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ⓘ 宇宙




                                               

高海拔宇宙线观测站

高海拔宇宙线观测站 (英語: Large High Air Altitude Shower Observatory ,缩写为 LHAASO )是位于中华人民共和国四川省稻城县的宇宙线观测站,是" 十二五”期间启动的国家重大科技基础设施项目,由电磁粒子探测器(ED)阵列、缪子探测器(MD)阵列、水切伦科夫探测器阵列(WCDA)、广角切伦科夫望远镜阵列(WFCTA)等组成。首席科学家为中国科学院高能物理所研究员曹臻。

宇宙
                                     

ⓘ 宇宙

宇宙 是所有時間、空間與其包含的內容物所構成的統一體;它包含了行星、恆星、星系、星系際空間、次原子粒子以及所有的物質與能量, 宇 指空間, 宙 指時間。目前人類可觀測到的宇宙,其距離大約為93 × 10 9 光年(28.5 × 10 9 秒差距),最大為27.160百萬秒差距;而整個宇宙的大小可能為無限大,但未有定論。物理理論的發展與對宇宙的觀察,引領著人類進行宇宙構成與演化的推論。

根據歷史記載,人類曾經提出宇宙學、天體演化學與 科學模型 ,解釋人們對於宇宙的觀察。最早的理論為地心說,由古希臘哲學家與印度哲學家所提出。數世紀以來,逐漸精確的天文觀察,引領尼古拉斯 哥白尼提出以太陽系為主的日心說,以及經約翰內斯 克卜勒改良的橢圓軌道模型;最終艾薩克 牛頓的重力定律解釋了前述的理論。後來觀察方法逐漸改良,引領人類意識到太陽系位於數十億恆星所形成的星系,稱為銀河系;隨後更發現,銀河系只是眾多星系之一。在最大尺度範圍上,人們假定星系的分布 平均 ,且各星系在各個方向之間的距離皆相同,這代表著宇宙既沒有邊緣,也沒有所謂的中心。透過星系分布與譜線的觀察,產生了許多現代物理宇宙學的理論。20世紀前期,人們發現到星系具有系統性的紅移現象,表明宇宙正在膨脹;藉由宇宙微波背景輻射的觀察,表明宇宙具有起源。最後,1990年代後期的觀察,發現宇宙的膨脹速率正在加快,顯示有可能存在一股未知的巨大能量促使宇宙加速膨脹,稱做暗能量。而宇宙的大多數質量則以一種未知的形式存在著,稱做暗物質。

大爆炸理論是當前描述宇宙發展的宇宙學模型。目前主流模型,推測宇宙年齡為 137.99 ± 0.21 億年 。大爆炸產生了空間與時間,充滿了定量的物質與能量;當宇宙開始膨脹時,物質與能量的密度也開始降低。在初期膨脹過後,宇宙開始大幅冷卻,引發第一波次原子粒子的組成,稍後則合成為簡單的原子。這些原始元素所組成的巨大星雲,藉由重力結合起來形成恆星。

目前有各種假說正競相描述著宇宙的終極命運。物理學家與哲學家仍不確定在大爆炸前是否存在任何事物;許多人拒絕推測與懷疑大爆炸之前的狀態是否可偵測。目前也存在各種多重宇宙的說法,其中部分科學家認為可能存在著與現今宇宙相似的眾多宇宙,而現今的宇宙只是其中之一。

                                     

1. 定義

宇宙,定義為「空間與時間的結合」。

根據人們目前的理解,宇宙包含三種連續體:時空、能量型態(包含電磁波,訊息,物質)以及相關的物理定律。宇宙也包括所有的生命、所有的歷史,甚至部分哲學家與科學家認為還包含數學等所有的思想。

                                     

2. 詞源

「宇宙」的來源,可追溯自戰國時期尸佼的著作尸子〈卷下〉篇:「上下四方曰宇,往古来今曰宙。」 首次將宇宙兩字合為一體則是出現於莊子的〈齊物論〉:" 旁日月,挟宇宙”。

