宇宙是如何形成的？

“宇宙”壹詞大概源於中國古代(約公元前468-376年)著名哲學家墨子。他用“於”來指東西南北四面八方的空間，“周”來指從古至今的時間。合在壹起，指世間萬物，無論大小遠近；是過去、現在還是未來；是認可，還是不認可...簡而言之，壹切就是壹切。從哲學的角度來看。人們認為宇宙無始無終，沒有盡頭。但是，我們不打算深入討論這個深奧的概念，還是留給哲學家去研究吧。我們不妨瞇著眼睛，用我們現有的科學技術來談論物質現象的總和。廣義上是指物質世界的無限變化和永恒發展，狹義上是指某個時代觀測到的最大天體系統。後者通常被稱為哈勃體積，我們的宇宙，現在相當於天文學上的“主星系”。詞源考察宇宙壹詞最早出現在中國古籍中是由莊子的齊物論。“於”的意思包括各個方向，比如東西南北的所有地方。“周”包括過去、現在、白天和黑夜，即所有不同的具體時間。戰國末期，士教曰:“四方上下，過去即現在。”“於”是指空間，“周”是指時間，“宇宙”是時間和空間的統壹。後來“宇宙”壹詞被用來指代整個客觀現實世界。相當於宇宙的概念有“天地”、“乾坤”、“六合”，但這些概念只是指宇宙的空間方面。《管子》中的“周和”是指時間，“和”是指空間，是最接近“宇宙”的概念。在西方，宇宙這個詞英文叫cosmos，俄文叫кocMoc，德文叫kosmos，法文叫cosmos。都源於希臘語κoσμoζ。古希臘人認為宇宙的創造是為了從混沌中產生秩序，κoσμoζ的本意是秩序。但在英語中，更常用來表示“宇宙”的單詞是universe。這個詞和universitas有關。在中世紀，人們把大學稱為壹群朝著同壹個方向和目標行動的人。從最廣泛的意義上來說，universitas也是指由壹切現成事物構成的統壹整體，即宇宙。宇宙和宇宙往往表達相同的意思，但區別在於前者強調物質現象的總和，後者強調整個宇宙的結構或構造。宇宙概念的發展宇宙結構概念的發展在古代，人們對宇宙結構的認識處於非常幼稚的狀態，通常會根據生活環境對宇宙結構做出幼稚的推測。中國西周時期，生活在中國大地上的人們提出了早期的遮天理論，認為天像壹個鍋，倒放在平地上；後來發展到後來的遮天論，認為地球的形狀也是拱形的。公元前7世紀，巴比倫人認為天空和地球是拱形的，地球周圍是海洋，山在中心。古埃及人把宇宙想象成壹個大盒子，天空是蓋子，地球是底部，尼羅河是地球的中心。古印度人想象圓盤狀的地球丟在幾頭大象身上，而大象站在巨大的烏龜背上。公元前7世紀末，古希臘的泰勒斯認為地球是壹個漂浮在水面上的巨大圓盤，上面覆蓋著拱形的天空。是古希臘人首先意識到地球是球形的。公元前6世紀，畢達哥拉斯從美學角度出發，認為最美的立體圖形是球形的，主張天體和我們居住的地球都是球形的。這個觀念後來被很多古希臘學者繼承，但直到1519 ~ 1522年葡萄牙的F·麥哲倫率領探險隊完成了第壹次環球航行，地球是球形的這個觀念才最終得到確認。公元2世紀，托勒密提出了完整的地心說。這種理論認為，地球在宇宙中心是靜止不動的，月球、太陽、行星和最外層的恒星都在以不同的速度圍繞地球旋轉。為了解釋行星視運動的不均勻性，他還認為行星在這壹輪繞其中心旋轉，而這壹輪的中心則沿著均勻的輪子繞地球旋轉。地心說在歐洲流傳了1000多年。1543年，n .哥白尼提出了科學的日心說，認為太陽位於宇宙的中心，地球是壹顆普通的行星，以圓形軌道圍繞太陽運行。1609年，J·開普勒揭示了地球和行星以橢圓軌道圍繞太陽旋轉，發展了哥白尼的日心說。同年，G·伽利略率先用望遠鏡觀測天空，用大量觀測事實證實了日心說的正確性。1687年，我牛頓提出萬有引力定律，深刻揭示了行星圍繞太陽運動的力學原因，給了日心說堅實的力學基礎。之後，人們逐漸建立了太陽系的科學概念。