宇宙基础知识（1）

胡经国

《宇宙基础知识》全文目录

一、前言

二、宇宙的基本概念

三、宇宙的组成与结构

四、宇宙的年龄

五、宇宙大爆炸起源概说

六、宇宙大爆炸学说

七、大爆炸宇宙模型

八、宇宙大爆炸理论的论据

九、宇宙有中心吗？

十、宇宙大爆炸学说评价

十一、十大可能外星生命发源地

下面是正文

一、前言

1、关于宇宙微波背景辐射图的报道

据《每日邮报》2010年报道，欧洲科学家利用“普朗克”天文望远镜完成了首张全天域宇宙微波背景辐射图。该图成功地捕捉到了宇宙大爆炸起源的遗留痕迹，对于宇宙起源和演化过程的研究具有巨大的科学价值。

宇宙微波背景辐射，又称3K背景辐射，是一种充满整个宇宙的电磁辐射，是宇宙大爆炸产生的残余电磁辐射。其特征与绝对温标2.725K的黑体电磁辐射相同；其频率属于微波范围。

绝对温标亦称开氏温标，用符号K表示。它也是一种热力学温标。该温标规定：摄氏零下273.15℃，为绝对温标的零点，称为绝对零点或绝对零度。其分度法与摄氏温标相同，即绝对温标上相差1K时，摄氏温标上相差1℃；所不同的只是，绝对温标上水的冰点定为273.15K，沸点定为373.15K。绝对零度等于零下273.15℃，约等于零下273℃。

上述历时6个月完成的宇宙微波背景辐射图，全景展示了孕育人类的银河系的现状，同时提供了宇宙形成之初的珍贵信息。图像上遍布于整个银河的宇宙尘埃网络，是正在形成或已经开始其生命历程的新星的摇篮。

宇宙微波背景辐射图，为人类勾画出一张137亿年前大爆炸后新生宇宙的蓝图。图片上颜色的深浅变化代表了温度和密度的细微差别。从某种程度上说，恰恰是这些细微差别，使最初的宇宙的某些区域密度加大，最终演化成为今天的各大星系。

宇宙微波背景辐射覆盖整个宇宙。但是，在这张图像上，许多部分都被银河掩盖了。科学家将通过精密的数据分析，剥离出全宇宙的微波背景辐射信息，并希望能够从中得出大爆炸后宇宙膨胀的详细过程。

2、“普朗克”天文望远镜

2009年5月14日，在法属圭亚那库鲁航天中心，欧洲阿丽亚娜5-ECA型火箭发射升空。格林尼治时间14日13时12分（北京时间14日21时12分），欧洲阿丽亚娜5-ECA型火箭携带欧洲航天局两颗科学探测卫星“赫歇尔”和“普朗克”，从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空。

“普朗克”科学探测卫星是以德国物理学家马克斯·普朗克的名字命名的。它携带了一系列敏锐度极高的仪器，能够对宇宙微波背景辐射进行深入探测。“普朗克”探测器主要用于对宇宙辐射进行观测。“普朗克”的个头比“赫歇尔”小了许多，高度只有1.5米。

目前科学界普遍认为，宇宙诞生于距今137亿年前的一次大爆炸，作为大爆炸的“余烬”，微波背景辐射均匀地分布在整个宇宙空间。因此，“普朗克”的探测结果，将有助于科学家研究早期宇宙的形成和物质起源的奥秘。

马克斯·普朗克教授，德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人，1918年诺贝尔物理学奖的获得者。 普朗克的伟大成就，在于创立了量子理论。这是物理学史上的一次巨大变革。从此，结束了经典物理学一统天下的局面。

3、本文作者的话

关于首张全天域宇宙微波背景辐射图的报道，激发了作者作为一个地球科学普及最忠实的志愿者的写作灵感。试图编写一篇简要介绍若干宇宙基本知识的科普文章，以此作为读者朋友们进一步学习和了解宇宙基本知识的入门和第一步阶梯。此举，但愿能够引起读者朋友们的兴趣，获得读者朋友的喜欢和指教。

