宇宙(所有空间时间物质的总称)

宇宙（Universe）是指空间与时间的总和，包含时空中所有的物质和能量，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。

人类认识宇宙的表现首先是神话，如中国三国时期《三五历经》中“盘古开天地”的故事，说世界原是一摊饺子的东西，像个巨大的鸡蛋一样，盘古就生在里面，过了一万八千年，天地就给盘古开辟了，阳清为天，阴浊为地，盘古在其中，一日九变，天日高一丈，地日厚一丈，盘古日长一丈；其次是哲学，如唯心主义者说 “雅威” 创造宇宙万物，因而它有开始，当然 “上帝” 也可以毁灭他所创造的宇宙，所以宇宙也有末日。辩证唯物主义认为宇宙的无限性是与空间的无限性以及物质不灭相联系的；再者是宗教，如东方佛教提出了一个 “三千大千世界” 的宇宙图式论，认为宇宙分为两大部分，一部分是由欲界、色界及无色界构成的世俗世界，另一部分则是佛国净土；还有各种学说，比如中国古代的盖天说、浑天说和宣夜说，西方毕达哥拉斯学派的中心火焰说、赫拉克利特的日心说、柏拉图的正多面体宇宙结构模型，哈勃空间望远镜于1924年对仙女座大星云的距离测定证实了河外星系的存在，自然科学的宇宙概念从哲学的宇宙概念中脱颖而出。宇宙的演化经历了最早阶段、早期阶段、大尺度结构形成阶段以及久远未来阶段。最早阶段即10-32秒之前，以大爆炸时刻作为计时起点，所有物质堆积在一个密度、温度及能量趋于无限大的奇点。早期阶段即头38万年以及随后1.5亿年的“中世纪”。暴胀结束后，宇宙中充满夸克 — 胶子等离子体。大尺度结构形成阶段即从1.5亿年到现在直至1000亿年后，包括恒星和星系等天体的形成演化。久远未来阶段即恒星形成终止后的可能命运。对于宇宙久远未来的可能演化和最终结局，主要取决于诸如宇宙学常数、质子衰变和标准模型外的自然规律等物理常数或物理性质。

爱德文·哈勃（Edwin Hubble）在1929年发表的《银河系外星云的距离和径向速度之间的关系》，开创了观测宇宙学领域，揭示了宇宙正在膨胀。2024年10月10日，国际科学期刊《自然·天文》在线发表了由中国科学院国家天文台和德国马普天文研究所等联合完成的一项重要科研成果，发现现存最古老的银盘结构成分起源于距今约135亿年前，对深入理解星系和宇宙的早期起源和演化具有重要意义。

定义与词源

定义

宇宙的定义可分为广义与狭义——广义上指无限多样、永恒发展的物质世界，狭义上则指一定时代观测所及的最大天体系统，后者常被称作可观测宇宙（或“我们的宇宙”），相当于天文学中的“总星系”。

若从尺度视角理解宇宙，可分为宏观与微观两个方向：宏观的宇宙聚焦天体、星系，这一领域与牛顿为代表所研究的经典力学有关，能解释潮汐锁定、岁差等现象，而当涉及光、黑洞或时间时，便与阿尔伯特·爱因斯坦与他的广义、狭义相对论即现代物理学有关；微观的宇宙研究对象从分子、原子、中子、电子延伸至夸克、玻色子等更微小的粒子，探索这些粒子运动规律的学科是量子力学，埃尔温·薛定谔、海森伯格、马克斯·普朗克等科学家是该领域的奠基者，最终量子力学与相对论共同组成了现代物理学的大厦。

中文词源

在汉语中，“宇”代表上下四方，即所有的空间、无限的空间；“宙”代表古往今来，即所有的时间、无限的时间。在中国古代，“宇”和“宙”都不过指的是人们居住房屋上的部件，现代引申为越来越大的“宇宙”概念，宇宙指空间，时间，这是一个漫长而复杂的演变过程。

“宇”字

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。按《说文解字》曰：“宇，屋边也。”的讲法，“宇”字的本义，具体指“屋边”。《诗·豳风·七月》：“七月在野，八月在宇，九月在户，十月蟋蟀科入我床下。”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·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了。《易传·系辞》曰:“上栋下宇，以蔽风雨。”考古发现中国新石器时代仰韶文化的房屋，许多四面都有屋檐，这就是所谓“屋宇”屋边或屋檐都从屋体向外伸张，古人最初以“宇”表示空间，可能主要取其“伸张”之义。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”，已经是一个很大而多变的空间范畴。《释名·释宫室》曰:“宇，羽也，如鸟羽自覆蔽也。”“宇”之读音，可能就是由“羽”而来。由此人们仰望天空而以屋为喻，天穹也是一座很大的房屋。于是，便产生了“天字”的观念，最后出现“天所覆为宇”的说法”，“宇”就包括了天穹所覆盖的所有空间。不过，这只是就其来源而言。哲学家以“四方上下”作为“宇”的内涵，已经具有一般的意义。正如“往古来今”并无什么限制一样“四方上下”也没有什么限制，所以在“宇宙”的意义中，已经模糊地表示了时空无限性的思想，而比“宙合”的观念大大前进了一步。