在哥白尼的宇宙形象中，恒星只是最外層星空中的光點。1584年，g .布魯諾大膽地取消了這層恒星天空，認為恒星是遙遠的太陽。18世紀上半葉，由於E哈雷對恒星的自我發展和J布拉德利對恒星遙遠距離的科學估計，布魯諾的推測被越來越多的人認可。18世紀中期，T. Wright、I. Kant和J. H. Lambert推測覆蓋整個天空的恒星和星系構成了壹個巨大的天體系統。赫歇爾(F. W. Herschel)首先用抽樣統計的方法，用望遠鏡統計了天空中大量選定區域的恒星數量以及亮星與暗星的比例。1785年，首次獲得了輪廓不均勻、以太陽為中心的銀河系扁平結構圖，從而奠定了銀河系概念的基礎。在接下來的壹個半世紀裏，在H. shapley發現太陽不在銀河系中心，J. H. Oort發現銀河系的自轉和旋臂，很多人測量了銀河系的直徑和厚度之後，銀河系的科學概念才最終確立。18世紀中期，康德等人還提出，在整個宇宙中，有無數個像我們這樣的天體系統(指銀河系)。當時看起來像雲的“星雲”很可能就是這樣壹個天體系統。此後經歷了170年的曲折探索過程。直到1924年，E.P .哈勃用造父視差法測量仙女座大星雲的距離，才證實了河外星系的存在。半個世紀以來，通過對河外星系的研究，人們不僅發現了星系團、超星系團等更高級別的天體系統，還將我們的視野拓展到了遠至200億光年的宇宙深處。宇宙演化的概念是在中國發展起來的。早在西漢時期，《淮南子·鎮訓》就指出:“有始有終，有始有終，有夫有始。”它認為世界有它的開放時間，有它的預開放時期，有它的預開放時期。《淮南子·田字荀》還具體地勾勒了世界從無形的物質狀態到混沌狀態再到天地萬物的生成和演變的過程。在古希臘，也有類似的觀點。例如，留基伯提出，由於原子在真空中的旋轉運動，輕物質逃逸到外層空間，而其余的物質構成了球形天體，從而形成了我們的世界。太陽系的概念確立後，人們開始從科學的角度探索太陽系的起源。1644年，R·笛卡爾提出了太陽系起源的渦旋理論；1745年，G.L.L .布豐提出了壹個太陽系起源的理論，這個理論是由大彗星和太陽的碰撞引起的。1755和1796年，康德和拉普拉斯分別提出了太陽系起源的星雲學說。探索太陽系起源的現代新星雲理論是在康德-拉普拉斯星雲理論的基礎上發展起來的。1911年，E. hertzsprung建立了該星系團的第壹張彩色星等圖；1913年，H.N .羅素畫出了恒星的光譜-光度圖，即赫羅圖。在獲得這張星圖後，羅素提出了恒星從紅巨星開始，先收縮到主序，再沿著主序下滑，最後變成紅矮星的恒星演化理論。1924年，A.S .愛丁頓提出了恒星的質量-光度關系；從1937到1939，C.F .魏茨澤克和貝特揭示了恒星的能量來源於氫聚變為氦的核反應。這兩個發現導致了對羅素理論的否定，誕生了恒星演化的科學理論。星系起源的研究起步較晚。目前普遍認為，它是在我們宇宙形成的後期，由原始星系演化而來。1917年，a .愛因斯坦利用他新創立的廣義相對論，建立了宇宙的“靜態、有限、無界”模型，奠定了現代宇宙學的基礎。1922年，G.D .弗裏德曼發現，根據愛因斯坦的場方程，宇宙不壹定是靜止的，而是可以膨脹或振蕩的。前者對應開放的宇宙，後者對應封閉的宇宙。在1927年，g .勒邁特還提出了壹個膨脹的宇宙模型。1929年，哈勃發現星系的紅移與其距離成正比，建立了著名的哈勃定律。這壹發現是對宇宙膨脹模型的有力支持。20世紀中期，G·加莫夫等人提出了熱大爆炸的宇宙學模型，他們還預言，根據這個模型，我們應該能夠觀測到太空中的低溫背景輻射。1965年微波背景輻射的發現證實了伽莫夫等人的預言。此後，很多人把大爆炸宇宙模型作為標準宇宙模型。1980年，美國的Gus在大爆炸宇宙模型的基礎上進壹步提出了暴漲宇宙模型。