宇宙
宇宙（Universe）在物理意义上被定义为所有的空间和时间（统称为时空）及其内涵，包括各种形式的所有能量，比如电磁辐射、普通物质、暗物质、暗能量等，其中普通物质包括行星、卫星、恒星、星系、星系团和星系间物质等。宇宙还包括影响物质和能量的物理定律，如守恒定律、经典力学、相对论等。[1]
大爆炸理论是关于宇宙演化的现代宇宙学描述。根据这一理论的估计，空间和时间在137.99±0.21亿年前的大爆炸后一同出现，随着宇宙膨胀，最初存在的能量和物质变得不那么密集。最初的加速膨胀被称为暴胀时期，之后已知的四个基本力分离。宇宙逐渐冷却并继续膨胀，允许第一个亚原子粒子和简单的原子形成。暗物质逐渐聚集，在引力作用下形成泡沫一样的结构，大尺度纤维状结构和宇宙空洞。巨大的氢氦分子云逐渐被吸引到暗物质最密集的地方，形成了第一批星系、恒星、行星以及所有的一切。空间本身在不断膨胀，因此当前可以看见距离地球465亿光年的天体，因为这些光在138亿年前产生的时候距离地球比当前更近。
虽然整个宇宙的大小尚不清楚，但可以测量可观测宇宙的大小，估计其直径为930亿光年。在各种多重宇宙论中，一个宇宙是一个尺度更大的多重宇宙的组成部分之一，各个宇宙本身都包括其所有的空间和时间及其物质。[2]
随着巡天观测技术水平的逐步提高，人类不断尝试绘制整个宇宙的全貌。2021年1月14日，国家天文台北京-亚利桑那巡天(BASS)团队和暗能量光谱巡天(DESI)团队联合发布最新巨幅二维宇宙地图[3]。
中文名
宇宙
外文名
Universe
Cosmos
World
别名
九天
太虚
天外
平均密度
9.9✕10-30g/cm3(包括所有能量)[4]
距地距离
4.65✕1010光年(可观测宇宙视界)
中考物理第一轮复习（声、光、热）“传说中的追剧版”
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宇宙-宇宙诞生假说
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概念年表物理性质组成模型
定义与词源
定义
物理宇宙被定义为所有的空间和时间（统称为时空）及其内涵，包括各种形式的所有能量，比如电磁辐射、普通物质、暗物质、暗能量等，其中普通物质包括行星、卫星、恒星、星系、星系团和星系间物质等。宇宙还包括影响物质和能量的物理定律，如守恒定律、经典力学、相对论等。[1]
国家天文台巡天和暗能量光谱巡天发布的宇宙二维地图
中文词源
在中国古代，“宇”和“宙”都不过指的是人们居住房屋上小小的部件，引申为越来越大的“宇宙”概念，宇指代空间，宙指代时间，这是一个漫长而复杂的演变过程。[7]
“宇”字
周代金文的“宇”是一座房屋里面一个“干”字，实际上就是一座房屋的形状和结构。《说文解字》曰：“宇，屋边也。”《诗经·豳风·七月》：“七月在野，八月在宇，九月在户，十月蟋蟀入我床下。”释文：“屋四垂为宇。”这里的“宇”正像《一切经音义》中说的“宇，屋檐也”一样，指房屋的屋檐、廊檐。《仪礼·士丧礼》“置于宇西阶上”、《资治通鉴》“权起更衣，肃追于宇下”等，也都是这个意思。随着时间的推移，“宇”这个房屋上的部件，慢慢地就代替了整座房屋。《诗经·大雅·緜》“聿来胥宇”、《楚辞·招魂》“高堂邃宇”、苏轼《水调歌头》“惟恐琼楼玉宇，高处不胜寒”中的“宇”，就不是屋檐，而是整个房屋。到了屈原的《离骚》“尔何怀乎故宇”、贾谊的《过秦论》“振长策而御宇内”，此处的“宇”是指国家或天下了。《吕氏春秋·下贤》“神覆宇宙”、《墨子·经上篇》“久，古今旦莫（暮）。宇，东西家南北”里的“宇”，已是一个很大而多变的空间范畴。[7]
“宙”字
甲骨文的“宙”字，是一座房屋里面加一个“由”字，表示房屋靠一根上细下粗的梁顶着。《说文解字》曰：“宙，舟舆所极覆也。”《淮南子·览冥》：“而燕雀佼之，以为不能与之争于宇宙之间。”高诱注：“宇，屋檐也。宙，栋梁也。”这里的“宙”都是它的本义“栋梁”的意思。但到了《南齐书》“功烛上宙，德耀中天”、王勃《七夕赋》“霜凝碧宙，水莹丹霄”里的“宙”，就已是指天空了。[7]
整词
“宇宙”一词连用，最早出自《庄子》：“旁日月，挟宇宙，为其吻合。”这时的“宇”代指一切空间，“宙”代指一切时间。这里宇宙的意义已是标准的时空了。《尸子》：“上下四方曰宇，往古来今曰宙。”《文子·自然》也说：“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。”说明古代诗人和科学家都对宇宙有了新的认识。如《楚辞·屈原·涉江》“霰雪纷其无垠兮，云霏霏而承宇”，张衡《东京赋》“泽浸昆虫，威振八宇”以及《庄子·庚桑楚》“有实而无乎处者，宇也；有长而无本剽者，宙也”等等，“宇”已不是指某一个具体的方位、处所，而是指所有的空间；这里的“宙”已经表示没有开始没有终末的无限时间，“宇宙”已经无限大。[7]
外文词源
