宇宙
宇宙呢個名源自「上下四方曰宇，古往今來為宙」。「宇」係空間咁解，「宙」係時間咁解。宇宙即係時空組成。
定義
[編輯]「宇宙」呢個詞喺一般意義上係 cosmos, universe, (outer) space 嘅中文譯名。 英文嘅 cosmos 係由古希臘文嘅 κόσμος 演變而嚟。κόσμος 原本嘅意思係指有秩序嘅狀態，但係到咗畢達哥拉斯嗰陣，就開始用嚟形容成個世界[1]。「宇宙」呢個中文詞就係對應後者嘅意思。一般嚟講，佢同 universe 嘅意思差唔多，但係 cosmos 呢個詞仲帶有秩序同和諧嘅意思。「宇宙」(cosmos) 係指「喺時間同空間入面有秩序存在嘅『事物』嘅總體」[2]。
英文嘅 universe 係由拉丁文 universum 演變而嚟，意思係所有嘢同事件嘅總體[3]。前綴 uni- 係表示數字 "1" 嘅意思，但係由 universe 衍生出嚟嘅詞仲有 multiverse, omniverse 呢啲新詞。
英文嘅 outer space 或者齋講 space，係指地球嘅大氣層以外嘅空間，或者包括地球喺內嘅各個天體嘅大氣層以外嘅空間。中文翻譯做「宇宙空間」或者「外太空」，但係喺中文入面，直接叫做「宇宙」都好普遍。講到地球大氣，喺宇宙空間同大氣層之間劃一條界線嘅話，（為咗方便起見）就會用卡門線嚟劃分。想知多啲關於宇宙空間嘅嘢，可以睇睇宇宙空間嗰篇。
語源
[編輯]「宇宙」呢個詞嘅準確起源同意思都唔係好清楚，但係有幾個講法：
- 「宇」係指「天地四方上下」（即係上下前後左右，成個三維空間），「宙」係指「往古來今」（即係過去、而家、將來，成條時間線）嘅意思（喺中國戰國時代嘅書––「尸子卷下」度見到）。「宇宙」合埋就係講成個時空（時間同空間）（喺漢朝嘅書––「淮南子齊俗訓」度見到）[4]。
- 「宇」係解「天」，「宙」係解「地」，「宇宙」合埋就係講「天地」嘅意思。有人話呢個詞係喺古代中國嘅漢字文化入面，將「宇」同「宙」兩個字砌埋一齊而誕生嘅。
唔同範疇嘅理解
[編輯]睇唔同嘅角度，「宇宙」嘅理解有以下幾種：
宗教哲學
[編輯]從哲學同宗教嘅角度嚟睇，宇宙整體嘅一部分但又同成個宇宙相似嘅嘢叫做「小宇宙」，而成個宇宙就叫做「大宇宙」。
天文學同現代宇宙論
[編輯]從天文學嘅角度嚟睇，「宇宙」係指包含所有天體同空間嘅範圍。銀河系有時都叫做「小宇宙」，相對嚟講成個宇宙就叫做「大宇宙」。
航空太空同太空工程
[編輯]講到「地球大氣層以外嘅空間」呢個意思，根據國際航空聯盟 (FAI) 嘅規定，係指高過 100 km 嘅高度，呢度空氣阻力基本上可以忽略不計，幾乎係真空狀態[5][6]。呢個標準叫做卡門線[7]。
仲有其他劃分太空同地球大氣層嘅標準，例如美國嘅太空人認證計劃。喺1950年代左右，美國空軍（USAF）定咗一個規定，話飛到高過 50 測量英里（即係 50 ✕ 63363937 km ≒ 80.47 km［1959年之前］）以上嘅飛行員就可以認證做太空人[8]。聯邦航空管理局（FAA）跟住 USAF 嘅標準，認定飛到 50 測量英里以上嘅飛行員做民間太空人[9]。
簡史
[編輯]喺大概138億年前，當時嘅宇宙重細過針頭，密度超高，溫度高達100幾億度，之後發生咗大爆炸，高溫嘅物質冷卻落嚟，密度亦都開始降低。
大爆炸後2秒鐘，喺100億度高溫下，產生咗質子同中子。大概過咗幾分鐘，產生咗氫原子同氦原子。喺再之後1萬年，散落喺空間嘅物質開始局部嘅聚合。