宇宙的英語「 universe 」起源於古法語的「 univers 」,而該詞又源自於拉丁語的「 universum 」。 西塞羅與後來的拉丁語作者曾使用過「 universum 」這個詞彙,與現代英語所使用的「 universe 」意義相同。

                                     

2.1. 詞源 同義詞

畢達哥拉斯以降的古希臘哲學家,將宇宙稱做「 τὸ πᾶν 」(一切),定義為一切的物質與空間,而「 τὸ ὅλον 」(一切事物)則不包含空無狀態。另外一個同義詞則是「 ὁ κόσμος 」(意義為世界、宇宙)。拉丁語學者也常使用「 totum 」、「 mundus 」、「 natura 」等詞稱呼宇宙,且影響現今的語言,如德國以「 Das All 」、「 Weltall 」與「 Natur 」稱呼宇宙。英語中也能找到宇宙的同義詞,如「 everything 」(如萬有理論)、「 cosmos 」(如宇宙學)、「 world 」(如多世界詮釋)與「 nature 」(如自然法或自然哲學)。

                                     

3. 大爆炸与年表

當前能解釋宇宙發展的模型為大爆炸理論。大爆炸模型指出,宇宙最早處於溫度與密度極高的狀態中,接著開始膨脹。該模型基於廣義相對論與空間 同質性 、各向同性等簡單推論而來。為了針對宇宙的各種觀察進行說明,科學家使用了包含宇宙學常數與冷暗物質在內的簡單模型,稱做ΛCDM模型。大爆炸模型針對星系間的距離關聯性與紅移現象、氫與氧原子的數目比例、以及微波輻射背景等觀察做出說明。

宇宙初始時的高熱、高密度狀態,稱為普朗克時期;此時期從時間零點到1個普朗克時間單位,需時約10 −43 秒,非常短暫。普朗克時期期間,所有型態的物質與能量都會集中,達到緊緻的狀態;此時科學家相信重力與其他的基本力一樣強大且達成統一的狀態。普朗克時期過後,宇宙開始 膨脹 成現在的型態;也許宇宙在如此短的時間發生暴脹,導致其體積能夠在10 −32 秒內達到非常大的規模。

在普朗克時期與暴脹時期之後,宇宙開始經歷夸克、強子與輕子時期。從大爆炸之後起算,前面所述的這些時期所經歷的時間,總共不超過10秒。

                                     

4. 性質

宇宙的時空通常以歐幾里得的觀點解析,也就是三維空間加上時間維度的「四維空間」。時間與空間可結合成一個流形,稱作閔考斯基時空;物理學家以此簡化了大量的物理理論,並使用更統一的方式,描述包含超星系與次原子層次的宇宙運作機制。

時空的事件並非絕對限定於空間與時間上,而是觀測者的已知相對運動。閔考斯基空間非常接近宇宙的無重力狀態;廣義相對論的偽黎曼流形描述了物質與重力在內的時空。弦理論則假設宇宙存有額外的維度。

在4種基本相互作用中,重力於宇宙中星系與大尺度結構等大規模範圍中,具有主導地位。重力的影響可以累積;相對地,正電荷與負電荷的影響則會相互抵消,使得電磁作用於宇宙大尺度結構中的影響力變低。至於弱相互作用與強交互作用的影響力,則會隨著距離增加而大幅下降,因此它們主要作用於次原子尺度。

宇宙中有著物質比反物質多的現象,這種不對稱可以從CP破壞的觀察中得到。宇宙既沒有動量,也沒有角動量;假設宇宙有限,就會遵循公認的物理定律(分別是高斯定律與 應力-能量-動量贗張量 的非散發型態)。

                                     

4.1. 性質 大小與區域

宇宙的大小目前仍難以界定。根據一種較為嚴謹的定義,宇宙為與自身所繫時空的任何一切,且人們與時空可以互動。根據廣義相對論,宇宙空間中的部分區域可能會因為有限光速與持續的 空間擴展 ,導致在宇宙存在的時間中,永遠無法與人們產生互動。舉例,從地球發出的廣播訊息,即使宇宙永遠存在,可能永遠無法抵達宇宙空間中的部分區域:空間的擴展速度會比光抵達該區域的速度还快。