二、宇宙的基本概念

1、宇宙的概念

宇宙（Universe）是指由空间和时间及其中所有物质、能量和事件所构成的统一体，是一切空间和时间的综合。一般理解的宇宙，是指我们所存在的一个时空连续系统，包括其中的所有物质、能量和事件。

“宇”是指空间，“宙”是指时间。宇宙就是在空间上无边无际和在时间上无始无终的、按客观规律运动的物质世界。

宇宙是万物的总称，是时间和空间的统一。宇宙是物质世界，不依赖人们的主观意志而客观存在，并处于不断运动和发展之中。宇宙是多样的，又是统一的。

2、宇宙的形状

宇宙的形状现在还是未知的。目前，还只有一些关于宇宙形状的大胆想象。有的想象，宇宙是类似人的、这样一种生物的一个小细胞。有的想象，宇宙是由一种拥有比人类更高智慧的生物所制造出来的、电脑的一个程序或一个小小的原件。有的则认为，宇宙是无形的，它时刻都在不停地变化着。

总之，宇宙的形状是人类未解的一个心锁。据科学家推算，就我们已知、已观测到的宇宙而言，宇宙直径约为300亿光年。

3、宇宙的有限与无限

宇宙是无限的，意思是指：宇宙从开始到结束，然后又从开始到结束，不断循环。所以说，宇宙整个的时空是无限的。

宇宙是有限的，意思是指：宇宙从开始到结束的每一轮循环，是有起始有终点的。所以说，宇宙每一轮循环的时空是有限的。

总之，有限与无限是相对的；宇宙总体是无限的，其局部是有限的；宇宙是有限与无限的矛盾结合体；有限和无限是建立在宇宙时空这个共同的支点上的。

三、宇宙的组成与结构

宇宙是怎样产生的？宇宙是有限还是无限的？有没有中心，有没有边界？有没有“生老病死”，有没有年龄？这些恐怕是自从有人类活动以来一直被科学家关心的问题。为了有一个更清楚的答案，先来了解一下宇宙的组成与结构。

1、恒星、行星、太阳系

⑴、恒星

恒星是由炽热气体组成的、能自己发光的球状或类球状天体。由于恒星离我们太远，不借助于特殊工具和方法，很难发现它们在天上的位置变化，因此古代人认为它们是恒定不动的星体。我们所处的太阳系的主星太阳就是一颗恒星。

在晴朗无月的夜晚，无光污染的地区，一般人用肉眼大约可以看到6000多颗恒星。晴夜，我们用肉眼看到的许多闪闪发光的星星，绝大多数都是恒星。若借助望远镜，则可以看到几十万乃至几百万颗以上的恒星。估计，银河系中的恒星大约有一、二千亿颗。

⑵、行星

行星通常指自身不发光、环绕着恒星运行的天体。一般来说，行星需要具有足够大的质量（相对于月球），近似呈圆球状，自身不能像恒星那样发生核聚变反应。

截至2000年，研究人员只在我们的太阳系外发现26颗行星。截至2010年，这一数字已攀升至502颗。据天文学家预计，随着观测技术的越发先进，他们能够发现更多类地行星。大型系外行星的体积和运行轨道让科学家对行星系统形成和演变的认识发生革命性变化。

⑶、太阳系

太阳系 （Solar System）就是我们现在所在的恒星系统。它是以太阳为中心，和所有受到太阳引力约束的天体的集合体。

我们居住的地球是太阳系的一颗大行星。目前，太阳系共有八大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。

所谓太阳系“九大行星”是历史上流行的一种说法，即水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星。2006年8月24日，在布拉格举行的第26届国际天文联会通过的第5号决议中，冥王星被划为矮行星，并命名为小行星134340号，从太阳系九大行星中除名。

在太阳系中，除了太阳和八大行星以外，还有至少165颗已知的卫星和数以亿计的太阳系小天体。这些小天体包括小行星、柯伊伯带的天体、彗星和星际尘埃。它们都是离我们地球较近的、是人们了解较多的天体。