从毕达哥拉斯开始，古希腊哲学家的"宇宙"一词是τὸ πᾶν、té p ón（"全部"），定义为所有物质和所有空间，以及τὸ ὅλον、té hélon（"所有事物"），它不一定包括空洞。另一个ὁ κόσμος，ho késmos（意思是世界，宇宙）。西塞罗（Marcus Tullius Cicero）与后来的拉丁语作者曾使用过“universum”这个词汇，与现代英语所使用的“universe”意义相同。[8]宇宙的同义词在其他拉丁语作者中也有使用，并在现代语言中存在。例如，宇宙的德语单词有Das All、Weltall和Natur。
宇宙的英语“universe”起源于古法语的“univers”，而该词又源自于拉丁语的“universum”。英语中也有同样的同义词，例如：everything（万物，如万物论theory of everything）、cosmos（宇宙，如宇宙学cosmology）、world（世界，如多世界诠释many-worlds interpretation）和nature（自然，如自然法则natural laws或自然哲学natural philosophy）。[9]
概念
从历史上看，对宇宙及其起源有许多想法。古希腊人和古印度人首先提出了由物理定律主导而非个人观点的宇宙理论。中国古代哲学中包含宇宙的概念，宇为所有的空间，宙为所有的时间。[10]几个世纪以来，天文观测以及运动和引力理论的改进，使得对宇宙描述更准确。现代宇宙学始于阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）在1915年的广义相对论，该理论使定量化的预测整个宇宙的起源、演化和结局成为可能。绝大多数现代的、公认的宇宙学理论都基于广义相对论，更具体的是指大爆炸理论。[11]
神话传说
许多文化都有描述世界和宇宙起源的神话传说。该文化圈的人们一般认为这些神话有些真实性。然而，对于这些传说如何应用在那些相信超自然起源的人中，有很多不同的观念，从神直接创造宇宙，到当今神只是设置了宇宙运行的机制（例如通过大爆炸理论和进化论这样的机制）。[12]
研究神话的民族学家和人类学家为
中出现的各种场景制定了多种分类。[13] 一类神话传说认为世界诞生于世界卵，这些传说包括中国神话传说中的
，古印度佛教的《梵卵往世书》（Brahmanda Purana）、以及芬兰史诗《
》(Kalevala)。三国时期吴国
著《
》中记载：“天地浑沌如鸡子，
生其中。“在其他类似的神话中，宇宙是由一个实体通过他或她自己发出或产生的东西创造的，如
的
，
中的
（地球母亲），
中的女神科亚特利库埃，
中的
，以及
-
《
》创世叙事中
创造了宇宙，同源的
也认为
创造了宇宙。在另一类型的传说中，宇宙是由男性神和女性神的结合创造的，就像
传说中Rangi和Papa的一样。在其他传说中，宇宙是由预先存在的材料改造而来，比如在
史诗《埃努玛·埃利什》（Enuma Elish）中是
用死神的尸体创造，在
中是巨人
用混乱的材料创造，在日本神话中是
与
创造。在其他传说中，宇宙源于基本原理，如印度教中的
（Brahman，婆罗门）和本性（Prakrti）以及
中的
。
盘古开天辟地雕塑
哲学模型
苏格拉底（Socrates）之前的古希腊哲学家和古印度哲学家提出了一些最早的宇宙哲学概念。希腊最早的哲学家指出，现象可能具有欺骗性，并试图理解现象背后的基本现实。他们特别指出了物质改变形态的能力（例如，冰化为水，水蒸为汽）。一些哲学家提出，世界上所有的物理材料都是被称为始基（Arche）的单一原始材料的不同形式。第一个这样认为的是泰勒斯（Thales），他提议这种材料是水。泰勒斯的学生阿那克西曼德（Anaximander），提出一切都来自无限的阿派朗（Apeiron）。阿那克西美尼（Anaximenes）提出原始材料是空气，因为空气被认为有吸引和排斥的特性，导致始基凝结或分离成不同的形式。阿那克萨哥拉（Anaxagoras）提出了智性（Nous）的原理，而赫拉克利特（Heraclitus）提出了火。恩培多克勒（Empedocles）提出了地、水、气、火的元素，他的四元素说后来变得非常受欢迎。和毕达哥拉斯（Pythagoras）一样，柏拉图（Plato）认为所有事物都是由数字构成的，并将恩培多克勒的四元素采用柏拉图立体的形式表示。留基伯（Leucippus）及其学生德谟克利特（Democritus）和后来的哲学家提出了原子说，认为宇宙是由通过真空移动的不可分割原子组成的，尽管亚里士多德（Aristotle）认为不可行，因为空气就像水一样，对运动有阻力。空气会立即冲进来填补一个真空，而且如果没有阻力，它会无限快地填充。[14]
拉斐尔著名壁画《雅典学院》，画中很多哲学家都提出过宇宙模型