大爆炸後4億年開始出現第一批恆星，而太陽系就喺大爆炸後大概90億年（大概46億年前）出現。
現時宇宙空間大概係由4.9%嘅普通物質，26.8%嘅暗物質同埋68.3%嘅暗能量組成。
現代宇宙論
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愛因斯坦嘅廣義相對論入面嘅愛因斯坦場方程有幾個精確解，其中有一個解顯示宇宙係膨脹緊嘅。呢個非穩態宇宙模型暗示宇宙係喺過去某個時間點誕生嘅。要解釋宇宙嘅誕生同埋初期宇宙，就有個叫做大爆炸嘅宇宙論。喺大爆炸理論裡面，估計宇宙喺誕生之後經歷咗一個指數函數式嘅膨脹（叫做宇宙暴脹）。
而家我哋知道有4種基本相互作用，但係根據統一場論，呢啲基本相互作用喺初期宇宙係冇分別嘅，全部統一埋一齊。例如溫伯格-薩拉姆理論就證明咗電磁相互作用同弱相互作用係可以統一嘅。人哋認為基本相互作用係隨住宇宙膨脹同埋冷卻而分離嘅。
亞原子粒子、原子同分子就係喺宇宙膨脹同埋冷卻嘅過程中形成嘅。至於恆星同銀河等天體，就係由主要由氫同氦組成嘅分子雲形成嘅（睇返宇宙嘅誕生同進化嗰部分）。
構成大爆炸理論嘅宇宙學參數假說總括為Λ-CDM模型（Lambda-CDM model）。不過呢個模型都有人唔同意。如果採用呢個模型嘅話，宇宙就由普通物質（由原子即係重子組成）、暗物質，同埋暗能量組成。現代物理學所能描述嘅普通物質只係佔大約5%，另外95%嘅暗物質同暗能量到而家都唔知係咩嚟。每種成分嘅比例會隨時間改變，而家估計係暗能量主導嘅時代（dark energy-dominated era），因為暗能量嘅影響，宇宙膨脹嘅速度比之前快咗（宇宙加速膨脹）[11]。
宇宙嘅大細
[編輯]宇宙嘅年齡
[編輯]宇宙誕生到而家嘅時間係根據唔同方法同模型計算出嚟嘅。
喺2003年，根據NASA嘅太空探測器WMAP觀測到嘅宇宙微波背景輻射數據計算，宇宙大約有137億歲（準確啲講係 13.772 ± 0.059 Gyr）[12]。呢個數字同其他用放射性定年法計算出嚟嘅110–200億歲[13]或者130–150億歲[14]嘅大概估計都唔矛盾。
喺2013年3月21號，歐洲太空總署（ESA）宣布「宇宙誕生嘅時間比之前講嘅早咗1億年，大約係138億年前（準確啲講係 13.798 ± 0.037 Gyr）[15]」。
宇宙嘅成分
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講到宇宙係由咩組成，同埋每樣嘢佔幾多，以前都係靠觀測包括光喺內嘅電磁波嚟計算。不過，經過唔同研究之後，人哋發現唔係淨係睇得到嘅嘢先可以組成宇宙。後尾宇宙嘅成分就唔再用原子物質嚟表示，而係用能量嘅比例，而且仲發現大部分都係啲未知嘅暗物質同暗能量[16]。一開始用宇宙微波背景輻射觀測到嘅宇宙初期不均勻性嚟估計嘅能量比例係：暗能量72.8%、暗物質22.7%、物質（原子）4.5%[16]。但係到咗2003年之後，靠住太空探測器WMAP同人造衛星Planck嘅觀測，呢啲數字就變得更加準確[16][17]：
人類一直都喺研究佢哋眼中見到嘅物質嘅本源同力嘅定律，仲發展出咗粒子物理學。呢啲研究連宇宙大爆炸嘅情況都解釋到。但係，喺宇宙研究入面，呢啲嘢淨係可以解釋到宇宙全部能量嘅4.9%左右，另外95%嘅嘢我哋只係知道有呢啲嘢存在。所以而家科學界都好需要對呢個領域做更多研究[16]。
講到宇宙入面有咩元素，氫原子佔93.3%，氦原子佔6.49%[18]。而喺可以觀測到嘅宇宙入面，原子嘅總數大概有10嘅80次方個。
