首先，我們需要知道宇宙是什麽。宇宙是萬物的總稱，是時間和空間的統壹。宇宙是壹個物質世界，不以人的意誌為轉移而客觀存在，處於不斷的運動和發展之中。它在時間上沒有起點或終點，在空間上也沒有邊界或終點。宇宙是多樣統壹的；物質表現形態的多樣性；統壹性在於它的物質性。宇宙是由空間、時間、物質和能量組成的統壹體。
宇宙的起源是壹個極其復雜的問題。宇宙是壹個物質世界，它處於不斷的運動和發展之中。幾千年來，科學家們壹直在探索宇宙是何時以及如何形成的。時至今日，仍有許多科學家認為宇宙是由大約6543.8+037億年前的壹次大爆炸形成的。宇宙中儲存的物質和能量聚集在壹起，凝聚成極小的體積，溫度和密度極高，瞬間產生巨大的壓力，然後就有了大爆炸。這種大爆炸的反應原理被物理學家稱為量子物理學。大爆炸使物質分散，空間不斷膨脹，溫度相應下降。後來，它出現在所有的星系、恒星、行星甚至宇宙中的生命中。
在哈勃體積之外
在某些方面，我們可以肯定地說，宇宙之外還有更多宇宙。天文學家認為空間是無限的，宇宙之外的空間和可觀測的宇宙壹樣充滿了能量和星系。如果是這樣的話，那麽宇宙之外存在什麽就成了壹個非常奇怪的問題。
除了哈勃的大小，妳不僅會發現更多不同的行星——妳可以看到任何東西(見42)。是啊，任何事情。如果妳看得足夠遠，妳會看到另壹個宇宙的妳。他今天早餐吃燕麥片而不是雞蛋。妳會看到另壹個沒吃早餐的妳。妳會看到黎明前起床搶劫銀行的妳。事實上，宇宙學家認為，如果妳看得足夠遠，妳將進入另壹個哈勃體積——我們生活的宇宙的完美復制品。在10188米外的另壹個宇宙裏，有壹個和妳壹模壹樣的人在做著壹模壹樣的事情。這聽起來不太可能，但無窮大的概念甚至比無窮大本身更無窮大。[第頁]
暗流星系團
2008年，天文學家發現宇宙中的物質團塊似乎在以非常高的速度向同壹個方向運動，這是可見宇宙中任何引力模型都無法解釋的。時速達到200萬英裏(321.8萬公裏)。2010新的觀測結果證實了這個現象——暗流。這種物質運動挑戰了所有關於大爆炸後宇宙中物質總體分布的預測。可能的原因之壹:哈勃體積之外的巨大質量結構對宇宙產生的引力效應。這意味著在我們的觀測範圍之外的無限宇宙中存在著不確定的結構。這些結構可能以任何形式出現，它們可能是壹大塊物質和能量的結合體，其體積超出人類的想象，也可能是來自其他宇宙的奇怪的彎曲漏鬥狀引力。
宇宙是無限的氣泡。
畢竟哈勃體積之外的宇宙還是宇宙，只是我們看不到而已。這些地方遵循著和我們觀測到的宇宙壹樣的物理定律和常數。自BIGBANG以來，宇宙壹直在膨脹，這將導致太空中出現泡沫。每個泡泡裏面都是壹個停止膨脹的宇宙，每個泡泡都有自己的物理定律。這個理論認為宇宙是無限的，氣泡本身也是無限的(妳可以從壹個無限集合中選擇壹個無限的數，或者把它包含在這個無限集合中)。就算妳能逃出泡泡的邊界，泡泡外的空間還在膨脹，妳再怎麽追也無法探索其他泡泡。[第頁]
黑洞孕育宇宙學
物理學家李·斯莫林提出了壹個新的理論，即我們宇宙中的每個黑洞都會創造壹個新的宇宙。而且每個新宇宙的物理規律都和之前的宇宙略有不同。斯莫林提出了自然選擇的宇宙觀。如果某些物理定律能更頻繁地產生黑洞，就能創造出更多的宇宙。同時，沒有黑洞的宇宙只能等死。
有很多平行宇宙。
關於平行宇宙的理論太多了。在目前最被接受的理論中，有壹個是弦理論的進化版本:人們認為有幾個膜在其他維度振動。簡單來說，這些在11維度振動的蕩漾膜，就是我們宇宙之外的其他宇宙。漣漪運動效應可以幫助解釋觀測宇宙的物質分布。這個理論認為引力是特殊的，因為它從其他維度的其他宇宙漏到我們維度的這個宇宙。這也可以解釋為什麽引力與其他基本力相比如此微弱。