宇宙空間中較遠的區域,即使人們無法和這些區域互動,但仍會假定這些區域存在,並且是現實的一部份。人們可影響與受影響的空間區域,稱為可觀測宇宙。可觀測宇宙的大小,取決於觀察者的位置。藉由旅行,觀察者可以觀測到更廣大的區域,比起站在定點所觀察到的區域還大。然而,即使是最快的旅行者,仍將無法與所有的宇宙空間互動。一般來說,可觀測宇宙指的是觀察者從銀河系中的有利位置所觀察到的一部份宇宙。

公元100年左右的东汉时代,当时科学家张衡最早提出" 过此而往者,未知或知也。未知或知者,宇宙之谓也”和" 宇之表无极,宙之端无穷”的观点。明确提出由空间和时间构成的宇宙大小是无限的观念。目前关于宇宙是否无限的问题还有争议。如果整个宇宙的空间部分是有限的,那么可以用一个距离来表示。对于均匀各向同性的宇宙来说,这就是三维空间的曲率半径。但是,即使宇宙整体是无限的,宇宙的可观测部分仍是有限的:由于相对论限定光速为宇宙中信息传播的最高速度,如果一个光子从大爆炸开始传播,到今天传播的固有距离为930亿光年,由于宇宙在膨胀,相应的共动距离约为其3倍,具体数值与宇宙学参数有关,这一距离称为今天宇宙的粒子视界。

另一个在物理学数量级估计中常用来表示宇宙大小的距离称为哈勃距离,是哈勃常数的倒数乘以光速,其数值约为1.29×10 26 公尺,也約为138亿光年。科普和科技书籍中所指宇宙的大小常指这个数值。哈勃距离可理解为四维时空的曲率半径。

                                     

4.2. 性質 形狀

廣義相對論描述了時空如何經由物質與能量產生扭曲與彎折。宇宙的拓扑學與幾何學包含了可觀測宇宙內的局部幾何與全域幾何。宇宙學家通常會將時空給予一個類空間隔的切片,稱之為同移座標。在時空中可以觀察到的部分是過去的光錐,劃定了宇宙學視界。宇宙學視界(也稱作粒子視界或光視界)的最大距離,為粒子在宇宙年齡範圍中,旅行至觀察者的距離。而視界則代表宇宙中可觀察到無法觀察區間的界限。宇宙學視界的存在、性質與顯著性是隨特定的宇宙學視界而定。

決定宇宙未來發展的一個重要參數為密度參數(Ω),定義為宇宙的實際(或觀測)密度與弗里德曼宇宙臨界密度之比值。宇宙的形狀有3種可能的幾何型態,取決於Ω是否等於、小於或大於1。這將會分別決定宇宙的形狀為扁平態、開放態或封閉態。

根據宇宙背景探測者、威爾金森微波各向異性探測器與普朗克衛星對於宇宙微波背景輻射的觀察,認為宇宙是具有有限年齡的無限空間,為弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規所描述的內容之一。該模型支持暴脹理論與標準宇宙學模型,描述宇宙為具有同質性的扁平狀空間,而暗物質與暗能量占有主導地位。

                                     

5. 成分

宇宙幾乎是由暗能量、暗物質與原有物質組成。其他的成分為電磁波(約占0.005-0.01%)與反物質。宇宙中所產生的電磁波總量,在過去20億年中減少了一半。

原有物質包含了原子、恆星、星系與生命,在宇宙中只占有全部成分的4.9%。現存的原有物質總密度非常低,約為每立方公分4.5 × 10 −31 公克,相當於每4立方公尺只有1個質子。暗物質與暗能量的本質目前尚未知曉。暗物質是一種目前尚未被偵測的神祕物質型態,占宇宙全部成分的26.8%。暗能量是真空中的能量,也是導致宇宙加速膨脹的原因,在全部宇宙成分中占68.3%。