這個模型可以解釋目前已知的大部分重要觀測事實。當代天文學的研究成果表明，宇宙是壹個具有層次結構、物質形態多樣、不斷運動發展的天體系統。等級行星是最基本的天體系統。太陽系有九大行星:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星。除了水星和金星，所有其他行星都有衛星圍繞它們運行。地球有壹顆衛星——月球，土星衛星最多，已確認17顆。行星、小行星、彗星和流星體都圍繞著中心天體太陽旋轉，形成了太陽系。太陽占太陽系總質量的99.86%，直徑約654.38+0.4萬公裏，最大行星木星直徑約654.38+0.4萬公裏。太陽系的大小約為6543.8+02億公裏。有證據表明在我們的太陽系之外還有其他行星系統。2500億顆類太陽恒星和星際物質構成了壹個更大的天體系統——銀河系。銀河系中大部分的恒星和星際物質都集中在壹個扁圓形的空間裏，從側面看像個鐵餅，從正面看像個漩渦。銀河系直徑約654.38+百萬光年，太陽位於銀河系的壹個旋臂中，距離銀河系中心約3萬光年。銀河系之外還有很多類似的天體系統，稱為河外星系，也就是我們常說的星系。據觀察，大約有10億。星系也聚集成大大小小的群體，稱為星系團。平均每個星團有100多個星系，直徑數千萬光年。已經發現了成千上萬個星系團。由包括銀河系在內的約40個星系組成的小星系團稱為本星系團。多個星系團聚集在壹起，形成壹個更大更高級別的天體系統，稱為超星系團。超星系團往往具有扁平的形狀，其長直徑可達數億光年。通常情況下，超星系團只包含幾個星系團，只有幾個超星系團有幾十個星系團。由本星系團和附近大約50個星系團組成的超星系團稱為局部超星系團。目前，天文觀測範圍已經擴展到200億光年的廣闊空間，稱為總星系。天體的多樣性千差萬別，宇宙中的物質五花八門。在太陽系的天體中，水星和金星的表面溫度約為700K，遙遠的冥王星朝向太陽的溫度最高只有50 K。金星表面覆蓋著濃密的二氧化碳大氣和硫酸雲，氣壓在50個大氣壓左右，而水星和火星表面大氣極其稀薄，水星的大氣壓甚至不到2×10-9毫巴。類地行星(水星、金星和火星)都有壹個固體表面，而類木行星是流體行星。土星的平均密度為0.70g/cm3，比水的密度小；木星、天王星和海王星的平均密度略大於水，而水星、金星和地球的密度是水的5倍以上；大多數行星正向旋轉，而金星反向旋轉。地球表面生機勃勃，而其他星球則是壹片空曠荒涼的世界。太陽是恒星世界中常見而典型的恒星。人們發現，壹些紅巨星的直徑是太陽的幾千倍。中子星的直徑只有太陽的幾萬倍；超巨星的光度高達太陽的幾百萬倍，而白矮星的光度不到太陽的幾十萬倍。紅色超巨星的密度小至水的百萬分之壹，而白矮星和中子星的密度可分別高達水的10萬倍和1000億倍。太陽表面溫度約6000K，O星表面溫度30000K，紅外星表面溫度只有600 K左右..太陽的平均磁場強度為1×10-4特斯拉，壹些磁性白矮星的磁場通常為幾千或幾萬高斯(1高斯= 10-4特斯拉)，而脈沖星的磁場強度可高達10萬億高斯。有些恒星光度基本不變，有些則不斷變化，稱為變星。有些變星有周期性的光度變化，從1小時到幾百天不等。壹些變星的光度變化是突然的，其中變化最劇烈的是新星和超新星，它們的光度可以在幾天內增加數萬倍甚至上億倍。恒星往往聚集成雙星或星團，可能占恒星總數的1/3。還有幾十顆、幾百顆甚至幾十萬顆恒星的星團。宇宙物質不僅以致密的形式形成恒星和行星，還以彌散的形式形成星際物質。星際物質包括星際氣體和塵埃，平均每立方厘米只有壹個原子，在高度密集的地方形成各種不同形狀的星雲。宇宙中除了發出可見光的恒星和星雲，還有紫外天體、紅外天體、X射線源、伽馬射線源和射電源。星系可分為橢圓星系、螺旋星系、棒狀螺旋星系、透鏡星系和不規則星系。