虽然赫拉克利特主张永恒的改变，但与他同时代的巴门尼德（Parmenides）提出了一个激进的建议，即所有的变化都是一种幻觉，真正的基本实体是永远不变的，是单一性质的。巴门尼德认为这个实体是同一（The One）。巴门尼德的想法对许多希腊人来说似乎难以置信，但他的学生，来自埃利亚（Elea）的芝诺（Zeno）提出了几个著名的悖论。亚里士多德通过提出一个潜在的可计数无穷大的概念，以及无限可分割的连续体来回应这些悖论。与永恒不变的时间循环不同，他认为世界范围被天球面所限定，天体由第五元素“以太（ether）”构成。
印度哲学家胜论学派（Vaisheshika school）的创始人迦那陀（Kanada）也提出了一个原子论的概念，并提出了光和热是同一物质的变种。公元5世纪，佛教原子论哲学家陈那（Dignāga）提出原子是点大小、非持续的，并由能量构成。他们否认存在实质性物质，并提议运动由能量流的瞬间闪现组成。
时间有限主义的概念受到三种天启宗教（Abrahamic religions）共同的创造学说的启发，包括犹太教、基督教和伊斯兰教。拜占庭基督教哲学家约翰·菲洛波努斯（John Philoponus）提出了反对古希腊无限过去和未来概念的哲学论点，并被早期穆斯林哲学家肯迪（Al-Kindi）、穆斯林神学家安萨里（Al-Ghazali）和犹太哲学家萨阿迪亚·果昂（Saadia Gaon）引用。[15]
天文学说
在巴比伦天文学家开始天文学研究后不久，就提出了宇宙的天文模型，他们把宇宙视为漂浮在海洋中的平底盘子，成为早期希腊地图的前提，比如阿那克西曼德（Anaximander）和米利都赫卡塔埃乌斯绘制的地图。
后来的希腊哲学家观察天体运动，聚焦于更深刻地根据经验证据发展宇宙模型。第一个相干模型是由尼多斯（Cnidos）的欧多克索斯（Eudoxus）提出的。根据亚里士多德对模型的物理解释，天体在静止的地球周围以均匀的运动永久运转。物质完全包含在地球球体中。
在放弃同心球模型后，这个地心说模型也由卡利普斯（Callippus）改进，它几乎与托勒密（Ptolemy）的天文观测完全一致。这种模型的成功很大程度上是基于数学上的事实，即任何函数（如行星的位置）都可以分解成一组圆形函数（傅里叶模式）。其他希腊科学家还有毕达哥拉斯（Pythagoras）学派哲学家菲洛劳斯（Philolaus）。根据希腊作家文献汇编者斯托拜乌斯(Stobaeus)的说法，菲洛劳斯假设在宇宙中心的是一团"中心火"（central fire），地球、太阳、月亮和行星围绕它以均匀的圆周运动旋转。[16]
希腊天文学家来自萨摩斯（Samos）的阿里斯塔库斯（Aristarchus）被认为是第一个提出宇宙日心模型的人。虽然原文本已经丢失，但阿基米德（Archimedes）的著作《数沙者》（The Sand Reckoner）中的一个参考描述了阿里斯塔库斯的日心模型。阿里斯塔库斯认为恒星离太阳很远，并认为这是恒星视差没有被观测到的原因，也就是说，当地球绕着太阳移动时，没有观测到恒星彼此相对移动。事实上，恒星的距离比古代通常假定的距离要远得多，这就是为什么恒星视差只能通过精密仪器探测到。地心模型与行星视差一致，平行现象被认为是恒星视差不可观测的原因。对日心说的拒绝显然相当强烈，克里安西斯（Cleanthes，亚里士多德时代的当代主义者和斯多葛主义的领袖）建议希腊人起诉阿里斯塔库斯。
在古代支持阿里斯塔库斯日心模型且留下姓名的天文学家仅有
的塞琉古，他是希腊天文学家，生活在阿里斯塔库斯之后的一个世纪。[17] 根据
（Plutarch）的说法，塞琉古是第一个通过推理来验证日心模型的人，但不知道他使用了什么论据。塞琉古关于日心宇宙学的论点可能与
有关。根据
（Strabo）的说法，塞琉古是第一个指出
是由于月球的吸引力造成的，而潮汐的高度取决于月球相对于太阳的位置。就像
（Nicolaus Copernicus）后来在16世纪所做的一样。在
，印度天文学家
（Aryabhata）和
天文学家阿布·玛沙尔（Abu Ma’shar）和艾尔·森加辛（Al-Sijzi）也提出了日心模型。艾尔·森加辛还认为地球在
上旋转。
10世纪希腊抄本描述前3世纪阿里斯塔库斯计算太阳地球月球大小
亚里士多德的地心说模型在西方世界被接受大约两千年，直到
（Nicolaus Copernicus）恢复了阿里斯塔库斯的
模型，即如果地球在自转轴上自转，而且太阳被放置在宇宙的中心，天文观测数据可以解释得更合理。正如哥白尼自己指出的，
的概念非常古老，至少可以追溯到
（Philolaus，约公元前450年），蓬杜斯（Ponticus）的
（Heraclides，约公元前350年）和
的
（Ecphantus）。大约在哥白尼前一个世纪，库萨（Cusa）的基督教学者尼古拉斯（Nicholas）在他的著作《论无知》（1440年）中也提出地球在其自转轴上旋转。
（Tusi，1201–1274）和阿里·古什吉（Ali Qushji，1403–1474）利用彗星天象提供了地球在自转轴上自转的经验证据。日心说被
（Isaac Newton）、
（Christiaan Huygens）以及后来的科学家所接受。牛顿以哥白尼的研究、