“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”，就已经是指天空了。另外，从古人运用“宇”“宙”二字的过程中，也可以看出古人对大自然和宇宙也是逐渐认知的。

“宇宙”一词

“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。”指出宇宙包含空间和时间两部分。《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。战国末期的尸佼说：“四方上下曰宇，往古来今曰宙。”“字”指空间，“宙”指时间，“字宙”就是时间和空间的统一。后来“宇宙”一词便被用来指整个客观实在世界。与宇宙相当的概念有“天地”“乾坤”“六合”等，但这些概念仅指宇宙的空间方面。《管子》的“宙合”一词，“宙”指时间，“合”（即“六合”）指空间，与“宇宙”概念最接近。《墨经》中：“宇，弥异所也：（久）宙，弥异地也。”也包含有时空之意，《庄子》也说有实而无乎处者，宇也；有长而无本者，宙也。”汉代张衡更进一步提出：“宇之表无极，宙之端无穷。”扩展出宇宙无限的思想，这种无限时空概念已成为现代科学中“字宙”词的东方渊源。

外文词源

在西方，宇宙这个词在英语中叫cosmos，在俄语中叫KocMoc，在德语中叫KOS-MOS，在法语中叫cosmos。它们都源自希腊语，古希腊人认为宇宙的创生乃是从饺子中产生出秩序来。但在英语中更经常用来表示“宇宙”的词是universe。此词与universitas有关。在中世纪，人们把沿着同一方向朝同一目标共同行动的一群人称为universitas。在最广泛的意义上，universitas 又指一切现成的东西所构成的统一整体，那就是universe，即宇宙。universe和cosmos常常表示相同的意义，所不同的是，前者强调的是物质现象的总和，而后者则强调整体宇宙的结构或构造。

认识

神话

三国时人徐整所撰写的《三五历经》一书即引述了“盘古开天地”的故事，说世界原是一摊混饺子沌的东西，像个巨大的鸡蛋一样，盘古就生在里面，过了一万八千年，天地就给盘古开辟了，阳清为天，阴浊为地，盘古在其中，一日九变，天日高一丈，地日厚一丈，盘古日长一丈。战国时的大诗人屈原就在《天问》里质疑。《天问》即涉及对世界初始的终极关怀：“曰遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？……圆则九重，孰度营之？惟兹何功，孰初作之？九州安错？川谷何污？东流不溢，孰知其故？……登立为帝，孰道尚之？女娲有体，孰制匠之？”不过，“盘古开天地”的传说，是初民对“字宙”形成的一种大胆的揣测。

东汉武梁祠画像砖描绘伏羲女娲手执“角规和量尺”，以直接的图像叙事表现二神手执工具对世界万物、宇宙空间进行“创造”的“事实”。传说伏羲的太极八卦图是通过标尺法演绎出来的，伏羲女娲双尾缠绕意味着化生万物的遗传链，显示人类生命基因的编码，这也许就是中国最为本源的设计再现。

春秋时的哲学家老子在《道德经》里说：“天下万物生于有，有生于无。”在上古时代，老子把浩瀚无际的茫茫宇宙称作“无”，把对“天地”作了区分之后的状况称作“有。接着老子就说到分化：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”此处的“二”指的就是“天”和“地”，这是认为，在天和地之外，应该有一种更原始、更根本的物质，老子称它为“道”或“大”。这是老子对“宇宙”起源问题的理性思考，“道”指称其原始状态，“大”形容其无边无际。

