十、几百乃至几十万个恒星聚在一起的星团。宇宙物质除了以密集形式形成恒星、行星等之外，还以弥漫的形式形成星际物质。星际物质包括星际气体和尘埃，平均每立方厘米只有一个原子，其中高度密集的地方形成形状各异的各种星云。宇宙中除发出可见光的恒星、星云等天体外，还存在紫外天体、红外天体、X射线源、γ射线源以及射电源。

星系按形态可分为椭圆星系、旋涡星系、棒旋星系、透镜星系和不规则星系等类型。60年代又发现许多正在经历着爆炸过程或正在抛射巨量物质的河外天体，统称为活动星系，其中包括各种射电星系、塞佛特星系、N型星系、马卡良星系、蝎虎座BL型天体，以及类星体等等。许多星系核有规模巨大的活动：速度达几千千米／秒的气流，总能量达1055焦耳的能量输出，规模巨大的物质和粒子抛射，强烈的光变等等。在宇宙中有种种极端物理状态：超高温、超高压、超高密、超真空、超强磁场、超高速运动、超高速自转、超大尺度时间和空间、超流、超导等。为我们认识客观物质世界提供了理想的实验环境。

运动和发展 宇宙天体处于永恒的运动和发展之中，天体的运动形式多种多样，例如自转、各自的空间运动(本动)、绕系统中心的公转以及参与整个天体系统的运动等。月球一方面自转一方面围绕地球运转，同时又跟随地球一起围绕太阳运转。太阳一方面自转，一方面又向着武仙座方向以20千米／秒的速度运动，同时又带着整个太阳系以250千米／秒的速度绕银河系中心运转，运转一周约需22亿年。银河系也在自转，同时也有相对于邻近的星系的运动。本超星系团也可能在膨胀和自转。总星系也在膨胀。

现代天文学已经揭示了天体的起源和演化的历程。当代关于太阳系起源学说认为，太阳系很可能是50亿年前银河系中的一团尘埃气体云(原始太阳星云)由于引力收缩而逐渐形成的（见太阳系起源）。恒星是由星云产生的，它的一生经历了引力收缩阶段、主序阶段、红巨星阶段、晚期阶段和临终阶段。星系的起源和宇宙起源密切相关，流行的看法是：在宇宙发生热大爆炸后40万年，温度降到4000K，宇宙从辐射为主时期转化为物质为主时期，这时或由于密度涨落形成的引力不稳定性，或由于宇宙湍流的作用而逐步形成原星系，然后再演化为星系团和星系。热大爆炸宇宙模型描绘了我们的宇宙的起源和演化史：我们的宇宙起源于200亿年前的一次大爆炸，当时温度极高、密度极大。随着宇宙的膨胀，它经历了从热到冷、从密到稀、从辐射为主时期到物质为主时期的演变过程，直至10～20亿年前，才进入大规模形成星系的阶段，此后逐渐形成了我们当今看到的宇宙。1980年提出的暴涨宇宙模型则是热大爆炸宇宙模型的补充。它认为在宇宙极早期，在我们的宇宙诞生后约10-36秒的时候，它曾经历了一个暴涨阶段。

哲学分析 宇宙概念 有些宇宙学家认为，我们的宇宙是唯一的宇宙；大爆炸不是在宇宙空间的哪一点爆炸，而是整个宇宙自身的爆炸。但是，新提出的暴涨模型表明，我们的宇宙仅是整个暴涨区域的非常小的一部分，暴涨后的区域尺度要大于1026厘米，而那时我们的宇宙只有10厘米。还有可能这个暴涨区域是一个更大的始于无规则混沌状态的物质体系的一部分。这种情况恰如科学史上人类的认识从太阳系宇宙扩展到星系宇宙，再扩展到大尺度宇宙那样，今天的科学又正在努力把人类的认识进一步向某种探索中的“暴涨宇宙”、“无规则的混沌宇宙”推移。我们的宇宙不是唯一的宇宙，而是某种更大的物质体系的一部分，大爆炸不是整个宇宙自身的爆炸，而是那个更大物质体系的一部分的爆炸。因此，有必要区分哲学和自然科学两个不同层次的宇宙概念。哲学宇宙概念所反映的是无限多样、永恒发展的物质世界；自然科学宇宙概念所涉及的则是人类在一定时代观测所及的最大天体系统。两种宇宙概念之间的关系是一般和个别的关系。随着自然科学宇宙概念的发展，人们将逐步深化和接近对无限宇宙的认识。弄清两种宇宙概念的区别和联系，对于坚持马克思主义的宇宙无限论，反对宇宙有限论、神创论、机械论、不可知论、哲学代替论和取消论，都有积极意义。