宇宙嘅膨脹
[編輯]到咗20世紀，科學家透過觀測發現宇宙係喺膨脹緊。但係以前有唔同嘅諗法。牛頓嘅絕對時間同絕對空間概念帶出嚟嘅牛頓力學得到好多人支持，大家都覺得宇宙係靜止同穩定嘅[19]。
喺1915年，愛因斯坦提出咗廣義相對論，入面有個描述能量同時空曲率關係嘅引力場方程（愛因斯坦方程）。呢個方程預測嘅宇宙未來係：因為星星嘅引力，宇宙會開始收縮，最後會縮到一個點[19]。呢個解係由愛因斯坦本人同威廉·德西特、亞歷山大·弗里德曼、喬治·勒梅特等人一齊推導出嚟嘅。一開始愛因斯坦覺得宇宙應該係穩定嘅，所以佢喺方程度加咗個常數（宇宙常數）令到宇宙變得穩定[19]。
1929年，埃德溫·哈勃發現所有銀河都喺遠離緊我哋，而且距離越遠嘅銀河離開得越快（哈勃定律）。呢個觀測結果令到「膨脹嘅宇宙」呢個概念出現，連愛因斯坦都話呢個係佢「人生最大嘅錯誤」，仲將宇宙常數喺引力場方程度拎走埋[19]。
膨脹嘅中心
[編輯]因為成個宇宙包括所有天體都喺膨脹緊，所以無數嘅銀河差唔多均勻分佈，而且離開嘅速度同距離成正比。無論你企喺邊個銀河度睇，都會見到同樣嘅景象（膨脹宇宙論）。如果信「宇宙學原理」嘅話，宇宙就係冇邊際嘅，咁樣宇宙膨脹就冇中心。銀河後退速度等於光速嘅距離，喺宇宙學固有距離度計，就係由地球開始計大約150億光年遠嘅地方。宇宙年齡乘光速得出嘅距離同呢個距離差唔多，其實只係湊巧。因為係哈勃發現嘅，所以呢個距離叫做哈勃距離，或者哈勃半徑，但係呢個唔係宇宙嘅視界（宇宙嘅事件視界，又或者叫粒子視界）。光速再快都追唔到嘅天體，估計係紅移值Z=1.6左右嘅天體，而超過呢個值嘅天體而家已經觀測到成千個。
宇宙嘅誕生
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大爆炸理論（大爆炸假說）講，宇宙一開始係一個叫做大爆炸嘅大爆炸。根據哈勃定律，離地球越遠嘅天體，離開嘅速度就越快。咁樣嘅話，如果將時間倒轉，喺過去某個時間，所有天體都會聚埋一點，即係話成個宇宙以前係非常之細，而且溫度同密度都好高。呢個初期宇宙嘅模型叫做「大爆炸模型」，喺1940年代由喬治·伽莫夫整合成物理學理論[19]。
加莫夫預言過大爆炸嗰陣釋放出嚟嘅光應該可以觀測到微波[19]。跟住喺1965年，阿諾·潘齊亞斯同羅拔·W·威爾遜發現咗響宇宙所有方向都有絕對溫度3度嘅黑體輻射相當嘅微波（宇宙背景輻射）。呢個被認為係宇宙早期高溫時期遺留低嘅熱輻射，被視為證實咗預言嘅證據[19]。
大爆炸模型嘅研究繼續進行，例如加莫夫估計溫度大約係100億度，但之後有人計到可能係1031度。大爆炸之後嘅宇宙冇物質存在，淨係得能量充滿成個世界。根據理論，物質嘅基本基本粒子係喺大約百萬分之一秒之後先出現，嗰陣溫度跌到大約10萬億度。一萬分之一秒之後，溫度跌到1萬億度，質子同中子就形成咗。宇宙繼續膨脹同冷卻，3分鐘之後氫、氦、鋰等原子核同電子形成，溫度跌到10億度。過咗38萬年，溫度跌到大約3800度，電子被原子核捕獲形成原子，令到大爆炸產生嘅光子可以直線前進冇基本粒子阻礙。呢個叫做「宇宙變透明」，呢啲光就係宇宙背景輻射[19]。原子係電中性冇排斥力，所以最後開始因為重力聚埋一齊，大約1到1.5億年之後就有第一代恆星出現[20]，大約9億年之後[21]就開始形成恆星同銀河[19]。