⑷、小行星、彗星、柯伊伯带

小行星（Asteroid）是指太阳系中类似行星环绕太阳运动，但体积和质量比行星小得多的天体。在太阳系中，大部分小行星的运行轨道在火星和木星之间，称为小行星带。另外，在海王星以外，也分布有小行星，这片地带称为柯伊伯带（Kuiper Belt）。

彗星（Comet），中文俗称“扫把星”，是太阳系中小天体之一类。它由冰冻物质和尘埃组成。当它靠近太阳时即为可见。太阳的热使彗星物质蒸发，在冰核周围形成朦胧的彗发和由一条稀薄物质流构成的彗尾。由于太阳风的压力，彗尾总是指向背离太阳的方向。

那么，除了上述这些天体以外，在茫茫宇宙空间里还有一些什么呢？

2、星团和星云

⑴、星团

恒星往往成群分布，常常爱好“群居”。有许多恒星是“成双成对”地紧密靠在一起的，按照一定的规律互相绕转着，它们被称为双星。还有一些是3颗、4颗或更多颗恒星聚集在一起，它们被称为聚星。假如是10颗以上，甚至成千上万颗恒星聚集在一起，形成一团恒星，它们被称为星团。在银河系里已发现有1000多个这样的星团。

通常把恒星数在10个以上、而且在物理性质上相互联系的星群叫做“星团”，例如金牛座中的“昴星团”、“毕星团”，巨蟹座中的蜂巢星团等。

⑵、星云

星云（Nebula）是由星际空间的气体和尘埃结合成的云雾状天体。它包含了除行星和彗星外的几乎所有延展型天体。星云的主要成份是氢，其次是氮，还含有一定比例的金属元素和非金属元素。近年来的研究还发现，星云含有有机分子等物质。

星云里的物质密度是很低的，若拿地球上的标准来衡量的话，有些地方是真空的。可是星云的体积十分庞大，常常方圆达几十光年。所以，一般星云比太阳要重得多。

星云的形状是多姿多态的。星云和恒星有着“血缘”关系。恒星抛出的气体将成为星云的组成部分，星云物质在引力作用下压缩成为恒星。在一定条件下，星云和恒星是能够互相转化的。

3、银河系及河外星系

随着测距能力的逐步提高，人们逐渐在越来越大的尺度上对宇宙的结构建立了立体观念。这里第一个重要的发展，是认识了银河系。它包含两重含义，一是了解了银河系的形状，二是认识了河外天体的存在。

⑴、银河系

银河系（Milky Way）因其主体部分投影在天球上的亮带，被中国称为银河而得名。它是一个由2000多亿颗恒星、数千个星团和星云以及各种类型的星际气体和星际尘埃组成的盘状恒星系统，是太阳系所在的星系。它的总质量是太阳质量的1400亿倍。它的直径约为10万光年，中间最厚部分的厚度约为12000光年。

银河系呈漩涡状，有4条螺旋状的旋臂从银河系中心均匀对称地延伸出来。银河系中心和4条旋臂都是恒星密集的地方。太阳位于一条叫做猎户臂的旋臂上，逆时针旋转。太阳绕银河系中心旋转一周大约需要2.5亿年。太阳距离银河系中心约2.6万光年。

依据欧洲南天天文台（ESO）的研究报告，估计银河系的年龄约为136亿岁，差不多与宇宙一样老。随后，由天文学家Luca Pasquini, Piercarlo Bonifacio, Sofia Randich, Daniele Galli and Raffaele G. Gratton.所组成的团队，在2004年，使用甚大望远镜（VLT）的紫外线视觉矩阵光谱仪进行的研究，首度在球状星团NGC 6397的两颗恒星内，发现了铍元素。这个发现，让他们将第一代恒星与第二代恒星交替的时间，往前推进了2～3亿年。据此估计，球状星团的年龄为134±8亿岁，因此银河系的年龄不会低于136±8亿岁。