战国时的思想家墨子，其《墨经》有四篇。《经说上》解释道：“宇，蒙东西南北”；“久（宙），合古今旦暮”。“弥”与“蒙”同义。“久”与“宙”音近义通。墨子是说，遍及“东西南北”不同处所的称作“字”，涵盖“古今旦暮”不同时间的称作“宙”。后来东汉训诂家高诱注释《淮南子》即曰：“四方上下曰字，古往今来曰宙。”墨子所谓“弥异所”和“弥异时”，都含有运动的意味而指向有别：“东、西南、北”指的是具体的不同空间的形式，而“古、今、旦、暮”则是指具体的不同时间的形式。此说十分深刻，是对“宇宙”的相当科学的表述，显示出《墨子·墨经》是中国古代难得的一部具有科学理性的典籍。往古有所谓“天圆地方”说，孔子的弟子曾子对此曾经提出过疑问：“如诚天圆而地方，则是四角之不掩也。”如果天是圆的而地是方的，那么圆的周边和方的四角怎么可能接上呢？在他看来，应当是“天道曰圆，地道曰方”。这儿说的“道”不同于老子说的“道”，究竟是指什么，有点玄乎。但他对流传久远的“天圆地方”说表示怀疑。

哲学

哲学的宇宙概念，它标志普遍的、永恒的客观自然界的哲学范畴。哲学是关于自然界、社会和思维运动发展的最一般规律的知识体系，是对具体科学成果的高度抽象与高度概括。哲学的性质说明了它所研究的对象是整体宇宙--既包括整个自然界，也包括整个社会和思维领域。由于哲学本身随着不同时代的社会生产实践和科学技术的发展而发展，哲学的宇审概念也是不断发展变化的。辩证唯物主义哲学的宇审是标志客观物质世界的哲学范畴，它在量上具有无限的广延性与持续性，在质上具有无限的多样性，是一个由“无限多的宇宙”构成的、囊括一切物质及其形态的无限的字宙。

唯心论者认为宇宙是 “绝对观念”“宇宙精神”“意识的具体表现”。辩证唯物主义者则主张物质第一性，物质永久存在，永不消灭。前面几节已经论证了地球和一切天体都是由物质织成的。但由于各类天体的物理条件不同，故物质表现的形态也各异。比如在地球上常见的物质形态为固态、液态和气态，而恒星上由于温压条件不同，大多数物质呈等离子态，还有中子态等；又如地球、行星和恒星都是聚集态的间断性物质，而宇宙间又充满光辐射、热辐射这类连续性物质。所以说宇宙一方面是由统一物质构成，但另一方面物质又具有多样性。宇宙间物质的统一性与多样性是辩证的统一。宇宙物质是按自然规律在不断地运动发展着。正由于物质的运动和发展造成客观世界的无限多样性。“除永恒运动着的物质以及这一物质运动和变化所依据的规律外，再没有什么永恒的东西。” 所以说世界上没有不运动的物质，也没有永恒不变的东西。物质世界是无边无际的，具体到任何一个天体或星系在空间都是有限的。从基本粒子这样的 “小宇宙” 到原子 — 分子 — 地球 — 太阳系 — 银河系 — 星系团 — 超星系团直到总星系这样的大宇宙，就是从有限过渡到无限的一个又一个转折点。每个具体的有限总合起来就是无限。故从整个宇宙来讲空间是无限的。

唯心主义者说 “雅威” 创造宇宙万物，因而它有开始，当然 “上帝” 也可以毁灭他所创造的宇宙，所以宇宙也有末日。辩证唯物主义认为宇宙的无限性是与空间的无限性以及物质不灭相联系的。时间是伴随事物变化和运动而产生的概念，一个静止不变的宇宙就不会有时间的观念。时空和物质运动彼此相互联系，不可分割。既然物质不可能被创造，宇宙就无所谓起点；又既然物质不可能被消灭，宇宙就无所谓终点。但具体到任何一个天体和星系，在产生、发展到灭亡的时间上是有限的。我们的地球既有诞生也有消亡之日，太阳也有终结之时，而物质运动形态的转化则是无限的。故从宇宙整体来说，无所谓开始与终结，是无限发展的过程。所以说时间是无限的，是川流不息的。从而我们说宇宙在时空上都是有限组成的无限，是有限和无限的辩证统一。

宗教

东方佛教提出了一个 “三千大千世界” 的宇宙图式论，认为宇宙分为两大部分，一部分是由欲界、色界及无色界构成的世俗世界，另一部分则是佛国净土。世俗世界是指有情众生所居处的世界，佛教对它作了多层次的考察。“欲界” 是指受到食欲和淫欲支配煎熬的众生所居住的世界，生活于其中的众生分为六类，称为 “六道”，即地狱、饿鬼、畜生、修罗、人、天。“色界” 是已离食淫二欲的众生所居住的世界，位于欲界之上。由于居住在这里的众生有形体及居住的国土，即有 “色”（“色” 大致相当于 “物质”），故称色界。色界包括 “四禅天”，即初禅天、二禅天、三禅天、四禅天。“无色界” 位于色界之上，是三界中最高的一界，为既无欲望亦无形体的众生居住的地方。此处没有国土，亦无任何物质性的东西，故名无色界。此界包括 “四天”，即空无边处天、识无边处天、无所有处天、非想非非想处天。