宇宙的创生 有些宇宙学家认为，暴涨模型最彻底的改革也许是观测宇宙中所有的物质和能量从无中产生的观点，这种观点之所以在以前不能为人们接受，是因为存在着许多守恒定律，特别是重子数守恒和能量守恒。但随着大统一理论的发展，重子数有可能是不守恒的，而宇宙中的引力能可粗略地说是负的，并精确地抵消非引力能，总能量为零。因此就不存在已知的守恒律阻止观测宇宙从无中演化出来的问题。这种“无中生有”的观点在哲学上包括两个方面：①本体论方面。如果认为“无”是绝对的虚无，则是错误的。这不仅违反了人类已知的科学实践，而且也违反了暴涨模型本身。按照该模型，我们所研究的观测宇宙仅仅是整个暴涨区域的很小的一部分，在观测宇宙之外并不是绝对的“无”。现在观测宇宙的物质是从假真空状态释放出来的能量转化而来的，这种真空能恰恰是一种特殊的物质和能量形式，并不是创生于绝对的“无”。如果进一步说这种真空能起源于“无”，因而整个观测宇宙归根到底起源于“无”，那么这个“无”也只能是一种未知的物质和能量形式。②认识论和方法论方面。暴涨模型所涉及的宇宙概念是自然科学的宇宙概念。这个宇宙不论多么巨大，作为一个有限的物质体系 ，也有其产生、发展和灭亡的历史。暴涨模型把传统的大爆炸宇宙学与大统一理论结合起来，认为观测宇宙中的物质与能量形式不是永恒的，应研究它们的起源。它把“无”作为一种未知的物质和能量形式，把“无”和“有”作为一对逻辑范畴，探讨我们的宇宙如何从“无”——未知的物质和能量形式，转化为“有”——已知的物质和能量形式，这在认识论和方法论上有一定意义。

时空起源 有些人认为，时间和空间不是永恒的，而是从没有时间和没有空间的状态产生的。根据现有的物理理论，在小于10-43秒和10-33厘米的范围内，就没有一个“钟”和一把“尺子”能加以测量，因此时间和空间概念失效了，是一个没有时间和空间的物理世界。这种观点提出已知的时空形式有其适用的界限是完全正确的。正像历史上的牛顿时空观发展到相对论时空观那样，今天随着科学实践的发展也必然要求建立新的时空观。由于在大爆炸后10-43秒以内，广义相对论失效，必须考虑引力的量子效应，因此有些人试图通过时空的量子化的途径来探讨已知的时空形式的起源。这些工作都是有益的，但我们决不能因为人类时空观念的发展或者在现有的科学技术水平上无法度量新的时空形式，而否定作为物质存在形式的时间、空间的客观存在。

