我们的宇宙

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——大部分内容来自维基百科“宇宙”词条，因为大陆网友访问维基百科比较费劲，所以我整理了一些比较精彩的内容。

宇宙概述
中国文字里宇宙表示全部时间和空间的综合。一般理解的宇宙指我们所存在的一个时空连续系统，包括其间的所有物质﹑能量和事件。对于这一体系的整体解释构成了宇宙论。二十世纪以来，根据现代物理学和天文学，建立了关于宇宙的科学理论，称为宇宙学。

根据相对论，信息的传播速度有限，因此在某些情况下，例如在发生宇宙暴涨的情况下，时空连续系统中的我们将只能收到一小部分区域的信息，其他部分的信息将永远无法传播到我们的区域。可以被我们观测到的时空部分称为“可观测宇宙”﹑“可见宇宙”或“我们的宇宙”。应该强调的是，这是由于时空本身的结构造成的，与我们所用的观测设备没有关系。

宇宙大约是由5%的普通物质，25%的暗物质和70%的暗能量构成。

中文辞源
《文子•自然》：“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。”
《尸子》：“上下四方曰宇，往古来今曰宙。”
二字连用，始见于《庄子•齐物论》曰：“旁日月，挟宇宙，为其吻合。”
《淮南子•天方训》中关于世界起源的论述：“天地未形，冯冯翼翼，洞洞灟灟，故曰太昭，道始于虚霩，虚霩生宇宙，宇宙生气，气有涯垠，清阳者薄靡而为天，重浊者凝滞而为地。清妙之合专易，重浊之凝竭难，故天先成而地后定，天地之袭精为阴阳，阴阳之专精为四时，四时之散精之万物，”

宇宙的历史
现代物理宇宙学一般认为宇宙起源于大爆炸，即约137亿（±1%）年前由一个密度极大，温度极高的状态膨胀而来。对于大爆炸以前的宇宙，目前只有一些猜测性的理论。而最新的研究则认为宇宙年龄为156亿年，但是这个说法还未得到公认。对于大爆炸以后的宇宙，则可以用较成熟的理论加以描述。一种典型的理论是：

* 1E-43秒：宇宙从量子背景出现。
* 1E-35秒：宇宙由夸克-胶子等离子体构成，强相互作用、引力与电磁相互作用/弱相互作用分开。
* 1E-5秒：电子形成，宇宙主要包括光子、电子和中微子，温度约1000亿度。
* 10秒：质子和中子结合成氘﹑氦等原子核，温度30亿度。
* 35分钟：形成原子核的过程（核融合，nucleosynthesis）停止，温度3亿度。
* 30万年：电子和原子核结合成为原子。物质和辐射脱耦，大爆炸辐射的残余成为今天的3K微波背景辐射。
* 4亿年：第一批恒星形成。
* 20亿年：星系形成。
* 50亿年：太阳系形成。

目前宇宙还在继续膨胀之中，这在观测上为哈勃定律所概括。

宇宙的大小
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：由于相对论限定了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137亿光年，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，是哈柏常数的倒数乘以光速，其数值约为1.29E28厘米，也恰为137亿光年。科普和科技书籍中所说的宇宙的大小常指这个数值。哈柏距离可以理解为四维时空的曲率半径。

宇宙的形状

威尔金森探测器测量的宇宙微波背景辐射分布

宇宙的形状是宇宙学中一个未解决的问题。用数学的语言说就是：“哪一个三维形状才能最好地代表宇宙的空间结构？”

首先，宇宙到底是不是“平坦空间”，即大范围内遵守欧氏几何的空间还未清楚。目前，大部分宇宙学家认为已知宇宙除了大质量天体造成的局部时空褶皱，是基本平坦的－就像湖面是基本平坦但局部有水波一样。最近威尔金森微波各向异性探测器观测宇宙微波背景辐射的结果也肯定了这一认识。

其次，宇宙是否是多重连接的尚未清楚。根据大爆炸理论宇宙是没有空间边界的，然而其空间大小可能是有限的。我们可以通过二维的概念类推：一个球面没有边界，但是它的面积是有限的（4πR^2）。它是一个在三维空间有固定曲率的二维表面。数学家黎曼发现了四维空间中一个与此类似的三维球形“表面”，其总体积为有限（2π^2R^3）但三个方向都朝第四个维度弯曲。他还发现了一个“椭圆空间”和“圆柱形空间”，后者的圆柱形两头互相连接但没有弯曲圆柱本身－这一现象在普通的三维空间是不可想象的。类似的数学例子还有很多。