物質、暗物質與暗能量均勻分布於宇宙3億光年的大尺度範圍中。然而,在小尺度範圍中,物質會趨向集結為塊狀層次;大多數原子會聚集成恆星,大多數恆星會聚集成星系,而大多數星系會聚集成 星系團與超星系團 ,最後則聚集成大尺度纖維狀結構。可觀測宇宙包含了大約300澗(3×10 23 )個恆星與超過1.000億(10 11 )個星系。通常星系的規模可以小到只有1.000萬(10 7 )個恆星(矮星系),也可以大到擁有1兆(10 12 )個恆星,形成巨大的星系。各結構之間存有空洞,直徑通常為1.000萬-1.5億秒差距(3.300萬-4.9億光年)之間。銀河系是本星系群的其中一個星系,其所屬的超星系團為拉尼亞凱亞超星系團。此超星系團範圍廣達5億光年,而本星系群範圍則超過1.000萬光年。相對地,宇宙也有廣大的空無區域;已知最大的空洞範圍廣達180億光年(5.5億秒差距)。

在規模比超星系團大的可觀測宇宙,具有各向同性,也就是從地球上觀察宇宙的任一方向,其統計學上的性質皆相同。宇宙中充滿了強烈且各向同性的微波輻射,對應於熱平衡黑體波譜,大約為2.72548克耳文。「大尺度宇宙為各向同性」的假說,成為目前為人所知的宇宙學原理。無論在任何一個瞭望點觀察宇宙,皆具有均勻性與各向同性,且宇宙沒有所謂的中心。

                                     

5.1. 成分 暗能量

宇宙為何正在膨脹,長期以來都找不到比較好的解釋。目前假設可能是由於一股未知的能量充斥在宇宙空間中,稱之為「暗能量」。在質能等價的基礎上,暗能量的密度(6.91 × 10 −27 kg/m 3 )比星系中原有物質或暗物質來得小。然而,在現今的暗能量時代,由於暗能量均勻分布於宇宙中,因此它支配著宇宙的質能。

目前科學家所提出暗能量的兩個型態,皆為宇宙學常數;其一是「靜態」的能量密度,它能均勻分佈在空間中,以及如第五元素或 模數 等 純量場 中;其二是「動態」的能量密度量數,會隨者空間與時間而有所變化。宇宙學常數通常也包含了恆定空間中純量場的貢獻。宇宙學常數可被定義為等同真空能量。如果純量場之間僅有非常微小的空間不均勻差異,那光從宇宙學常數是無法分辨出這些純量場。

                                     

6. 宇宙的命運

根据天文观测和宇宙学理论,可以对可观测宇宙未来的演化作出预言。均匀各向同性的宇宙的膨胀满足弗里德曼方程。

多年来,人们认为,根据这一方程,物质的引力会导致宇宙的膨胀减速。宇宙的最终命运决定于物质的多少:如果物质密度超过临界密度,宇宙的膨胀最后会停止,并逆转为收缩,最终形成与" 大爆炸”相对的一场" 大崩墜”(big crunch);如果物质密度等于或低于临界密度,则宇宙会一直膨胀下去。另外,宇宙的几何形状也与密度有关:如果密度大于临界密度,宇宙的几何应该是封闭的;如果密度等于临界密度,宇宙的几何是平直的;如果宇宙的密度小于临界密度,宇宙的几何是开放的。并且,宇宙的膨胀总是减速的。

然而,根据近年来对超新星和宇宙微波背景辐射等天文观测所知,虽然物质的密度小于临界密度,宇宙的几何却是平直的,也即宇宙总密度应该等于临界密度。并且,膨胀正在加速。这些现象说明宇宙中存在着暗能量。不同于普通所说的" 物质”,暗能量产生的重力不是引力而是斥力。在存在暗能量的情况下,宇宙的最终命运取决于暗能量的密度和性质,較不可能是" 大擠壓”(big crunch),可能是渐缓膨胀趋于稳定,更可能是继续无限膨胀或不断加速膨胀至连原子也被摧毁的" 大撕裂”(big rip)。目前,由于对暗能量的性质缺乏了解,还难以对宇宙的命运作出肯定的预言。

                                     