人和宇宙 从本世纪60年代开始，由于人择原理的提出和讨论，出现了人类存在和宇宙产生的关系问题。人择原理认为 ，可能存在许多具有不同物理参数和初始条件的宇宙，但只有物理参数和初始条件取特定值的宇宙才能演化出人类，因此我们只能看到一种允许人类存在的宇宙。人择原理用人类的存在去约束过去可能有的初始条件和物理定律，减少它们的任意性，使一些宇宙学现象得到解释，这在科学方法论上有一定的意义。但有人提出，宇宙的产生依赖于作为观测者的人类的存在。这种观点值得商榷。现在根据暴涨模型，那些被传统大爆炸模型作为初始条件的状态，有可能从极早期宇宙的演化中产生出来，而且宇宙的演化几乎变得与初始条件的一些细节无关。这样就使上述那种利用初始条件的困难来否定宇宙客观实在性的观点失去了基础。但有些人认为，由于暴涨引起的巨大距离尺度，使得从整体上去观测宇宙的结构成为不可能。这种担心有其理由，但如果暴涨模型正确的话，随着科学实践的发展，一定有可能突破人类认识上的困难。

对于渺小的人类来说，浩瀚的宇宙中存在许多未解之谜，著名天文学家，前英国皇家学会主席马丁·里斯勋爵认为，由于大脑天生的局限，人类或许永远无法破解这些谜团。正如游鱼不会注意到水的存在，人也同样无法参透构成宇宙空间的微观结构。

从理论上来说，另一个四维宇宙有可能近在咫尺，但我们却浑然不知。好比在一张白纸爬来爬去的蚂蚁，始终无法察觉相距1毫米之外还有另一张白纸的存在。

诡异的量子力学

量子力学的概率和随机性让爱因斯坦头疼不已。你能想象两个相隔几光年的粒子，如果其中一个粒子的状态发生变化，另一个粒子瞬间也会相应改变，两者之间犹如存在心电感应；以波的形式同时通过两条狭缝的光子发现有人观察，竟然化作粒子重新从其中一条缝隙通过，仿佛时光可以倒流一样！

有因未必有果，结果可以决定原因；意识决定物质，宇宙因意识而存在——人类所有坚不可摧的理性认知都在量子力学的迷雾中土崩瓦解。自从它面世以来，科学家已经提出几十种解释。从正统的哥本哈根解释到另类的多世界假说，一个比一个荒诞，一个比一个更像科幻小说，但都无法让人彻底信服。

失踪的引力子

站在地球上的人为什么掉不下去？庞大的星系如何井然有序地运行？在统治宇宙的四大基本作用力中，电磁力、强核力和弱核力都是通过基本粒子发挥作用，那么虚无缥缈的引力是否也经由“引力子”施展魔力呢？

虽然激光干涉引力波天文台已经捕捉到遥远宇宙传来的引力波“涟漪”，但引力子却始终不见踪影。提出过“戴森球”理论的著名物理学家弗里曼•戴森认为，单个引力子在现有理论框架内也许根本检测不到。和温度、压力类似，引力常量可能和组成它的基本粒子没有任何关系。

如此说来，现代物理学的两大支柱——量子力学和广义相对论之间就存在难以逾越的鸿沟，而能够解释宇宙本质的大一统理论也将永远隐藏在黑暗之中。

无法突破的普朗克尺度

普朗克尺度（1616229×10^-35米和539116×10^-44秒）是人类能够精确测量的最小尺度。如果有人想获得普朗克尺度以下的数值，他就会发现在如此小的空间内，光子动量之高足以产生一个微型黑洞，使任何有意义的测量都无法实现。

一切经典物理学理论在普朗克尺度之下都失去效力，在这里变幻莫测的量子效应开始掌管一切。模拟奇点大爆炸的大型强子对撞机试图追溯宇宙诞生的 历史 ，但在普朗克尺度面前犹如撞到一堵“叹息之墙”。科学家普遍认为，普朗克尺度并非时空的最小单位，只是量子王国和引力王国的分界线而已。跨越这条界线之后，我们也许会遇到更多让人瞠目结舌的奇观。

无解的宇宙诞生之谜

在一切时间和空间的尽头，一个极端致密的奇点如何以比光还要快的速度膨胀，最终形成宇宙万物？它是前一个宇宙塌缩而成的吗？我们所在的宇宙是否处于膨胀-塌缩-再膨胀-再塌缩的无限循环之中？