如果宇宙真是有限但无边界的话，人沿着宇宙中一条任意方向的“直线”走下去，最终会回到出发点，其路线长度可认为是宇宙的“直径”（这个直径是现在人类对宇宙的认识所无法想象的，因为它一定要比我们所见的宇宙部分大得多。）。

宇宙有可能具有多重连接的拓扑学结构。如果这些结构足够小的话，人类，就如同在挂了多面镜子的房间里，可能在不同方向看到同一天体的多个影像。而实际的天体数量就会比观测所见少。从这个角度讲，星体和星系应该称作“所观的影像”才合适。这个可能至今没有被彻底否定，但最近的宇宙微波背景辐射研究结果认为这是很不可能的。

哈勃望远镜拍摄的高清晰度深场照片，显示姿态年龄各异的河外星系。照片片上最小，颜色最红的属于人类看到的最古老的星系，在宇宙年龄约8亿年的时候就已经存在

宇宙的命运
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（1）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个“大坍缩” （big crunch）；如果物质密度（2）等于或（3）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（1）密度大于临界密度，宇宙的几何应该是封闭的；如果（2）密度等于临界密度，宇宙的几何是平直的；如果（3）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，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，宇宙的命运取决于暗能量的密度和性质，宇宙的最终命运可能是无限膨胀，渐缓膨胀趋于稳定，或者是与大爆炸相对的一个“大坍缩”，或者也可能膨胀不断加速，成为“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做出肯定的预言。

平行宇宙
平行宇宙，或者叫多重宇宙论，指的是一种在物理学里尚未被证实的理论，根据这种理论，在我们的宇宙之外，很可能还存在着其他的宇宙，而这些宇宙是宇宙的可能状态的一种反应，这些宇宙可能其基本物理常数和我们所认知的宇宙相同，也可能不同。

平行宇宙经常被用以说明：一个事件不同的过程或一个不同的决定的后续发展是存在于不同的平行宇宙中的；这个理论也常被用于解释其他的一些诡论，像关于时间旅行的一些诡论，像“一颗球落入时光隧道，回到了过去撞上了自己因而使得自己无法进入时光隧道”，解决此诡论除了假设时间旅行是不可能的以外，另外也可以以平行宇宙做解释，根据平行宇宙理论的解释：这颗球撞上自己和没有撞上自己是两个不同的平行宇宙。

在近代这个理论已经激起了大量科学、哲学和神学的问题，而科幻小说亦喜欢将平行宇宙的概念用于其中。

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物理学里的平行宇宙
平行宇宙的分类
在2003年的科学人杂志里，有一篇由美国宇宙学家Max Tegmark写的关于平行宇宙的专文，在文中他将平行宇宙分成四类：

1. 第一类：这类的宇宙和我们宇宙的物理常数相同，但是粒子的排列法不同，同时这类的宇宙也可视为存在于已知的宇宙(可观测宇宙)之外的地方。
2. 第二类：这类的宇宙的物理定律大致和我们宇宙相同，但是基本物理常数不同。
3. 第三类：根据量子理论，一件事件发生之后可以产生不同的后果，而所有可能的后果都会形成一个宇宙，而此类宇宙可归属于第一类或第二类的平行宇宙，因为这类宇宙所遵守的基本物理定律依然和我们所认知的宇宙相同(以上“一颗球落入时光隧道，回到了过去撞上了自己因而使得自己无法进入时光隧道”诡论的平行宇宙解决办法属于此种)。
4. 第四类：这类的宇宙最基础的物理定律不同于我们宇宙，而基本上到第四类为止，就可以解释所有可能存在(也就是可想像得到的)的宇宙，一般而言这些宇宙的物理定律可以用M理论构造出来。