宇宙有多大？？
想知道宇宙有多大，請試著在妳面前放壹枚硬幣。假設這枚小硬幣是我們的太陽，那麽另壹枚代表最近恒星的硬幣:比鄰星應該放在大約563公裏以外。對於生活在中國的讀者，比如上海的讀者，這第二枚硬幣幾乎會放在山東或者安徽省，而對於壹些小國的居民，這枚硬幣可能已經放在國外了。[第頁]
這只是太陽和最近的恒星。當妳試圖模擬更大的空間時，就會麻煩很多。比如相對於妳的硬幣太陽，銀河系的直徑會是1200萬公裏左右，相當於地月距離的30倍。如妳所見，宇宙的尺度是驚人的，幾乎不可能用我們生活中熟悉的距離尺度來衡量。
但這並不意味著測量宇宙的夢想遙不可及。天文學家在長期的工作和研究中發現了壹些測量宇宙尺度的有效方法。下面我們將向您展示相關內容:
1宇宙的規模
宇宙的尺度我們並不生活在宇宙的中心，但我們確實生活在哈勃體積的中心，壹個直徑約為930億光年的球體。
這個星球上沒有人知道宇宙有多大。它可能是無限的，或者它確實有某種邊界，這意味著如果妳旅行足夠長的時間，妳最終會回到妳開始的地方，就像在地球上壹樣，類似於在球體表面旅行。
科學家們對宇宙的具體形狀和大小數據意見不壹，但至少他們可以在壹點上非常精確地計算，那就是我們能看多遠。真空中的光速是壹個常數。既然宇宙誕生至今已經654.38+037億年左右，這是否意味著我們只能看到654.38+037億光年最遠的地方？
答案是錯誤的。宇宙最奇怪的特性之壹是它在不斷膨脹。而且這種膨脹幾乎可以以任何速度進行——甚至比光速還快。這意味著我們能觀測到的最遠的天體實際上比它們實際上要近得多。隨著時間的推移，由於宇宙的整體膨脹，所有的星系都會離我們越來越遠，直到最後給我們留下壹片虛無的空間。
奇怪的是，結果我們的觀察能力居然被“增強”了。事實上，我們能觀測到的最遠星系距離我們460億光年。我們並不生活在宇宙的中心，但我們確實生活在哈勃體積的中心，壹個直徑約為930億光年的球體。[第頁]
充滿了星系。
這張照片是美國國家航空航天局·哈勃太空望遠鏡獲得的最深圖像之壹，也是美國國家航空航天局·哈勃太空望遠鏡獲得的最深圖像之壹。
這張照片是美國國家航空航天局哈勃太空望遠鏡獲得的最深的圖像之壹。科學家們將哈勃望遠鏡長時間瞄準天空中的壹個小區域——長達數月，盡可能多地捕捉每壹個微弱的光點。上圖是局部放大，完整圖像是下圖，包含10000個星系。從局部放大，可以看到壹些星系的細節。
完整的圖像，完整的圖像
當妳看著這些遙遠的星系時，妳可能沒有意識到妳正在看著遙遠的過去。妳看到的所有星系都是6543.8+03億年前的樣子，那幾乎是時間的盡頭。如果妳更喜歡對太空的描述，那麽這些星系距離我們有300億光年。
宇宙在不斷膨脹，但與此同時，科學家對宇宙尺度的測量精度也在不斷提高。他們很快發現了壹種極好的方法來描述宇宙中遙遠物體之間的距離。隨著宇宙的膨脹，光在宇宙中傳播的波長會被拉長，就像橡皮筋被拉長壹樣。光是壹種電磁波。對它來說，更長的波長意味著接近光譜中的紅波段。所以天文學家用“紅移”這個詞來描述天體之間的距離。簡單來說，就是描述光束從天體發出後，在空間經歷了多大的膨脹和拉伸。天體越遠，當然光波在傳播過程中波長被拉長越多，光線就越紅。
如果用這種描述方法，妳可以說這些遙遠星系之間的距離大約是紅移值Z=7.9，天文學家馬上就明白妳說的距離尺度是什麽意思了。[第頁]
最遠的天體
最遠的天體，最遠的天體
這張圖像中間不顯眼的紅色模糊點其實是壹個星系，是人類迄今觀測到的最遠天體。這張照片是由美國國家航空航天局的哈勃太空望遠鏡拍攝的。這個星系只存在於4.8億年前的大爆炸中。