佛国净土是佛居住的地方，佛教不同典籍对它的描述有所区别，其中影响最大的有以下几种说法：（1）弥陀净土，即 “接引佛西方净土” 或曰 “极乐世界”，是《无量寿经》和《佛说阿弥陀经》所宣扬的净土。这些经典描绘了这一净土中尽善尽美、庄严奇妙的景象。如《无量寿经》说这里 “衣服饮食，花香璎络，缯盖幢幡，微妙音声，所居舍宅，宫殿楼阁，称其形色大小，或一宝二宝，乃至无量众宝，随意所欲，应念即至”。（2）华藏世界。这是《大方广佛花严经修慈分》宣扬的净土。该经宣称，世界是毗卢舍那佛的显现，山河大地、各种生物及一切现象均是佛体。毗卢舍那佛是华藏世界的教主，华藏世界是毗卢舍那佛教化众生的地方。这里的一切均由无数风轮所持，最下面的风轮能住持上面的一切宝焰，最上面的风轮能住持香水海，香水海中有大莲华，四周为金刚轮山所围绕。（3）密教宣扬的十三天。密教将佛国净土置于一种动态变化之中，与众生修行的境界联系起来。它认为，菩萨修行有十三地，他们功德圆满、修成佛果后所达到的佛国境界也有十三天，毗卢舍那佛住在最高的一层天。一般佛教徒只要修行圆满，死后也都可以辗转经过 “十三天” 而到达毗卢舍那佛所在之天。显然，在佛教构造的宇宙图式中，所谓佛国净土只不过是一种虚构，除了佛教信徒以外，大概无人相信其存在的真实性。

中国学说

中国古代关于宇宙的结构主要有三种学说：盖天说、浑天说和宣夜说。盖天说。“盖天说” 是中国古代最早的宇宙结构学说，源于西周时期。这一学说认为，天是圆形的，像一把张开的大伞覆盖在地上，地是方形的，像一个棋盘，日月星辰随着天穹的旋转而运动，因此这一学说又被称为 “天圆地方说”。“天圆地方” 虽然符合当时人们粗浅的观察常识，但实际上却很难自圆其说。比如方形的地和圆形的天怎样连接起来，就是一个问题。于是，“天圆地方说” 又修改为：天并不与地相接，而是像一把伞高悬在大地上空，中间有绳子缚住它的枢纽，四周还有八根柱子支撑着。到了战国末期，新的盖天说诞生了。“新盖天说” 认为，天像覆盖着的斗笠，地像覆盖着的盘子，天和地并不相交，天地之间相距 8 万里。盘子的最高点便是北极。太阳围绕北极旋转，太阳落下并不是落到地下面，而是到了我们看不见的地方，就像一个人举着火把跑远了，我们就看不到了一样。为更加合理地解释日月星辰在天空中的运行问题，有人设计了一个 “七衡六间图”，图中有 7 个同心圆，分为外衡、中衡、内衡，各个不同节令，太阳都沿不同的 “衡” 运动。七衡六间图收于汉代《周髀算经》，被称作第二盖天说。

浑天说。“浑天说” 的基本思想萌芽于战国时期。完整的浑天说思想是由东汉时期的天文学家张衡提出的。“浑天说” 认为，天和地的关系就像鸡蛋中蛋白和蛋黄的关系一样，地被天包在当中。“浑天说” 中天的形状，不像盖天说所说的那样是半球形的，而是一个南北短、东西长的椭圆球。大地也是一个球，这个球浮在水上，回旋漂荡。用 “浑天说” 来说明日月星辰的运行出没是相当简洁而自然的。浑天说认为，日月星辰都附着在天球上，白天，太阳升到我们面对的这边来，星星落到地球的背面；到了夜晚，太阳落到地球背面去，星星升上来。如此周而复始，便有了星辰日月的出没。值得一提的是，“浑天说” 把地球当作宇宙的中心，这一点与盛行于欧洲古代的 “地心说” 不谋而合。“浑天说” 所描述的宇宙结构更接近于真实，无论在天体测量还是宇宙理论方面都比盖天说前进了一步。因此，浑天说成为中国自汉代以后 1000 多年时间里占统治地位的宇宙学说。