（Johannes Kepler）的观测数据以及
（Johannes Kepler）的
为基础，总结出了
。
托马斯·迪格斯在1576年绘制的哥白尼宇宙模型
（Edmund Halley，1720年）和让-菲利普·德·查索（Jean-Philippe de Chéseaux，1744年）独立地指出，假设无限空间均匀地充满恒星，这将导致夜间天空与太阳本身一样明亮的预测，这在19世纪被称为
（Olbers’ paradox）。牛顿认为，一个无限空间一致地充满物质会导致无限的力，以及导致物质在自身
下向内
的不稳定。1902年，
阐释了这种不稳定。[18]
（Johann Heinrich Lambert）在1761年早些时候也提出了这样的宇宙学模型。18世纪天文学的一个重大进步是
（Thomas Wright）、
（Immanuel Kant）和其他人对星云的观测。
19世纪法国科普作家C.Flammarion书中宇宙木刻插图
1919年，当胡克望远镜（ Hooker Telescope）建成时，主流的观点仍然是宇宙完全由银河系组成。埃德温·哈勃（Edwin Hubble）利用胡克望远镜在几个旋涡状“星云”（当时还不认为是银河系外的星系）中识别了造父变星（Cepheid variables），并在1922-1923年间确凿地证明了仙女座星云（M31）和三角座星云（M33）等是银河系之外完整的星系，从而证明宇宙由众多独立的星系组成。[19]进一步的研究使人们认识到，太阳是银河系中数千亿颗恒星之一，而银河系是宇宙中至少两万亿个星系之一。银河系中的多数恒星都有行星。在较大的宇宙尺度上，星系在各个方向上分布均匀、相同，这意味着宇宙既没有边缘也没有中心。在较小的尺度上，星系分布在星系团和超星系团中，它们在宇宙中形成巨大的大尺度纤维状结构和宇宙空洞，构成一个巨大的泡沫状结构体[20]。20世纪初研究发现，大多数星系具有系统性的红移现象，这表明宇宙正在膨胀；借由对宇宙微波背景辐射的观测，表明宇宙具有起源。[21]
可观测宇宙的地图，包含一些著名天文物体。尺度按指数增加。
年表
关于宇宙进化的流形模型是大爆炸理论。[22]大爆炸模型指出，宇宙最早的状态是一个极其炙热和密集的状态，宇宙随后膨胀和冷却。该模型基于广义相对论和一些简化的假设，如空间的同质性和同构性。具有宇宙常数（Lambda，Λ）和冷暗物质的模型版本（称为ΛCDM模型）是最简单的模型，为宇宙的各种观测结果提供了相当好的解释。大爆炸模型包括星系距离和红移的相关性、氢氦原子的数量比例以及微波背景辐射等观测结果。
最初的炙热、密集状态被称为普朗克时期，是从时间零点到一个普朗克时间单位（约10-43秒）的短暂时期。在普朗克时期，所有类型的物质和所有类型的能量都集中在一个密集的状态，当前是已知四种基本力中最弱的引力，被认为在那时与其他基本力一样强大，所有的基本力可能是统一的。自普朗克时期以来，空间一直持续膨胀到当前的规模。在10-32秒内出现了一段非常短但强烈的宇宙暴胀时期。[23]这是一种不同于当前宇宙的膨胀，空间中的物体没有实际移动，而是定义空间本身的度规发生改变。尽管时空中的物体移动速度不能快于光速，但此限制不适用于控制时空本身的度规。宇宙初始时期的宇宙暴胀解释了为什么空间看起来非常平坦，以及为什么空间规模比光从宇宙初始以来穿越的距离大得多。
在宇宙存在的前几分之一秒内，四种基本力已经分离。随着宇宙继续从不可思议的炙热状态中冷却下来，各种类型的亚原子粒子能够在短时间内先后形成，分别称为夸克时期、强子时期和轻子时期，这些时期加起来在大爆炸之后持续了不到10秒的时间。这些基本粒子稳定地结合到越来越大的组合中，包括稳定的质子和中子，然后通过核聚变形成更复杂的原子核。这个过程，被称为大爆炸核合成（或原初核合成），只持续了约17分钟，并在大爆炸后约20分钟结束，所以只有最快和最简单的核聚变反应发生。按质量计算，大约25%的质子和宇宙中所有的中子被转换成氦、少量的氘（氢的一种同位素）以及痕量的锂，其他所有元素只生成了非常非常少的数量。剩余75%没有参与核聚变的质子即为氢原子核。
核合成结束后，宇宙进入了光子时期。在此期间，宇宙仍然太热，物质不能形成中性原子。所以当时的宇宙是一团炙热、致密的雾状等离子体，由带负电荷的电子、中性中微子和带正电荷的原子核组成的。大约37.7万年后，宇宙已经冷却到足以使电子和原子核形成第一个稳定的原子。由于历史原因，这个过程被称为复合，但实际上却是电子和原子核是第一次结合。与等离子体不同，中性原子对许多波长的光是透明的，所以宇宙也第一次变得透明。当原子形成时，光子被释放（退耦），这些光子形成了当前仍然可以观测到的宇宙微波背景（CMB）。
随着宇宙的膨胀，光子的能量会因波长变长而降低，因此电磁辐射的能量密度比物质的能量密度下降得更快。大约在47000年之后，物质的能量密度变得大于光子和中微子，并开始主宰宇宙的大尺度行为。这标志着辐射主导时期的结束和物质主导时期的开始。