但係之後出現咗一啲好似宇宙嘅視界問題同平坦性問題嘅問題，早期簡單嘅大爆炸理論解釋唔到。為咗解決呢啲問題，1980年代提出咗暴脹理論，話大爆炸之前發生過急劇膨脹（暴脹）[22]。呢個理論話宇宙真正嘅誕生係喺大爆炸之前從無到有，經歷咗急劇膨脹（暴脹）之後先發生大爆炸。暴脹嗰陣包含嘅能量有少少唔平均，呢啲唔平均引發咗原子嘅聚集，而且因為唔平均嘅程度差唔多，所以宇宙先至會咁平坦[21]。提出嗰陣暴脹理論仲冇觀測結果支持，但係之後精密測量宇宙背景輻射發現同理論一致，可信度就提高咗[21]。
宇宙嘅未來
[編輯]冇宇宙常數嘅愛因斯坦方程嘅解顯示宇宙嘅未來係膨脹最後會轉為收縮，最後縮到一個點，呢個模型叫做大撲滅。就好似喺地球表面掟個波上天，一開始會飛得好高，但係最後會冇力跌返落嚟。同樣，當膨脹嘅動力——熱同光嘅釋放減弱，重力變得強勢，宇宙就會慢慢停止膨脹，開始收縮。大部分科學家都支持呢個模型[23]。
但係1998年有兩個觀測膨脹速度嘅組[注釋 1]發表話宇宙喺誕生後大約70億年開始加速膨脹，未來模型就要改寫。令到宇宙加速膨脹嘅動力仲係個謎，暫時叫做暗能量。之後視乎暗能量嘅數量會點樣變化，就有兩個模型。如果暗能量繼續增加，膨脹一直加速到無限大，宇宙就會被撕裂到基本粒子嘅程度然後終結。呢個叫做大撕裂。如果暗能量引起嘅膨脹唔會去到無限大，宇宙就可能會慢慢繼續膨脹但係唔會崩潰[23]。
宇宙入面嘅距離
[編輯]講天文距離通常會用光年，但係講銀河團之間嘅距離或者宇宙結構嘅時候，有時會用百萬秒差距 (Mpc)。一百萬秒差距等於326萬光年。
- 考慮宇宙膨脹嘅最大可觀測距離（共動距離）：14000 Mpc
- 表面上嘅最大可觀測距離：4200 Mpc
- 各類星體嘅距離：600到4000 Mpc
- 武仙座同北冕座大牆嘅大細：3000 Mpc
- 雙魚座同鯨魚座超星系團複合體嘅總長度：300 Mpc
- 去到夏普利超星系團嘅距離：200 Mpc
- 去到后髮座星系團嘅距離：90 Mpc
- 去到大吸引子嘅距離：68 Mpc
- 去到半人馬座星系團嘅距離：48 Mpc
- 宇宙晴朗化嗰陣嘅大細（可觀測宇宙嘅直徑）：25 Mpc
- 去到室女座星系團嘅平均距離：20 Mpc
- 去到仙女座星系嘅距離：0.7 Mpc
- 銀河系嘅直徑：0.03 Mpc
- 哈勃常數：67 km/s/Mpc
喺室女座超星系團隔籬嘅超星系團係水蛇座半人馬座超星系團，兩個都好近。
類星體係天體入面最光嘅，但係因為佢哋多數喺宇宙年輕嗰陣（20到30億歲左右）形成，所以睇落好遠。（睇遠嘅天體就係睇緊以前嘅事）
武仙座同北冕座大牆係目前觀測到最大嘅宇宙大型結構。
以后髮座星系團做核心嘅后髮座超星系團都係室女座超星系團隔籬嘅超星系團，不過佢哋屬於唔同嘅絲狀結構。后髮座超星系團係后髮座牆嘅中心部分。
將哈勃定律用喺室女座星系團度，就係 20 Mpc × 67 km/s/Mpc = 1340 km/s，即係話室女座星系團以 1340 km/s 嘅速度遠離我哋。喺呢度減去室女座星系團引力令到銀河系向室女座方向靠近嘅速度 185 km/s，就可以得出實際嘅相對速度1155km/s。
夏普利超星系團係喺拉尼亞凱亞超星系團隔籬嘅超星系團。
宇宙嘅歷史
[編輯]注釋
[編輯]疏仕
[編輯]- ↑ Merriam-Webster, definition of cosmos.
- ↑ 廣辭苑第六版【宇宙】
- ↑ Merriam-Webster, definition of universe.
- ↑ 〈宇宙〉。《トクする日本語》。日本放送協會。2014-09-24。原著喺2014-10-20歸檔。喺2014-09-25搵到。