宣夜说。“宣夜说” 是中国历史上最有卓见的宇宙无限论思想。它最早出现于战国时期，到汉代被明确提出。不论是中国古代的盖天说、浑天说，还是西方古代的地心说，乃至尼古拉·哥白尼的日心说，无不把天看作一个坚硬的球壳，星星都固定在这个球壳上。“宣夜说” 否定这种看法，认为宇宙是无限的，宇宙中充满着气体，所有天体都在气体中漂浮运动。星辰日月的运动规律是由它们各自的特性所决定的，绝没有坚硬的天球或是什么本轮、均轮来束缚它们。“宣夜说” 打破了固体天球的观念，这在古代众多的宇宙学说中是非常难得的。“宣夜说” 不仅认为宇宙在空间上是无边无际的，而且还进一步提出宇宙在时间上也是无始无终的、无限的思想。

西方学说

公元前7世纪，巴比伦人认为，天和地都是拱形的，大地被海洋所环绕，而其中央则是高山。古埃及人把宇宙想象成以天为盒盖、大地为盒底的大盒子，大地的中央则是尼罗河。古印度人想象圆盘形的大地负在几只大象上，而象则站在巨大的龟背上。公元前7世纪末，古希腊的泰勒斯认为，大地是浮在水面上的巨大圆盘，上面笼罩着拱形的天穹。从公元前 6 世纪到公元1世纪，在古希腊建筑和罗马，关于宇宙的构造和本原有过许多学说。如毕达哥拉斯学派的中心火焰说（设想宇宙中心有一团大火焰）、赫拉克利特的日心说、柏拉图的正多面体宇宙结构模型等等。进入中世纪，宇宙学沦入神学深渊，克罗狄斯·托勒密的地球中心学说占据正统地位，主宰宇宙学 1000 多年。

16世纪，尼古拉·哥白尼建立日心说，推翻了地心说的统治地位，把宇宙学从神学中解放出来。布鲁诺更进一步认为太阳也不是宇宙的中心，宇宙是无限的，不存在所谓的宇宙中心。17世纪，艾萨克·牛顿开辟了以力学方法研究宇宙学的途径，建立了经典宇宙学，他提出了万有引力定律，深刻揭示了行星绕太阳运动的力学原因，使日心说有了牢固的力学基础。在这以后，人们逐渐建立起了科学的太阳系概念。18 世纪，威廉·赫歇尔用抽样统计的方法，用望远镜数出了天空中大量选定区域的星数以及亮星与暗星的比例，获得了一幅扁而平、轮廓参差、太阳居中的银河系结构图，从而奠定了银河系概念的基础。在此后一个半世纪中，哈罗·沙普利发现了太阳不在银心，奥尔特发现了银河系的自转和旋臂，许多人对银河系直径、厚度进行测定，科学的银河系概念最终确立。

20 世纪，哈勃空间望远镜用造父视差法测得仙女座大星云的距离，确认了河外星系的存在。近半个世纪，人们通过对河外星系的研究，不仅已发现了星系团、超星系团等更高层次的天体系统，而且已使我们的视野扩展到远达 200 亿光年的宇宙深处。纵观历史不难发现，随着时代的发展，作为宇宙学研究对象的天体系统，在深度和广度上不断扩展。古代自然哲学家所讨论的天文学的宇宙，不外乎大地和天空。尼古拉·哥白尼在《天体运行论　影响世界历史进程的书》一书中说：“太阳是宇宙的中心”，意味着宇宙实质上就是太阳系。18 世纪，天文学家引进 “星系” 一词，当时这个词在一定意义上说只不过是宇宙的同义语。20 世纪以来，天文观测的尺度大大扩展，达到上百亿年和上百亿光年的时空区域。

自然科学

自然科学的宇宙概念，即对于某一具体宇宙的结构和特性的认识，是相对的、有限的。以现代宇宙学为例，现代宇宙学是从整体的角度研究宇宙的结构和演化的天文学分支学科，它所涉及的宇宙是具有确定时空范围的 “我们的宇宙”—— 迄今为止人类观测（直接或间接）所及的整个天区，观测所未及的天区是它无法具体探究的。尽管随着时代的进步、观测手段的更新和人类认识的深化，这一宇宙疆界正在迅速 “膨胀”，已从古代 “天离地八万里” 的狭小范围扩展到现今150亿光年和100亿年、包括1500亿个星系在内的巨大时空尺度，但由于观测手段的限制，任何时代观测所及的宇宙范围总是部分的和有限的，它始终是同时代自然科学的极限。如果超越了这一极限，把无限多个宇宙统统包摄进来，统统视为宇宙学观测与研究的对象，则势必导致所谓的 “宇宙学佯谬”。