這個星系的紅移值約為10，相當於距離地球315億光年。看起來這個星系似乎很孤獨，周圍也沒有發現同時期的星系。這與大爆炸後約6.5億年的情況形成鮮明對比，在此期間，天文學家發現了約60個星系。這說明雖然這短短的兩億年對於宇宙來說只是壹眨眼的時間，但正是在這短暫的時間內，大量的小星系聚集起來形成了大星系。
但這裏需要指出的是，天文學家尚未完全確認這個天體的距離值，這意味著它的實際距離可能比現在想象的更近。在美國國家航空航天局下壹代詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發射取代哈勃望遠鏡之前，科學家們將不得不在數據不足的情況下對其進行估算。[第頁]
最遠的距離
最遠的距離，最遠的距離
天文學家能觀測到的最遠的光被稱為宇宙微波背景輻射(CMB)。這些是到達地球的最古老的光子，它們幾乎在大爆炸發生的那壹刻誕生。在大爆炸後的短時間內，宇宙非常小，所以它相當擁擠，物質密度太大，光無法長距離傳播。
但在宇宙誕生約38萬年後，宇宙第壹次變得足夠大，光可以自由傳播。此時發出的光是我們今天能觀測到的最古老的光，是宇宙的第壹縷曙光；它存在於宇宙的每個方向，無論妳把望遠鏡指向哪個方向，都可以觀測到它的存在。宇宙微波背景輻射就像壹堵墻。只能盡量看到墻這邊的風景，沒有辦法穿越。
那麽這些最初的宇宙光是如何變成微波的呢？這還是因為宇宙的膨脹。隨著宇宙的膨脹，當時發出的光波波長逐漸拉長。經過這麽長的時間(654.38+037億年)，它們的波長被拉長到了不可思議的程度。隨著宇宙的膨脹和冷卻，這種輻射的殘余溫度只有大約-270攝氏度，這就是著名的3K背景輻射。這種輻射的分布呈現出驚人的各向同性，差異小於65438+萬分之壹。
而如果有壹天人類終於可以做出高靈敏度的中微子探測器，那麽我們終於可以突破宇宙微波背景輻射的圍墻，看到中微子出現在背後的場景，也就是所謂的“宇宙中微子背景”。與光子不同的是，對於中微子來說，壹般的物質幾乎是透明的，它們可以輕易地穿過地球、太陽甚至整個宇宙。正是因為這個特性，壹旦我們可以解碼中微子中攜帶的信息，我們就可以回到大爆炸後僅僅幾秒鐘的場景。[第頁]
星系5的蝴蝶圖
銀河蝴蝶圖
天文學家觀察宇宙。他們註意到宇宙中星系的分布不是隨機的。由於引力的作用，星系往往會相互靠近，從而形成巨大的集合體，如星系團、超星系團、大規模片狀結構甚至所謂的巨壁。
天文學家開始記錄這些星系在三維空間中的位置，他們很快成功地制作了壹張相對較近範圍內星系的三維分布圖，這是壹個驚人的成就。這些調查大多集中在距離地球70億光年的範圍內，但在這個過程中，他們也發現了許多類星體，它們是宇宙中亮度驚人的奇怪物體，來自早期宇宙，它們的距離可能是70億光年的4倍以上。
在所有這些努力中，斯隆數字巡天(SDSS)可能是最大的。參與這個項目的天文學家已經基本完成了1/3的巡天觀測，並在此過程中記錄了5億多個天體的精確位置信息。本文這裏的地圖來自另壹個巡天項目:6dF星系巡天，這是目前第三大巡天項目。這幅圖像中很多地方缺失的原因是因為銀河系的阻擋，我們無法觀測到很多天空區域。[第頁]
6附近的超星系團
相鄰超星系團
在靠近地球的太空中，天文學家會對它了解更多。我們現在知道在距離地球大約100億光年的地方有壹個超星系團的海洋。這些是由引力聚集在壹起的大量成員星系。