20世紀60年代發現了許多河外天體，它們正在經歷爆炸或拋出巨量物質，統稱為活動星系，包括各種射電星系、賽弗特星系、N型星系、馬卡裏恩星系、布特斯BL型天體、類星體等。許多星系核都有大規模的活動:速度為每秒幾千千米的氣流，總能量為65，438+0，055焦耳的能量輸出，大質量和粒子的噴射，強烈的光變化等等。宇宙中存在各種極端物理狀態:超高溫、超高壓、超高密度、超真空、超強磁場、超高速運動、超高速旋轉、超大規模時空、超流性、超導性等等。它為我們了解客觀物質世界提供了理想的實驗環境。運動和發展宇宙中的天體處於永恒的運動和發展中，天體的運動形式多種多樣，如自轉、自身空間運動(局部運動)、繞系統中心公轉和參與整個天體系統的運動等。月亮壹方面繞著地球轉，同時也跟著地球繞著太陽轉。太陽壹方面自轉，壹方面以20 km/s的速度向五賢方向運動，同時以250 km/s的速度帶著整個太陽系繞銀河系中心運行壹周，大約需要2.2億年，銀河系也在自轉，同時相對於鄰近星系運動。局部超星系團也可能在膨脹和旋轉。銀河系也在膨脹。現代天文學揭示了天體的起源和演化。當代關於太陽系起源的理論認為，太陽系很可能是50億年前銀河系中的壹團塵埃氣體(原始太陽星雲)由於引力收縮而形成的(見《太陽系起源》)。恒星由星雲產生，其生命經歷了引力收縮階段、主序階段、紅巨星階段、晚期和垂死階段。星系的起源與宇宙的起源密切相關。流行的觀點是，大爆炸後40萬年，溫度下降到4000K，宇宙從輻射主導的時期轉變為物質主導的時期。此時，由於密度波動引起的引力不穩定性或宇宙湍流的作用，原星系逐漸形成，進而演化為星系團和星系。大爆炸的宇宙模型描述了我們宇宙的起源和演化歷史:我們的宇宙起源於200億年前的壹次大爆炸，當時溫度極高，密度極高。隨著宇宙的膨脹，經歷了從熱到冷，從稠密到稀薄，從以輻射為主到以物質為主的演化過程，直到1 ~ 20億年前才進入大規模星系形成階段，然後逐漸形成了我們今天看到的宇宙。1980提出的暴漲宇宙模型是對熱大爆炸宇宙模型的補充。它認為在宇宙非常早期，大約在我們宇宙誕生後的10-36秒，經歷了壹個暴漲階段。宇宙概念的哲學分析壹些宇宙學家認為我們的宇宙是唯壹的宇宙；大爆炸不是在空間的任何壹點爆炸，而是整個宇宙本身的爆炸。但新提出的暴脹模型表明，我們的宇宙只是整個暴脹區域的極小壹部分，暴脹後的區域尺度大於1026 cm，而當時我們的宇宙只有10 cm。也有可能這個暴漲的區域是從混沌狀態開始的更大物質系統的壹部分。這種情況就像科學史上人類認識從太陽系宇宙擴展到星系宇宙再到大尺度宇宙壹樣。今天的科學正試圖把人類的認識進壹步推向壹些探索“暴漲的宇宙”和“不規則的混沌宇宙”。我們的宇宙不是唯壹的宇宙，而是壹個更大的物質系統的壹部分。大爆炸不是整個宇宙本身的爆炸，而是那個更大的物質系統的壹部分的爆炸。因此，有必要區分哲學和自然科學。宇宙的哲學概念反映了無限多樣和不斷發展的物質世界；自然科學中的宇宙概念，涉及到某個時代人類觀測到的最大的天體系統。宇宙的兩個概念是壹般和個別的關系。隨著自然科學中宇宙概念的發展，人們對無限宇宙的認識會逐漸加深和接近。認清這兩種宇宙概念的區別和聯系，對於堅持馬克思主義宇宙無限論，反對宇宙有限論、神創論、機械論、不可知論、哲學替代論和取消論，具有積極意義。宇宙的創造壹些宇宙學家認為，對膨脹模型最激進的改革可能是觀察到宇宙中所有的物質和能量都是從無到有產生的。這個觀點之前不被人們接受是因為有很多守恒定律，尤其是重子數守恒和能量守恒。但隨著大統壹理論的發展，重子數可能是不守恒的，宇宙中的引力能大致可以說是負的，精確地抵消了非引力能，總能量為零。所以不存在已知守恒定律阻止從無到有觀察宇宙演化的問題。