在宇宙的最初阶段，宇宙密度的微小波动导致暗物质的聚集逐渐形成。普通物质被暗物质引力吸引，形成了巨大的气体云，最终形成了恒星和星系，暗物质在大尺度纤维状结构中最密集，在宇宙空洞中最稀疏。大约1亿到3亿年后，被称为星族III的第一代恒星形成。这批恒星可能不含金属，质量体积非常大，发光亮度非常高，但寿命却非常短。第一代恒星导致了宇宙在2-5亿到10亿年之间逐渐再电离，并通过恒星核合成作用产生比氦重的元素，并将其撒布到宇宙中。[24]宇宙还含有一种神秘的能量称为暗能量，其密度不会随时间而变化。大约98亿年后，宇宙已经膨胀到使物质的密度小于暗能量的密度，标志着当前暗能量主导的时期的开始。在这个时期，暗能量导致宇宙的膨胀不断加速。
物理性质
在四个基本相互作用中，引力在天文尺度中占主导地位。引力效应是累积的，相比之下，正电荷和负电荷的影响往往彼此抵消，使得电磁力在天文尺度上相对微不足道。其余两种相互作用，弱和强核力量，随距离下降非常快，其影响主要局限在亚原子尺度上。
似乎宇宙中的物质比反物质更多，这是一种可能与CP破坏有关的不对称。物质和反物质之间的这种不平衡是造成当前所有物质存在的部分原因，因为如果在大爆炸产生同样多的物质和反物质，就会发生相互作用完全湮灭彼此，只留下光子。宇宙似乎也既没有净动量，也没有角动量，如果宇宙是有限的，则遵循公认的物理定律。这些定律是高斯定律和非散度压力-能量-动量赝张量。[25]
大小和区域
宇宙的大小有点难以定义。根据广义相对论，由于光速有限和空间不断膨胀，即使在宇宙的生命周期内，遥远的空间区域也可能永远不会与地球附近的空间相互作用。例如，空间的膨胀速度可能快于穿过它的光速，即使宇宙永远存在，从地球发送的无线电信息可能永远不会到达空间的一些区域。
假定遥远的空间区域存在，并且是
的一部分，但却永远无法与其相互作用。可以影响和被影响的空间区域是可观测的宇宙。
取决于观察者的位置。旅行中的观察者可以接触比静止的观察者更大的时空区域。然而，即使是最快速的旅行者也无法与所有的空间互动。通常，可观测宇宙是指地球在银河系中的当前位置观测到的宇宙部分。在当前时间测量的地球到
边缘之间的真实距离为465亿光年（140亿秒差距），即可观测宇宙的直径约为930亿光年（280亿秒差距）。[26] 光从可观测宇宙边缘移动到地球距离非常接近宇宙的年龄乘以光速，即138亿光年（42亿秒差距），但这并不代表任何给定时间地球到可观测宇宙边缘之间的距离。因为
，可观测宇宙边缘和地球已经比最初相距更远。与可观测宇宙范围相比，一个典型星系的直径为3万光年，两个相邻星系之间的典型距离为300万光年。例如，
的直径约为10到18万光年，距离银河系最近的姐妹星系
位于大约250万光年之外。
从地球广播的电视信号将永远不会到达此图像的边缘
因无法观察可观测宇宙边缘以外的空间，所以不知道宇宙的大小是有限还是无限。[27]估计表明，如果整个宇宙是有限的，必须大于可观测宇宙250倍以上。宇宙的总体大小一些有争议的。宇宙无边界的方案认为，如果宇宙有限，其范围估计值将高达
百万秒差距。[28]
年龄与膨胀
天文学家通过假设ΛCDM模型准确地描述了宇宙从非常均匀、炽热、密集的原始状态到其当前状态的演变，并通过测量构建该模型的宇宙参数来计算宇宙的年龄。该模型在理论上被很好地理解，并且在最近一段时间得到高精度天文观测数据（如
探测器和
）的支持。拟合的观测结果通常包括
、
的亮度与
的关系，以及包括
特征在内的大尺度星系聚集。其他观测结果，如
、
丰度、
和
年龄，与这些观测结果基本一致，为模型提供了检验，但当前测量的不太准确。假设ΛCDM模型是正确的，通过许多实验使用各种技术测量参数，根据截至2015年普朗克卫星的观测数据，[29] 可计算出
的最佳值，即137.99±0.21亿年。随着时间的推移，宇宙及其内涵已经演变。例如，
和星系的相对分类已经改变，空间本身也扩大了。由于宇宙膨胀，地球上的科学家可以观测到300亿光年外星系发出的光，尽管这些光只飞行了130亿年，因为地球与该星系之间的空间已经膨胀。这种膨胀与来自遥远星系的光发生红移的观察结果是一致的，发出的光子在旅程中被膨胀的空间拉伸为更长的波长和较低的频率。对Ia超新星的分析表明，空间膨胀的速率正在增长。[30]
天文学家在银河系中发现了一颗年龄接近136亿年的恒星
宇宙中物质越多，物质间相互引力就越强。如果宇宙太密集，那么会重新坍缩成引力奇点。如果宇宙包含的物质太少，那么引力就会太弱，星系或行星等天文结构将无法形成。自从大爆炸以来，宇宙一直在单调膨胀。宇宙拥有相当于每立方米5个质子的合适的质能密度也许并不奇怪，因此能够过去138亿年不断膨胀，为当前观测到的宇宙的形成提供时间。