1826年奥伯斯提出的 “光度佯谬” 和 1894 年西利格尔提出的 “引力佯谬” 便是此种超越的典型例证。究其产生的原因，就在于他们错以整体宇宙为对象，误认为整体宇宙必然是可以观测到的。殊不知，任何人运用任何方法观测到的宇宙总是部分的和有限的，我们无法想像有哪一种观测方式能够穷尽无限的整体宇宙。用实地考察的方法只能认识有限的地球；用航天探测器采样只能认识有限的太阳系；用电磁波观测也只能认识有限的自然科学的宇宙。

历史上，从古希腊到十八世纪上半叶，从毕达哥拉斯到艾萨克·牛顿，由于观测手段及社会历史的限制和自然哲学的深刻影响，人们始终恪守着宇宙只有一个的唯一性原理，自然科学的宇宙概念还包容在哲学的宇宙概念之中，两者是混为一体的。十八世纪中叶始，随着视野的迅速扩展，大量星云被发现，一些学者（如赖特、伊曼努尔·康德、朗伯特等）先后提出了存在无限多个世界的可能性。虽然这些天才的猜测并未赢得学术界的承认，却已引起了人们的普遍重视。自此，科学史上便逐渐表露出一种趋势：宇宙的唯一性原理将被多宇宙原理所代替。到了1924年，哈勃空间望远镜对仙女座大星云的距离测定证实了河外星系的存在。这一事实表明：人们以往心目中唯一的神圣宇宙原来不过是银河系，它并非宇宙的全部，充其量只是宇宙汪洋中的一个 “岛宇宙”。随着科学观念的这一巨大转变，自然科学的宇宙概念也就从哲学的宇宙概念中脱颖而出，成为相对独立于整体宇宙的一个 “岛宇宙”。

十八世纪中叶始，随着视野的迅速扩展，大量星云被发现，一些学者（如赖特、伊曼努尔·康德、朗伯特等）先后提出了存在无限多个世界的可能性。虽然这些天才的猜测并未赢得学术界的承认，却已引起了人们的普遍重视。自此，科学史上便逐渐表露出一种趋势：宇宙的唯一性原理将被多宇宙原理所代替。到了1924年，哈勃空间望远镜对仙女座大星云的距离测定证实了河外星系的存在。这一事实表明：人们以往心目中唯一的神圣宇宙原来不过是银河系，它并非宇宙的全部，充其量只是宇宙汪洋中的一个 “岛宇宙”。随着科学观念的这一巨大转变，自然科学的宇宙概念也就从哲学的宇宙概念中脱颖而出，成为相对独立于整体宇宙的一个 “岛宇宙”。

天文学说

古希腊人认为，整个宇宙是井然有序的，各天体在不同的位置和不同的轨道上成为宇宙的组成部分。古希腊人在了解和学习古埃及人和巴比伦人天文学知识的基础上，以更加理性的态度看待天文学问题，并对其做了更进一步的研究，在天文学领域提出了一些独特的见解。米利都学派的创始人泰勒斯在旅行中搜集了新巴比伦王国人和古埃及人所掌握的天文学知识，据说，泰勒斯曾经预言了公元前 585 年所发生的一次日食。阿那克萨戈拉认为月亮和行星都像地球一样，是岩石结构，他甚至大胆设想人类可以在月亮上居住。阿那克萨哥拉推证了月亮因反射太阳光而明亮。他用月亮运行到地影里的说法，解释产生月食的原因。而毕达哥拉斯学派从唯美主义的观点出发，认为天体和整个宇宙都是球形，并一直在做匀速的圆周运动。

正是基于这些早期的大胆设想，使得古希腊人将天文学与几何学结合起来成为可能。他们一直试图以几何模型来说明和解释天体的运动，柏拉图学院的学生欧多克斯（公元前 409— 前 356 年）以天文观测为基础，将天文观测结果和宇宙假说联系起来，构建了一个同心球宇宙的几何模型。这个宇宙几何模型以地球为中心，日、月和五大行星及恒星围绕着地球进行匀速旋转。欧多克斯构建的宇宙几何模型共有 27 个球层，各球层分别解释不同天体的运动，其中 1 个球层解释恒星的运动；太阳和月亮的运动各用 2 个球层来解释；5 个已知行星的运动各用 4 个球层来解释。为了更好地解释一些比较复杂的天体运动现象，古希腊人用增加同心球的办法继续改进欧多克斯的宇宙几何模型，亚里士多德曾把同心球的数量增加到最多的 55 个。宇宙几何模型能够解释日食和月食，但对日食和月食运动的变化不能做出很好的解释。创建宇宙几何模型的最重要意义在于开创了利用数学和几何学方法描述天体运动的思路。