如果所谓的奇点大爆炸并不存在，那么所有能量和物质是否被束缚于未知空间结构之中，因某种原因而突然膨胀？

或者奇点和未知空间结构不止一个，无数个宇宙如大海的泡沫一样泛起、破碎，每个泡沫之间或许会碰撞，但绝不会重叠。也就是说，所有多重宇宙都是封闭的，我们永远无法获知其它宇宙的任何信息。

谜中之谜——意识的本质

物理学家波尔曾经说过，世界由人的意识决定。前文提到的 双缝干涉试验 中，观察者的存在的确影响了光子路径。换句话说，没人观察的时候，薛定谔的猫处于一种“既死又活”的奇怪状态，它的命运在打开箱子的一刹那才能确定下来。如果粒子的状态取决于我们是否在观察，那么宏观世界是否也如此呢？美国物理学家约翰·惠勒的“观察者假说”认为，宇宙大爆炸和138亿年的 历史 原本不存在，是古往今来无数观察者的参与造就了它！

牛津大学物理学家罗杰·彭罗斯进一步提出，观察者效应意味着人的意识能够在量子层面和物质互相作用，而大脑产生认知是脑神经元微管量子振动的结果。濒临死亡的人随着心脏停止跳动，血液不再流动，脑神经微管失去量子状态，储存在其中的量子信息也随之释放出来。

马克斯普朗克物理研究所的汉斯·彼得杜尔博士的解释更为惊悚：我们所理解的现实世界仅仅局限在物质层面，除此之外还有一个无限宽广的量子宇宙，现实宇宙处于它的包裹之中，靠吸收其中的养分才得以存在。人死之后释放的量子信息正是回归到这个量子场之中，从某种意义上来说，所有的智慧生命都是不朽的存在。

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宇宙起源

宇宙是由大约137亿年前发生的一次大爆炸形成的。宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起，并浓缩成很小的体积，温度极高，密度极大，瞬间产生巨大压力，之后发生了大爆炸，这次大爆炸的反应原理被物理学家们称为量子物理。

在爆炸过程中，奇点内喷射出大量的能量和物质，“暴胀”后的宇宙迅速冷却下来之后，空间中的粒子就开始合成，首先是夸克凝聚成了质子和中子，接着质子和中子聚在一起，形成原子核。宇宙中最早产生的是氢原子核和氦原子核。

研究宇宙的意义：

可以认识我们所在的这个世界，并且作为验证物理理论的一个大的实验室，它可以淘汰很多理论，并且筛选出合适的理论。正如广义相对论在宇宙学中预言了黑洞，大爆炸和引力波，所以，观测证实了广义相对论的真实，那么我们就可以认为这个理论最合适用来描述宇宙。

除了在理论印证上的应用，也会革新人们的世界观。当哥白尼发现地球不是宇宙的中心的时候，这给当时人们的世界观是一个极大的冲击，让人们发现自己的渺小。当我们发现宇宙不是永恒而是有限有起点的时候，我们就很容易想到创造和第一推动，于是我们不再崇拜宇宙的永恒，而是知道宇宙也是有始有终的。

有时候宇宙学会对哲学和宗教产生很大的影响，它帮助我们理解圣经里面的创世纪，并且对人们的时空观产生影响。时空不再是绝对的，而且是有起点的。就像哲学一样，你很难说哲学有什么实际用处，但许多的思想最终确导致了革命，而这些思想和科学的革命是分不开的。

哥白尼所引发的科学革命带来了教廷对亚里斯多德体系的唾弃，牛顿带来的力学革命，让蒸汽时代和近代历史得以开始，无产阶级革命得以开始；量子力学和相对论的革命，让核危机得以产生，对全球的政治格局产生了极大的影响。

所以，宇宙学或者理论物理学的影响是广泛而深远的，不仅仅限于给我们生产什么产品等眼前的利益。