此外，科学家发现还有动态的力作用于宇宙中的粒子，影响膨胀速率。1998年以前，由于宇宙引力相互作用的影响，预计膨胀速率会随着时间的流逝而下降。因此，宇宙中还有一个可观测量，称为减速参数，大多数宇宙学家预计该参数为正数，并且与宇宙的物质密度有关。1998年，减速参数由两个不同的团队独立测量为负数，大约为-0.55，这在技术上意味着宇宙尺度因子的第二个导数
在过去50-60亿年是正数。[21]然而，这种加速度并不意味着哈勃常数（宇宙常数）当前正在增加。
时空
时空是所有物理事件都在上演的竞技场。时空的基本要素是事件。在任何给定的时空中，事件被定义为在特定时间上特定位置。时空是所有事件的集合（就像线是它的所有点的集合一样），正式地组成一个流形。[31]事件（如物质和能量）会弯曲时空。另一方面，弯曲的时空迫使物质和能量以某种方式运行。只考虑其中之一而不考虑另外一个是没有意义的。
宇宙似乎是一个平滑的时空连续体，由三个空间维度和一个时间维度组成。因此，物理宇宙时空中的事件可以通过一组四个坐标来识别：x、y、z、t。平均而言，观测到的空间非常接近平坦（曲率接近于零），这意味着欧几里德几何体在经验上是真实，以高精度遍及大部分宇宙。与球体进行类比，时空似乎也具有一种单连通拓扑结构，至少在可观测宇宙的尺度上是这样。然而，当前的观测结果不能排除宇宙有更多的维度（由弦理论等理论假设）以及时空可能有一个多连通全局拓扑的可能性（与二维空间的圆柱形或环形拓扑类比）。宇宙的时空通常从欧几里德的角度解释，空间由三个维度组成，被称为"第四维度"的时间由一个维度组成。通过将空间和时间结合到一个称为闵可夫斯基空间的单一的流形中，物理学家简化了大量的物理理论，并以更统一的方式描述了宇宙在超星系和亚原子水平上的工作原理。时空事件不是绝对定义的空间和时间，而被认为是相对于观察者的运动。闵可夫斯基空间近似于没有引力的宇宙，广义相对论的伪黎曼流形用物质和引力来描述时空。
形态
广义相对论描述了时空如何弯曲和弯曲的质量和能量（引力）。宇宙的拓扑或几何包括可观测宇宙的局部几何体和全局几何体。宇宙学家通常使用给定的空格一样（流形）的时空片段，称为
。可观测的时空部分是后向
，它划定了
。宇宙学视界（也称为
或光视界）是粒子能在宇宙年龄内抵达观察者的最远距离。这个视界表示宇宙的可观测区域与不可观测区域之间的边界。宇宙视界的存在、性质和意义取决于特定的
。决定宇宙理论未来演化的一个重要参数是
Ω，它被定义为宇宙的平均物质密度除以该密度的临界值。根据Ω是否等于、小于或大于 1，对应三个可能的几何形状之一，分别被称为平坦的、开放的和封闭的宇宙。[32]
宇宙形状的三种可能选择，取决于密度参数Ω
包括宇宙背景探测器（COBE）、威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和宇宙微波背景辐射的普朗克地图在内的观测数据，表明宇宙在有限年龄范围内是无限的，正如弗里德曼-勒马埃特雷-罗伯逊-沃克（FLRW）模型所描述的那样。因此，这些FLRW模型支持暴胀模型和宇宙学标准模型，描述了当前由暗物质和暗能量主导的平坦、均匀的宇宙。[33]
对生命的支持
宇宙可能会被微调。微调宇宙假说是一个命题，即只有某些宇宙基本物理常数位于非常狭窄的值范围内，才可能允许宇宙出现生命的条件。因此，如果几个基本常数中的任何一个只是略有不同，宇宙就不太可能有利于物质生成、天文结构、元素多样性或可理解宇宙的生命的产生和发展。[34]哲学家、科学家、神学家和创造论的支持者都讨论过这一命题。
组成
宇宙几乎完全由暗能量、暗物质和普通物质组成。其他包括电磁辐射（估计占宇宙总能量的0.005%或接近0.01%）和反物质。在宇宙的历史中，所有类型的物质和能量的比例都发生了变化。在过去20亿年中，宇宙中产生的电磁辐射总量减少了
。当前包括
、
、
、
和
在内的普通物质仅占宇宙质能总量的4.9%。[5] [33] 当前这类物质的总体密度非常低，大约为4.5×10-31g/cm3，相当于每4立方米体积中只有一个质子的密度。暗能量和暗物质的性质是未知的。暗物质是一种尚未被确认的神秘物质形式，占宇宙总量的26.8%[5] 。暗能量是来自虚无空间的能量，它导致宇宙的膨胀加速，占宇宙总量的68.3%[5] 。普通物质、暗物质和暗能量在超过3亿光年左右的尺度上均匀地分布在整个宇宙中。然而，在较小的尺度上，物质往往按层级聚集，绝大多数原子聚集成恒星，绝大多数恒星聚集形成
，绝大多数星系聚集形成
，最后是
。可观测宇宙包含超过2万亿（1012）个星系，总体而言，估计有超过1亿亿亿（1024）颗恒星（比地球上所有的沙粒都多）。典型星系中的恒星数量范围从只有几千万（107）颗恒星的
到拥有数万亿（1012）颗恒星的
。银河系位于
中，而本星系群又位于
中。[35] 这个超星系团跨越5亿光年，而本星系群跨越1000万光年。
是宇宙中相对空虚的广阔区域，位于较大的天文结构之间，其直径通常为1000万–1.5亿
（3300 万-4.9 亿光年）。已测量到的最大宇宙空洞跨越18亿光年 （5.5亿秒差距） 。
包含暗能量的冷暗物质模型中星系团和大尺度纤维状结构的形成