相关理论
无穷宇宙(开放宇宙)理论
开放宇宙理论认为，我们目前所知的宇宙只是整个宇宙中可观测的一小部份，在这个部份之外，整个宇宙尚有无限大的未被观测的空间；根据相对论，光速为宇宙最快的速度，我们所看到的部份(可观测宇宙)为已经到达地球的光线，而我们所观测到的范围又被称做哈伯体积，哈伯体积直接取决于宇宙的年龄(因为若宇宙诞生于n年前，则能到达地球的光线最远只能在n光年处，再更远的光线则尚在路途上，故未能被地球上的观测者所观测)，哈伯体积的膨胀是因为有越来越远处的光线到达地球。（我觉得此种说法的问题就是如何解释星系间距离的增加呢…）

开放宇宙理论说明了第一类平行宇宙的可能性。

无穷宇宙，在宇宙中存在有大量的可观测区(有着红色十字中心的红圈)，我们的“宇宙”不过是其中的一个可观测区而已

泡沫宇宙理论
泡沫宇宙理论认为存在有无限多的开放宇宙，而这些开放宇宙本身有着不同的物理常数，这些开放宇宙的“距离”比我们的开放宇宙的“边缘”还要远，意即这些宇宙存在于无穷远的地方之外。

这个理论由安德烈•林德最早提议，而泡沫宇宙理论本身能和暴涨理论在相当程度上契合，而这个理论本身牵涉到了宇宙可能是由某个“亲宇宙”的量子泡沫，中所诞生的可能，而这些量子泡沫产生于能量的起伏，这些能量的起伏可能会产生微小的“泡沫”和虫洞，若这些“泡沫”本身不是非常地巨大，则它们会像膨胀的汽球一般，到了最后消失无踪，不过如果能量起伏大于某个常数，那么这个泡沫就会不断地膨胀，甚而产生一个“子宇宙”，而“子宇宙”的体积可能会大到足以让宇宙大尺度结构存在的地步。

“泡沫宇宙”示意图，宇宙1到宇宙6各自有自己的物理常数，我们的“宇宙”不过是其中的一个“泡沫”而已

大反弹理论
根据循环量子引力理论，大爆炸可能只不过是宇宙的膨胀和收缩时期组成的周期中，一个新的膨胀时期的开始而已，每个周周期开始于大爆炸、结束于大挤压(Big Crunch)，而这个周期的轮回是无限的，这个模型被称为是振荡宇宙，在大爆炸之后宇宙膨胀，而之后在重力的作用之下宇宙开始收缩，然后接着是大挤压，在大挤压之后的下一次大爆炸被称为大反弹，虽然这个模型曾经一度被否决，但是M理论近年来已重拾此模型(振荡宇宙模型)。

在每个周期中宇宙可能会有不同的宇宙常数，而因此这些不同周期时的宇宙可视为第二种平行宇宙。

泡沫宇宙理论和大反弹理论使得第二种平行宇宙的存在成为可能。

量子力学的多世界解释
量子力学的多世界解释是一种主要的量子力学解释，在由此解释方式中的众平行宇宙共有一个关于时间的变量，而这些平行宇宙彼此之间有着相同的起源，而这些宇宙彼此之间的基本物理定律相同，但物理常数可能会有所不同，而它们亦可能处于不同的状态，而且这些宇宙彼此之间没有任何的联系，因此它们彼此之间没有任何讯息互通，这些宇宙彼此之间的关系由它们之间的叠加态决定。

此理论为第三类平行宇宙的基础。

M理论
根据M理论，我们的宇宙很可能是产生于11维薄膜的碰撞当中，基本上由此产生的宇宙可以和量子力学的多世界解释里所说的宇宙极为不同的宇宙

由M理论可推出第四种平行宇宙的存在。

弦理论
根据IIB型(Type IIB)的弦理论，从十维弦理论的世界到我们所知的四维世界有极多种的变换方式，而不同的变换方式会产生相当不同的宇宙。

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平行宇宙相关理论的问题与批评

* 有些人认为平行宇宙理论缺乏对经验主义的关联性以及可测性，同时缺乏物理学上的证据和可否定性，因为这个理论以目前的科学方法无法证实或否定，而且这些理论目前而言太过形而上学且只是在数学结构上有可能而已；不过Max Tegmark注意到了对宇宙微波背景辐射和宇宙物质大规模分布的测量的改进可能会否定或实证其中两种的平行宇宙存在的可能性，并进而能证实或否定开放宇宙理论和混乱暴涨理论，意即平行宇宙理论最少在某种程度上是可测的。