⑵、河外星系

河外星系，简称为星系，是指位于银河系之外、由几十亿至几千亿颗恒星、星云和星际物质组成的天体系统。之所以称之为河外星系，是因为它们全部都存在于银河系之外，即位于银河系之外的所有天体系统都被称为河外星系。

银河系与河外星系组成了天文学对于天体的最高称呼——总星系。银河系也只是总星系中的一个普通星系。人类估计，河外星系包含的天体及天体系统总数在千亿个以上。它们如同辽阔海洋中星罗棋布的岛屿，故也被称为“宇宙岛”。

⑶、星系分类

目前，按照哈勃在1926年提出的星系分类法，星系分为：椭圆星系，漩涡星系（太阳系所处的银河系是一个漩涡星系），透镜星系和不规则星系。此外，还有所谓棒旋星系。

4、星系团

当我们把观测的尺度再放大时，宇宙可以看成是由大量星系构成的“介质”。

在遥远的银河外星系，天文学家通过大望远镜，已经发现了上千亿个星系。它们并不是孤立地分散在宇宙之中，而是聚集起来形成一个个大小不一的星系集团。科学家应用力学方法，对星系集团的质量进行了测定，发现这些星系集团的质量远远大于其中星系和气体质量的总和，那些多余质量的来源被称为暗物质。这种由星系、气体和大量暗物质在引力的作用下聚集而形成的庞大的天体系统，就称为星系团。简而言之，星系团是指由十几个、几十个、乃至上千个星系以及气体和大量暗物质组成的星系集团。

5、大尺度结构与超星系团

今天，人们把尺度在10Mpc（1Mpc＝3.26百万光年）以上的结构，称为宇宙的大尺度结构。目前，观测到的宇宙的大小是104Mpc＝336.96百万光年。

至今，大尺度上的观测事实远不是十分明确的。有趣的是，有迹象表明，星系在大尺度结构上的分布呈泡沫状。其中有许多看不到星系的“空洞”区，而星系聚集在这种“空洞”的壁上，呈纤维状或片状结构。这一层次的结构叫做超星系团。

总之，若把星系看成宇宙物质的基本单元，则星系的分布状况就是宇宙结构的表现。现在看来，直至50Mpc的大尺度为止，星系的分布呈现有层次的结构。这就是我们对宇宙组成与结构的基本认识。

6、暗物质与黑洞

⑴、暗物质与暗能量

在宇宙学中，暗物质是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质。人们目前只能通过引力产生的效应得知宇宙中有大量暗物质的存在。暗物质存在的最早证据来源于对球状星系旋转速度的观测。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、微波背景辐射等研究表明：我们目前所认知的宇宙部分大概只占宇宙的4％，暗物质占了宇宙的23%，还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。

过去10年时间里，研究人员进一步精确宇宙的构成。根据他们的研究，普通物质在宇宙中的比重占4%，暗物质占23%，暗能量占73%。此外，他们还发现了这些物质和能量结合在一起的方式。这些研究突破将宇宙学变成一门立基于一项标准理论的精确科学。这项理论只为其他想法留下很少的空间。

21世纪初，科学最大之谜是暗物质和暗能量。它们的存在，向全世界年轻的科学家提出了挑战。 暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。

暗能量更是奇怪。以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。

围绕暗物质和暗能量，李政道阐述了他最近发表文章探讨的观点。他提出“天外有天”，指出“因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙”，“我们的宇宙在加速地膨胀”且“核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连”。

⑵、黑洞

在天文学上，所谓“黑洞”，是指引力场很强的一种天体，就连光也不能逃脱出来。当恒星的半径小到一个特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再也不能逃出来了。由于黑洞中的光无法逃逸，所以我们无法直接观测到黑洞。然而，可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。

　　　　　　　　　　　　　　　　2010年8月2日编写于重庆

　　　　　　　　　　　　　　　　2018年12月22日修改于重庆

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