地球在宇宙中的位置，所处的天文结构尺度从左上到右下不断增大
可观测的宇宙在比超星系团大得多的尺度上是各向同性的，这意味着宇宙的统计属性在从地球上观察到的所有方向上是相同的。宇宙沐浴在高度各项同性的微波辐射中，相当于大约2.72548开尔文的热平衡黑体光谱。大尺度宇宙是均匀的和各向同性假设被称为宇宙学原理。一个既均匀的和各向同性的宇宙从所有观察点看都是一样的，没有中心。[36]
暗能量
宇宙膨胀加速的原因仍然难以捉摸，这通常归因于暗能量。暗能量是一种被假设为渗入空间中的未知能量形式。在质能等价的基础上，暗能量的密度（约7×10-30g/cm3）比星系内普通物质或暗物质的密度要低得多。然而，在当前的暗能量时期，它主宰着宇宙的质能，并且它在空间之中是均匀的。[37]
暗能量的两种拟议形式是宇宙常数和标量场。宇宙常数以恒定的能量密度均匀的填充空间，标量场能量密度可能因时间和空间而动态变化。标量场的贡献通常也包括在宇宙常数中。公示化表达的宇宙常数相当于真空能量。仅具有少量空间不均匀性的标量场将很难与宇宙学常数区分开。
暗物质
暗物质是一种假设物质，对整个电磁波谱都是不可见的，但却占了宇宙物质的大部分。暗物质的存在和性质是因为它对可见物质、辐射和宇宙大尺度结构的引力作用而推断的。除了中微子被认为是一种热暗物质，其他暗物质特别是冷暗物质还没有被直接探测到，因此它成为现代天体物理学中最大的谜团之一。暗物质既不发射也不吸收光（或任何其他在显著水平的电磁辐射）。据估计，暗物质占宇宙总质能的26.8%，占宇宙总物质的84.5%。[38]
普通物质
宇宙剩余4.9%的质能是普通物质，即
、
、
和它们所形成的物体。物质包括
（产生几乎所有从星系发出的光）、
、星际和星系际介质中的气体，以及日常生活中可以碰到，触摸或挤压到的所有物体。事实上，宇宙中绝大多数普通物质是看不见的，因为星系和星系团内的可见恒星和气体仅占普通物质的10%。[39] 普通物质通常存在四种物质状态（相）：
、
、
和
。然而，实验技术的进步揭示了其他之前处于理论阶段的物质状态，如
与
。
通过WMAP数据得出的当前宇宙质能比例与大爆炸后38万年比较
普通物质由两种基本粒子组成：夸克和轻子。例如，质子由两个向上夸克和一个下夸克组成，中子由两个下夸克和一个上夸克组成，电子是一种轻子。原子由原子核组成，由质子和中子组成，电子围绕原子核运行。由于原子的绝大多数质量集中在其原子核中，而核由重子组成，天文学家经常使用“重子物质”一词来描述普通物质，尽管这种重子物质中有一小部分是电子。
大爆炸后不久，原始质子和中子由早期宇宙的夸克-胶子等离子体形成，温度低于两万亿度后冷却。几分钟后，在一个称为大爆炸核合成的过程中，原子核由原始质子和中子形成。这种核合成形成了较轻的元素，即原子序数小于锂和铍的元素，但较重元素的丰度随着原子序数的增加而急剧下降。此时可能已形成一些硼，但下一个更重的元素——碳并没有大量形成。由于宇宙膨胀，温度和密度迅速下降，大爆炸核合成在大约20分钟后关闭。此后，恒星核合成和超新星核合成过程形成了较重元素。[40]
粒子
普通物质和对物质作用的力可以用
来描述。这些粒子有时被描述为基本的，是因为它们有一个未知的子结构，而且不知道是否由更小甚至更基本的粒子组成。标准模型是一个核心问题，它涉及
和
与
。[41] 标准模型由实验确认存在构成物质的粒子支持：夸克和轻子及其相应的反物质，以及传递基本相互作用的作用力粒子：
、
、
。[42] 标准模型预测了最近发现的
的存在，这种粒子是宇宙中能够赋予粒子质量的一种场的表现。由于成功地解释了各种各样的实验结果，标准模型有时被视为"
"。标准模型尚不能容纳引力，一个真正的作用力粒子"万物论"尚未实现。
基本粒子的标准模型，紫色为夸克，绿色为轻子，橙色为玻色子
强子是一种由夸克构成的复合粒子，由强相互作用聚集在一起。强子被分为两个家族：由三个夸克构成的重子（如质子和中子），和由一个夸克和一个反夸克组成的介子（如π介子）。在强子中，质子是稳定的，在原子核内被约束的中子也是稳定的。其他的重子在一般条件下是不稳定的，因此是现代宇宙中微不足道的成分。从大爆炸后约10-6秒开始的重子时期，宇宙的温度已经下降到足以使夸克结合成重子，而且当时宇宙的质量则由重子主宰。最初的温度足够高，可以形成重子/反重子对，使物质和反物质保持热平衡。然而，随着宇宙温度的不断下降，重子/反重子对不再产生。绝大多数的重子/反重子在粒子/反粒子湮灭反应中被消耗，因此在宇宙诞生大约一秒后只留下少量的重子。[43]