亚历山大时代的希帕克斯创建了本轮 — 均轮模型来取代同心球模型。在这个模型中，仍以地球为宇宙的中心，各天体沿着自己的 “本轮” 做匀速的圆周运动，本轮的中心又沿着各自更大的 “均轮” 绕地球做匀速圆周运动。希帕克斯规定，日、月在本轮上的运动方向与本轮本身沿均轮运动的方向相反而速度相同；而行星在本轮上的运动方向则与本轮本身在均轮上的运动方向相同而速度不同。本轮 — 均轮模型比同心球模型更为简单，它能够更好地解释日、月距离的变化和行星不规则的视运动现象。

在古希腊的天文学中，基本上还是 “地心说” 占据了主导地位。但在古希腊时代也有天文学家曾经提出过日心地动学说，他就是亚历山大里亚的天文学家阿里斯塔克斯，阿利斯塔克可谓是 “日心说” 的先驱。他提出，并不是日月星辰绕地球转动；而是地球与星辰一起绕太阳转动。他的这个认识可以看成是毕达哥拉斯学派的 “中心火” 理论的继承和发展，阿利斯塔克只不过是将太阳放在了中心火的位置上。阿利斯塔克的观点对很多年以后尼古拉·哥白尼创立 “日心说” 有直接影响。但在当时的古希腊，这个天才的看法并没有被人们接受。阿利斯塔克另一个重要的天文学成就是进行了太阳、月亮与地球之间距离以及相对大小的测量，在他的天文学著作《论日月的大小和距离》中，记载了这项工作和得到的相应测量数据。

1826年，德国天文学家海因里希·奥伯斯(Heinrich Olbers)偶然发现了一个难以解释的矛盾：如果宇宙在空间上是无限的，且均匀地分布着恒星，则在这些恒星的照耀下，地球上的夜空应当无限亮。即便考虑星际尘埃的消光效应，以及远处的恒星被近处的恒星遮挡，夜空至少应该和太阳表面一样亮。直观上可以这样理解，如果无限宇宙中均匀分布着恒星，那么当你仰望夜空，你的每一条视线最终必然会遇到一颗明亮的恒星。这意味着无论你往哪里看，天空应该与恒星表面一样明亮。这明显与实际情况不符，这个矛盾被称为奥伯斯悖论。鉴于宇宙似乎是均匀的，那在其他假设中，必定有一个或两个是错的：要么宇宙的大小是有限的，要么它会随着时间的推移而演化。也就是说，宇宙应该不是无限静态的。

演化

最早阶段

最早阶段即10-32秒之前。假设宇宙时空是连续的，再加上宇宙的空间膨胀、背景辐射等观测结果限制，用广义相对论逆推，可得出大爆炸发生于138亿年前。以大爆炸时刻作为计时起点，所有物质堆积在一个密度、温度及能量趋于无限大的奇点。但这不符合量子物理学原理。现有的物理定律不能确切描述宇宙从时间0～10-44秒的量子混沌情况。此阶段超出迄今大多数粒子物理实验范围，主要是理论研究活跃的领域，以及新的精确天文观测检验。一个可能考虑的宇宙图像是，或许并非一个而是多个 “平行宇宙” 从先前的物质时空产生，各自很快地发展。我们的宇宙自行演化，与其他宇宙没有物理联系。

马克斯·普朗克时代

从大爆炸到10-43秒称为普朗克时代（Planck epoch），那时的温度极高，以致自然界四种基本相互作用力（电磁力、引力、弱核力、强核力）是（不可区分的）统一的基本力。电磁力和引力的作用范围无限大，电磁力的强度是引力强度的10倍，但电磁力仅在带电粒子之间起作用，而引力在一切有质量粒子之间起作用。弱核力和强核力仅在原子核内短程起作用。弱核力负责原子核的放射性衰变（例如原子核中的中子衰变为质子、电子和反中微子）以及有中微子参与的相互作用，强核力把质子和中子束缚在原子核内，其强度最大。对于马克斯·普朗克时代的极高温状况，由于量子效应，广义相对论不适用，物理学对此甚少了解。“新物理学” 尝试对其过程的某些模型提出过不同的建议，如提出哈妥－斯蒂芬·霍金初始状态（Hartle-Hawking state），以及试图结合量子力学和广义相对论为万有理论的弦理论（string theory）等。

大统一时代

从大爆炸后的10-43秒到10-36秒，宇宙经历大统一时代（grand unification epoch）。由于宇宙的空间膨胀和变冷，四种基本相互作用力先后彼此分开，可认为是类似于普通物质凝集和冻结的 “相变”。引力分开后的物理学由其余三种力的大统一理论（grand unified theory, GUT）表述。此时代产生重子（baryon，包括质子、中子及更大质量的基本粒子）多于反重子（反质子、反中子等）的不对称性，结果导致今天宇宙中的正物质远多于反物质。否则，在宇宙进一步膨胀冷却过程中，重子和反重子就会全部湮灭，不会留下现在的（重子）物质世界。这种转变也触发接续的宇宙暴胀。