- ↑ フジテレビトリビア普及委員会 (2004)。《トリビアの泉〜へぇの本〜 5》。講談社。
- ↑ Sanz Fernández de Córdoba, S. (2004-06-21). "100km altitude boundary for astronautics". www.fai.org. FAI. 喺2022-01-28搵到.
- ↑ Sanz Fernández de Córdoba 2004, The Karman separation line: Scientific significance.
- ↑ de Gouyon Matignon, Louis (2019-12-24). "Why does the FAA uses 50 miles for defining outer space?". www.spacelegalissues.com. Space Legal Issues. 原著喺2022-01-28歸檔. 喺2022-01-28搵到.
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- ↑ Famous Space Pillars Feel the Heat of Star's Explosion.
- ↑ Frieman, Joshua A.; Turner, Michael S.; Huterer, Dragan (2008-09-01). "Dark Energy and the Accelerating Universe". Annual Review of Astronomy and Astrophysics (英文). 46 (1): 385–432. doi:10.1146/annurev.astro.46.060407.145243. ISSN 0066-4146.
- ↑ "Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Final Maps and Results" (PDF). 喺2013-01-29搵到.
- ↑ Britt RR (2003-01-03). "Age of Universe Revised, Again". space.com. 喺2007-01-08搵到.
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- ↑ 16.0 16.1 16.2 16.3 荒舩，pp. 22-23，星同銀河淨係佔宇宙嘅5%咋
- ↑ "Planck reveals an almost perfect Universe". ESA. 2013-03-21. 喺2013-07-07搵到.
- ↑ 《徹底圖解 宇宙嘅結構》，新星出版社，2006年，p39
- ↑ 19.0 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7 19.8 引用錯誤 無效嘅
<ref>標籤；無文字提供畀叫做Ara8嘅參照 - ↑ 荒舩，pp. 16-17，大爆炸膨脹後嘅宇宙成長
- ↑ 21.0 21.1 21.2 荒舩，pp. 14-15，大爆炸之前都有宇宙
- ↑ 「宇宙係點樣誕生嘅？」（國立天文台）
- ↑ 23.0 23.1 荒舩，pp. 18-19，宇宙嘅命運有三種可能