轻子是一个基本的半整数自旋的粒子，不经历强相互作用，但受制于泡利不相容原理，同一种类的两个轻子不能同时处于完全相同的状态。存在两个主要的轻子类别：带电的轻子（也称为电子样轻子）和中性轻子（更广为人知的是中微子）。电子是稳定的，是宇宙中最常见的带电轻子，而μ子和τ子是不稳定粒子，在高能碰撞中产生后会迅速衰变。典型的高能碰撞例如宇宙射线或粒子加速器。带电的轻子可以与其他粒子结合，形成各种复合粒子，如原子以及一个电子与一个正电子组成的电子偶素。电子控制着几乎所有的化学过程，因为它存在于原子中，并且直接与所有的化学性质有关。中微子很少与任何东西相互作用，因此很少观察到。中微子流遍整个宇宙，但很少与普通物质相互作用。轻子时期处于宇宙进化早期，当时轻子主宰着宇宙的质量。轻子时期开始于大爆炸后大约1秒，在大多数的重子/反重子在重子时代结束时互相湮灭之后。在轻子时期，宇宙的温度仍然高到足够以产生轻子/反轻子对，因此轻子/反轻子处于热平衡状态。大爆炸后大约10秒，宇宙的温度已经下降到不再能产生轻子/反轻子对。大多数轻子和反轻子随后在湮灭反应中被消耗，留下少量的轻子残留物。之后宇宙进入光子时期，宇宙的质量被光子所支配。[44]
光子是光和所有其他形式电磁辐射的量子。光子是电磁力的力载体，即便通过虚光子（虚粒子）交换处于静态也是如此。这种力的影响在微观和宏观层面很容易观察到，因为光子静质量为零，这允许光子长距离相互作用。与所有基本粒子一样，光子用量子力学解释得最好的，并表现出波粒二象性，即同时具有波和粒子的双重性质。大多数轻子/反轻子在轻子时代结束时被湮灭，随后大爆炸后约10秒进入了光子时期。原子核是在光子时代的最初几分钟的核合成过程中创造的。在光子时代的剩余时间里，宇宙是一团包含着原子核、电子和光子的炙热、致密的等离子体。大爆炸后约38万年，宇宙的温度下降到原子核可以与电子结合产生中性原子。因此，光子不再与物质频繁相互作用，宇宙变得透明。这个时期产生的光子高度红移形成了宇宙微波背景辐射。宇宙微波背景辐射中可检测到的温度和密度的微小变化，是随后一切结构形成的早期原因。[43]
模型
广义相对论模型
是
（Albert Einstein）于1915年发表的关于引力的微分几何物理学理论，也是
对引力的描述，也是当前宇宙模型的基础。广义相对论概括了
和牛顿
，对引力作为空间和时间（时空）的几何属性提供了统一的描述。特别是，时空的曲率与存在的任何物质和辐射的能量和动量直接相关。该关系由
（一个偏微分方程体系）指定。在广义相对论中，物质和能量的分布决定了时空的几何形状，而时空的几何形状又描述了物质的加速度。因此，爱因斯坦场方程的解描述了宇宙的演化。结合对宇宙中物质的数量、类型、分布的测量，广义相对论方程描述了宇宙随着时间的演变。宇宙的最终命运仍然未知，因为它严重取决于
k和
Λ。如果宇宙足够密集，k将等于+1，这意味着整个平均曲率是正的，宇宙最终将在
中重新坍缩，[45] 可能在
后开启一个新的宇宙。相反，如果宇宙的密度不够，k等于0或-1，宇宙将永远膨胀、冷却并最终到达大冻结和
。[46] 现代观测数据表明，宇宙的膨胀速度并没有像最初预期的那样下降，而是在增加。如果这种情况无限期地继续下去， 宇宙最终可能会达到
的结局。[45]
爱因斯坦解释广义相对论的手稿扉页
多重宇宙假说
一些推测性理论提出，当前宇宙只是一组不连续的宇宙中的一个，统称为多重宇宙，挑战或增强了有限定义的宇宙。[47]科学的多重宇宙模型不同于模拟现实等概念。美国宇宙学家马克斯·泰格马克（Max Tegmark）为科学家为应对各种物理问题而建议，而将不同类型的多重宇宙论模型分成了四类。[2]
第一类：这类宇宙和当前宇宙的物理常数相同，但是粒子的排列方式不同，同时这类宇宙也可视为存在于已知宇宙（可观测宇宙）之外的其他区域。
第二类：这类宇宙的物理定律大致和当前宇宙相同，但是基本物理常数不同。
第三类（艾弗雷特的多世界诠释）：根据量子理论，一个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，因为这类宇宙所遵循的基本物理定律依然和当前宇宙相同。
第四类（数学宇宙假说）：这类的宇宙最基础的物理定律不同于当前宇宙，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。
参考资料
[1]Schreuder Duco A．Vision and Visual Perception．Archway Publishing，2014：p. 135.
[2]Tegmark M . Parallel Universes[J]. Scientific American, 2003, 288(5):p.31-41.
参考资料
- [1]Schreuder Duco A．Vision and Visual Perception．Archway Publishing，2014：p. 135.
- [2]Tegmark M . Parallel Universes[J]. Scientific American, 2003, 288(5):p.31-41.
[3]中外科学家联合发布巨幅宇宙二维天图 含20亿天体．百家号[引用日期2021-01-14]
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