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宇宙是什么?

它涵盖了过去和将来的一切。

美丽的星云抽象背景

宇宙实际上是一切,是所有存在的总和。它包括所有物质,如恒星和星系。宇宙还包括所有辐射和所有其他形式的能量。无论你存在于何处或何时,你都是宇宙的一部分,就像你所经历的一切一样。宇宙之外没有任何东西,因为任何存在的东西都自动包含在宇宙的定义中。

宇宙的年龄是多少,它是否在膨胀?

我们对宇宙历史的最好理解来自大爆炸理论。对遥远星系的观测表明,平均而言,所有星系都在远离其他星系。天文学家将这种运动解释为宇宙本身正在膨胀。在最大的尺度上,星系之间的距离会随着时间而增长。这意味着在过去,宇宙比现在更小、更热、更密集。

爱因斯坦广义相对论允许宇宙学家将宇宙的内容与其膨胀历史联系起来,并据此计算它的年龄。根据目前的估计,基于各种观测——例如遥远的超新星宇宙微波背景和轻元素的丰度——宇宙大约有 137.87 亿年的历史。在最初的时刻,整个宇宙被压缩成一个无限小的点,称为奇点。从那个奇点开始,空间扩大,产生了我们今天看到的宇宙。

宇宙是如何创造的?

显示大爆炸不同步骤的图表

科学家们不知道大爆炸之前发生了什么。但是,他们确实知道奇点不是真实的。相反,它是广义相对论的产物,当方程分解并失去描述物理情况的能力时就会发生。对奇点的真正解释必须在于量子引力理论,这是一种极小尺度的强引力物理理论。物理学家目前没有这样的理论,但他们确实有几个候选者,比如弦理论和圈量子引力。

科学家们甚至不知道“大爆炸之前发生了什么?”这个问题。说得通。我们对时间流逝的理解来自于描述早期宇宙时失败的相对论。根据天体物理学家伊桑·西格尔的说法,我们对“之前”和“之后”的概念很可能不足以描述在如此极端的尺度上发生的事情。

归根结底,宇宙存在的原因可能是所有哲学问题中最伟大的。

什么是可观测宇宙?

天文学家目前还不知道宇宙有多大,我们能看到的东西是有限度的。这个体积被称为可观测宇宙。

因为宇宙的年龄是有限的,而且因为光的传播速度被限制在最大速度,所以从我们的有利位置只照亮了宇宙的一部分。可观测宇宙是一个直径约 420 亿光年的球体。(就尺度而言,银河系只有 100,000 光年宽,离太阳最近的恒星不到 4 光年。)

天文学家在这个球体的最边缘观察到的星系在 130 亿年前释放了它们的光。然而,宇宙的膨胀速度超过了光速,而狭义相对论规定物体不能超过光速的限制仅适用于在观察者附近进行的测量,而不适用于遥远的宇宙。

如果宇宙是静止的,那么随着时间的推移,我们将能够观察到更遥远的星系,因为它们的光最终会到达我们身边。然而,宇宙的膨胀正在带走那些更遥远的星系,速度超过了它们发出的光返回我们的速度,我们将永远无法观察到它们。

宇宙是无限的吗?

宇宙学家认为,在可观测宇宙的边缘之外还有……更多的宇宙:更多的恒星、更多的星系、更多的行星、更多的一切。然而,因为它是不可观测的,天文学家不知道整个宇宙有多大。宇宙可能真的是无限的,在太空中根本没有边界。

然而,一个大小估计来自暴胀理论,许多宇宙学家认为这一事件发生在大爆炸的最初时刻。在暴胀期间,宇宙在几分之一秒内迅速膨胀到大许多数量级。膨胀理论认为宇宙的最小尺寸是可观测宇宙直径的 10^62 倍左右。

宇宙是由什么构成的?

模拟宇宙中的暗物质

宇宙的大部分内容都是现代物理学目前未知的形式。宇宙中大约 68% 的总能量由暗能量组成,暗能量是一种假设的能量形式,似乎存在于时空本身的真空中。物理学家不知道这种能量来自哪里,也不知道它为什么具有它的强度。

宇宙中大约 27% 的物质和能量由暗物质组成,暗物质被认为是一种不与光相互作用的且不可见物质形式。虽然绝大多数物理学家认为暗物质是某种新的基本粒子(或粒子),但他们还没有直接探测到它。

宇宙的剩余 5% 由正常的、熟悉的物质组成,如恒星、行星和巨大的气体云。

宇宙将如何终结?

要了解宇宙将如何终结,我们必须首先准确测量其内容。由于宇宙的主要成分是暗能量,这将决定其未来的演变。暗能量的主要作用是它正在加速宇宙的膨胀。所以宇宙不仅每天都在变大,而且每天都在越来越快地变大。假设暗能量将保持不变(这是一个很大的假设,因为我们目前还不了解暗能量的本质),那么这种加速膨胀最终将把几乎所有星系都赶出我们可观测的球体.

数千亿年后,几乎每个星系都将变得对我们不可见。最终,银河系将耗尽新鲜气体来创造新的恒星。数万亿年后,最后的恒星将熄灭,留下一层薄薄的基本粒子面,将慢慢冷却到绝对零的温度。

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