這種“無中生有”的觀點在哲學上包括兩個方面:①本體論。認為“無”就是絕對的虛無是錯誤的。這不僅違背了人類已知的科學實踐，也違背了暴脹模型本身。根據這個模型，我們研究的觀測宇宙只是整個暴漲區域的壹小部分，在觀測宇宙之外並不是絕對的“壹無所有”。目前觀察宇宙的物質是由假真空狀態釋放的能量轉化而來的。這種真空能量只是物質和能量的壹種特殊形式，並不是從絕對的“無”中創造出來的。如果進壹步說，這種真空能量來源於“無”，那麽整個觀測宇宙歸根結底來源於“無”，那麽這種“無”只能是壹種未知形式的物質和能量。②認識論和方法論。暴脹模型中涉及的宇宙概念是自然科學中的宇宙概念。再龐大的宇宙，作為壹個有限的物質系統，也有其產生、發展、消亡的歷史。暴脹模型將傳統的大爆炸宇宙學和大統壹理論結合起來，認為觀測到的宇宙中物質和能量的形式不是永恒的，應該研究它們的起源。它把“虛無”看作是未知的物質和能量形式，把“虛無”和“存在”看作是壹對邏輯範疇，討論了我們的宇宙是如何從“虛無”——壹種未知的物質和能量形式，變成“存在”——壹種已知的物質和能量形式的，在認識論和方法論上有壹定的意義。時空的起源有人認為時空不是永恒的，而是從壹種沒有時空的狀態中產生的。根據現有的物理理論，在小於10-43秒和10-33厘米的範圍內，沒有“時鐘”和“尺子”來測量，所以時間和空間的概念是無效的，是壹個沒有時間和空間的物理世界。這種認為已知時空形式有其適用邊界的觀點是完全正確的。正如歷史上牛頓的時空觀發展為相對論的時空觀壹樣，今天，隨著科學實踐的發展，建立新的時空觀是必然的。由於廣義相對論在宇宙大爆炸後10-43秒內失效，必須考慮引力的量子效應，所以有人試圖通過時空的量子化來探索已知時空形式的起源。這些工作都是有益的，但絕不能因為人類時空觀念的發展或現有科技水平無法衡量新的時空形式，就否定時空作為物質存在形式的客觀存在。自20世紀60年代以來，由於人擇原理的提出和討論，出現了人類存在與宇宙的關系。根據人擇原理，可能存在許多物理參數和初始條件不同的宇宙，但只有具有特定物理參數和初始條件的宇宙才能進化為人類，所以我們只能看到壹個允許人類存在的宇宙。人擇原理用人類的存在來約束過去可能存在的初始條件和物理規律，減少它們的任意性，解釋壹些宇宙現象，在科學方法論上有壹定的意義。但有人提出，宇宙的創造依賴於作為觀察者的人類的存在。這種觀點值得商榷。現在根據暴脹模型，那些被傳統大爆炸模型作為初始條件的狀態，可能是從非常早期的宇宙演化中出現的，宇宙的演化幾乎變得與初始條件的壹些細節無關。這樣，上述利用初始條件的難度來否定宇宙客觀存在的觀點就失去了基礎。但也有人認為，由於暴漲帶來的巨大距離尺度，不可能觀測到宇宙整體的結構。這種擔心是有原因的，但如果暴脹模型是正確的，隨著科學實踐的發展，將有可能突破人類認識上的困難。我們所能理解和觀察到的宇宙被稱為“我們的宇宙”或“總星系”。根據最新的觀測數據，人們觀測到的最遠星系是654.38+03億光年。也就是說，如果以每秒30萬公裏的速度從星系中發射出壹束光，需要6543.8+03億年才能到達地球。這個6543.8+03億光年的距離，就是我們今天所知道的宇宙範圍。更具體的說，我們今天所知道的宇宙，或者說它的大小，是壹個以地球為中心，以654.38+03億光年的距離為半徑的球形空間。當然，地球並不是真的宇宙中心，宇宙也不壹定是球體。只是限於我們目前的觀察能力，只能了解到這個程度。在這個半徑為13億光年的球形空間中，已經被發現和觀測到的星系大約有125億個，每個星系都有數百到數萬億顆類似太陽的恒星。所以只要做壹道簡單的數學題，妳就不難知道我們觀測到的宇宙中有多少顆恒星。在如此浩瀚的宇宙中，地球真的是滄海壹粟，微不足道。