* 一些人认为科学家的职责就是要在不涉及观察者的状况下对已观测的现象提出基本的解释。回归到人择原理在解释会建构出所谓的“懒惰出口”，而这些解释的种类包括了“很明显地为生命的存在微调过的宇宙参数”等等；不过李奥纳特•苏士侃宣称：某些形式的平行宇宙是无可避免的，在给出对现有宇宙状态的解释时，观测者效应是无法避免的而且得在其他的科学中获得解决。

* 一些人认为，平行宇宙理论会被奥卡姆剃刀给排除，因为假设一些我们无法观测且无法看见的宇宙来解决我们所看见的，就像是带著额外的行李走到尽头一般；不过对此Max Tegmark答曰：“这四种平行宇宙的一个共同特征就是：缺省平行宇宙的存在模型是最简单且最优雅的模型。如果一个人要否决这些多重宇宙的存在，他需要在实验上地对多重宇宙论的不支持，并且要加入以下的假定：有限空间、波函数崩溃和本体上的不对称是正确的，而这些过程会复杂化整个理论。因此我们的对于谁比较不优雅且较为浪费的裁决就变成了以下两者：多重宇宙或者是大量的文辞”。

* 有时有些人认为我们的宇宙是唯一可能存在的宇宙，因此讨论这些“其他的宇宙”是很明显地无意义的。爱因斯坦在思考其他种类的宇宙存在的可能性时，就提出了这个问题，关于宇宙结构是否只有一种可能的问题的解答的希望被认为在于理论上可统一全部物理理论的万物理论当中。

* 对于平行宇宙的观测证据的支援被认为来自于人择原理：“我们所观测到的宇宙对生命是友善的，要不然就不会被观测到。虽然这似乎是老调重弹，但是当生物体对物理法则和宇宙状况的敏感性、被考虑时，整个宇宙就是一个明显的证据；在另一方面，许多关键的物理常数似乎不会对于生物体造成严重的不适”；其他对于微调论证的批评是：就我们所知，在我们所知的物理常数之下可能还有更多的基本物理法则，而这些法则背后可能会有更多的参数存在，因此，给出这些定律，这些已知的物理常数未必落在生命许可的生存范围之内。

* 多重宇宙支持者经常对于常数如何从已定义的整体中选取感到茫然。假设存在个“定律中的定律”或者基本定律描述说常数如果被从一个宇宙到下一个宇宙中指定，那么我们不过只是将宇宙学的问题给往上移了一个等级而已，因为我们必须解释这个基本定律从何而来。另外，这个基本法则是无穷大的，因此我不过是把问题从“为什么是这个宇宙”给置换成了“为什么是这个基本法则”。在援引平行宇宙论时这似乎是一个要点，尤其当假定只存在一个宇宙和一个原理会更简易时更是如此；但在Max Tegmark的平行宇宙理论里，这个问题是被避开的，因为在那种状况当中，所有可能的基本理论被实行的，而且被用以描述真实存在的平行宇宙。

* 对于虚拟宇宙和平行宇宙之间的关系依旧是个问题。多数的科学家已经准备好要接受自觉机器的可能性，而有些人工智能学者甚至于已经说我们快要能制造自觉电脑了，在距离达让自觉生物住在虚拟世界方面仅剩一步之遥。对于那些生物而言，他们的“假”宇宙和我们的真宇宙可说是无分别的。因此我们应该将这些虚拟宇宙在平行宇宙算在平行宇宙中吗？如果不是的话将我们自身存在的宇宙和这些虚拟宇宙划上等号有意义吗？

* 对于现有的平行宇宙论的最后一个问题是对于宇宙的定义。对多数的平行宇宙论者而言，宇宙是由物理法则和常数，以及初始条件定义的。这项论点可能会因为它的狭隘和沙文主义的性质而招致反对；对于将人类理解之外的事物予以分类也可能会招致批评。

[ 本帖最后由 beta1 于 2007-8-22 13:36 编辑 ]

roy986

顶！啊

beta1

roy986 大大真是热心肠啊 :D :victory:

Frank

学习了:) :hug:

FreeMagician

果然看时间简史还是有意义的～

Fred

这些都是空想而已......
:$

beta1

:$  不要这么直接嘛，说出来就没意思啦... ;P

[ 本帖最后由 beta1 于 2007-9-6 19:23 编辑 ]

roy986

恩，对，BS他:lol