7. 多重宇宙

对于多重宇宙有不同的理解。一种理解是,位于可观测宇宙之外的时空,构成其它的宇宙。例如,在宇宙暴脹中形成的其它大量时空,或者我们宇宙中黑洞奇点内我们所无法理解的时空。这些不同的时空部分总体构成了多重宇宙。另一种理解则强调这些不同的宇宙不仅仅是时空区的独立,而且其中的表现的物理规律也可能有所不同,例如其中的粒子也许具有不同的电荷或质量,其物理常数也各不相同。

有时人们也把平行宇宙与多重宇宙当作同义词。不过,平行宇宙还有一种理解,即量子力学中的多世界解释。这种解释认为,在量子力学中,存在多个平行的世界,在每个世界中,每次量子力学测量的结果各自不同,因此不同的历史发生在不同的平行世界中 。

                                     

8. 神話和宗教的宇宙觀

起初古人没有普遍意识到有其他世界存在的可能性,但在地球上探險和征服的活動頻繁下,又見到新奇的世界甚至星座的變化,從而想像宇宙整體,雖然這些宇宙觀主要是純思辨的產物,但客觀上對於後來探險和觀測活動是起了指導的作用。

                                     

8.1. 神話和宗教的宇宙觀 佛教宇宙觀

佛教中的世界一词,相當於英語,既可指世界也可以指宇宙,但都是一種有限和被分割的觀念,而且大小是任意的,即可以從個人可以到達或看見和想像的層次區分成。而其雖然包括了星空和天象,但常被說成是有邊界的蒼穹而不是無邊的虛無的宇宙。

世”为时间(注:三十年为一世)意," 界”为空间意,。中国古代形容大千世界多用" 天下”一词,而并无" 世界”。盖因世界乃佛教名词,如今被广为用之,但应当了解这个名词的来源。据楞严经卷四载:世,即迁流之义;界,指方位。即於时间上有过去、现在、未来三世之迁流,空间上有东南西北、上下十方等定位场所之意。

佛經中,大的空间叫佛刹、虚空,小的叫微尘,統称为" 三千大千世界”。" 佛教宇宙觀”主張宇宙係有無數個世界。集一千個小世界稱為" 小千世界”,集一千個小千世界稱為" 中千世界”,集一千個中千世界稱為" 大千世界”;合小千、中千、大千總稱為三千大千世界。华严经提到:" 知一世界即是无量无边世界,知无量无边世界即是一世界,知无量无边世界入一世界,知一世界入无量无边世界。”

色界諸天分為四禪,即初禪、二禪、三禪、四禪,总计十八天。初禅天三天,包括梵众天、梵辅天、大梵天;第二禅天三天,包括少光天、无量光天、极光净天;第三禅天三天,包括少净天、无量净天、遍净天;第四禅天为九天,包括无云天、福生天、广果天、無想天﹑无烦天、无热天、善现天、善见天、色究竟天。在无色界,還有空无边处天、识无边处天、无所有处天、非想非非想处天等四无色天。

                                     

8.2. 神話和宗教的宇宙觀 中国上古神话

艺文类聚記載" 天地浑沌如鸡子,盘古生其中。万八千岁,天地开辟,阳清为天,阴浊为地”。

郭店楚简记载:" 大一生水。水反辅大一,是以成天。天反辅大一,是以成地。天地辅也,是以成阴阳。阴阳复相辅也,是以成四时。”

到戰國後中國出現了論天三說即:蓋天說和宣夜說與渾天說。

                                     

8.3. 神話和宗教的宇宙觀 其他神話

印度神话描述宇宙之始,有一梵卵化为一人,即普鲁沙,普魯沙有著數千個頭、眼睛和腳,后来普鲁沙一分为三,就是三大神,大梵天(Brahma),大自在天(Shiva),以及妙毗天(Vishnu)。其中大梵天为宇宙之主,妙毗天是宇宙与生命的守护者。

古埃及神話中認為初始宇宙是來自阿多姆神(Atum),阿多姆一分为二,变成風神休(Shu)和雨神泰芙努特(Tefnut),接著Shu和Tefnut又生一女一子,也就是天空女神努特(Nut)和大地之神盖布(Geb)。