我們的銀河系本身就是室女座超星系團的壹員，這個超星系團位於這幅圖像的中心。在這個巨大的超星系團結構中，我們的星系並沒有什麽特別之處，它只是壹個位於某個角落的普通成員星系。在這個宏偉的結構中占主導地位的是室女座星系團，這是壹個由超過65，438+0，300個成員星系組成的巨大群體，直徑超過5400萬光年。
還有壹個超星系團值得關註，那就是晚星座超星系團，因為它的位置正好在北長城的中心。北方的長城是壹個難以想象的巨型結構，直徑約5億光年，寬度約3億光年。我們銀河系附近最大的超星系團是時鐘超星系團，直徑超過5億光年。[第頁]
7暗物質和暗能量
暗物質和暗能量暗物質和暗能量
這個宇宙的另壹個令人驚訝的事實是，我們根本看不到宇宙中的大部分成分。暗物質是壹種神秘的存在。科學家認為它存在於宇宙各處，只是我們看不見摸不著。它們不與光或任何壹種電磁波相互作用，而光或電磁波是人類探索宇宙的基本工具。但是，它會產生引力，科學家可以通過它對周圍空間產生的引力效應感受到它們的存在。
是的，我們可以感覺到暗物質確實存在。比如我們所在的室女座超星系團，質量是太陽的15倍，但整個超星系團的光度只有太陽的3萬億倍。這意味著室女座超星系團的光度比它的質量應該有的光度小300倍左右。這壹事實很難解釋，但如果我們考慮到存在大量有質量但沒有光的暗物質，這就不足為奇了。
事實上，根據計算結果，宇宙中暗物質的含量是我們通常看到的普通物質的5倍。但是暗物質雖然強大，仍然不足以統治宇宙。真正主宰我們宇宙的力量來自於另壹種神秘物質:暗能量。普通物質和暗物質有壹個* * *共同點，就是都有質量，都對周圍空間產生引力影響。換句話說，它們的功能是聚集物質，減緩膨脹，甚至最終收縮宇宙。然而，當科學家們觀察宇宙，試圖分辨它是在減速還是在收縮時，卻驚恐地發現，事實完全出乎他們的意料——宇宙根本不是在收縮或減速，而是在加速膨脹！毫無疑問，有壹種未知的、異常強大的力量，不僅抵抗了整個宇宙中所有普通物質和暗物質的引力作用，還推動了整個宇宙的加速膨脹。暗能量的發現剛剛被授予今年的諾貝爾物理學獎，但是盡管取得了如此巨大的進步，科學家們仍然不知道暗能量是什麽。現在關於這個學科的理論幾乎等同於“等來等去”，等待未來有更完善的理論來贏得成功解釋暗能量本質的桂冠。[第頁]
8宇宙之網
宇宙之網。
星系巡天的結果顯示，我們的宇宙似乎呈現出“泡泡網”結構。幾乎所有的星系都分布在壹條狹窄的“纖維帶”中，中間有壹個巨大的空洞，天文學上稱之為“巨洞”。這些巨大的洞穴非常巨大，有些直徑可以達到3億光年，裏面幾乎什麽都沒有。但這不是真的，因為那裏雖然看起來什麽都沒有，但實際上充滿了暗物質。
這裏的圖片是壹個計算機模擬結果，顯示了我們的宇宙呈現出壹個光纖網絡結構，在這個結構中，分布著節點、光纖帶和層。這種復雜結構的起源來自宇宙微波背景輻射中的微小波紋，是密度微小變化的體現。隨著宇宙的膨脹，這些微小的高密度區域逐漸吸引更多的物質聚集在其中。這種效應持續了數百億年，結果令人驚嘆——它創造了我們今天看到的宇宙。[第頁]
9測試宇宙模型
測試宇宙模型，測試宇宙模型。
2005年，壹個國際天文學家小組試圖測試現有的宇宙學理論是否正確。他們實施了壹項名為“千年行動”的模擬計劃。在計算機中，他們模擬了邊長為20億光年的立方體空間中的1000億個粒子。如果按照我們現有的理論去作用於它們，是否能得到壹些預期的結果？
在這個模擬實驗中，考慮了普通物質、暗物質和暗能量，從混沌中成功再現了宇宙的大尺度結構，與我們今天觀察到的情況類似。在模擬操作過程中，研究人員目睹了宇宙中大質量黑洞的出現，強大的類星體發出強烈的輻射。模擬結果中還出現了約2000萬個星系。如圖所示，研究人員發現模擬結果產生了壹種與我們觀察到的真實宇宙非常相似的狀態。