暴胀时代

在大爆炸后约 10⁻³² 秒之前，宇宙经历在空间各方向的迅猛膨胀 —— 暴胀时代（inflationary epoch）。早期宇宙的线度暴胀至少 10³⁰（可能更多）倍，体积增大至少 10⁹⁰倍。空间的迅猛膨胀意味着大统一时代留下的基本粒子稀疏地遍布宇宙。暴胀结束后，宇宙演化开始用原先的大爆炸理论，即暴胀仅对标准模型的极早期做了修改。重要的是，暴胀的只是空间，因而粒子之间的距离变大了，但不涉及粒子的运动，运动速度仍然不会快于光速。暴胀可以解释当前宇宙的许多特性，若没有一个暴胀时代，有些观测现象则很难理解。

暴胀理论预言的时空几何是平直的、密度参数Ω₀=1 的（平直）开宇宙。这意味着背景辐射在宇宙各方向保持平行，有足够的物质和能量保持宇宙是平坦的。暴胀解释了一些尚未有合理答案的问题：为什么宇宙各向同性，为什么宇宙微波背景辐射那么均匀分布，为什么宇宙空间那么平坦。

弱电时代

大爆炸后10⁻³⁶秒到10⁻¹²秒是弱电时代（electroweak epoch）。在宇宙温度足够高时，电磁作用与弱相互作用是合并为单一的弱电相互作用的（>100GeV）。强力从弱电力分出时，弱电时代开始。某些宇宙学家认为该事件发生在暴胀时代初，约大爆炸后10⁻³²秒，暴胀宇宙学家则认为该事件发生在大爆炸后10⁻³⁶秒，即由于暴胀场的巨大潜能，再衍生出夸克-胶子的浓密等离子体时。弱电时代的粒子相互作用能量足够强，生成很多奇异粒子（W、Z 玻色子，Higgs 玻色子等）。

早期阶段

早期阶段即头38万年以及随后1.5亿年的“中世纪”。暴胀结束后，宇宙中充满夸克 — 胶子等离子体。人们对此之后的早期宇宙物理学了解得较好，夸克时代涉及的能量与人们目前对物理基本原理的理解一致。如果超对称（supersymmetry，SUSY）是我们宇宙的本质，那么它对应的能量必然不低于弱电对称破坏能量 1TeV（=10¹²eV，弱电对称标度）。目前没有证据显示超对称理论是否正确。超对称性的直接确认需要在对撞机实验中寻找超对称粒子，例如大型强子对撞机（LHC）。LHC 至今没有发现除希格斯玻色子以外的以前未知的粒子，而希格斯玻色子是标准模型的一部分，因此没有超对称的证据。

夸克时代

大爆炸后 10⁻¹² 秒到 10⁻⁶秒是夸克时代（quark epoch）。这时宇宙温度降到一定的程度，暴胀的 Higgs 场破坏了弱电对称，四种基本相互作用力都成为现在的独立形式。在夸克时代，宇宙中充满了热夸克 — 等离子体，包括夸克、轻子和它们的反物质。基本粒子有质量，但宇宙温度仍太高，不允许夸克结合在一起形成强子。强子（hadron）是一种亚原子粒子，所有受到强相互作用影响的亚原子粒子都称为强子，包括重子（baryon）和介子（meson）。重子由三个夸克或三个反夸克组成，包括质子和中子等，其自旋总是为半整数。介子推由一个夸克和一个反夸克组成，其自旋总是为整数。

强子时代

从大爆炸后的 10⁻⁶秒到 1 秒是强子时代（hadron epoch）。起初，组成宇宙的夸克 — 胶子等离子可形成强子 / 反强子对，但随着温度降低，不再产生强子 / 反强子对，大多强子与反强子在湮灭反应中消失。约在大爆炸后的 1 秒，湮灭过程结束，留下少量强子，主导宇宙中的可见物质。中微子退耦（neutrino decoupling，指中微子不再与重子物质相互作用）并开始自由地在空间运动。直接探测中微子背景辐射远超出现有的中微子探测器的精度范围。然而，从大爆炸核合成预言的氦丰度和宇宙微波背景各向异性，可得出很强中微子背景的间接证据。

轻子时代

从大爆炸后 1 秒到 10 秒是轻子时代（lepton epoch）。到强子时代结束，大多强子与反强子相互湮灭，留下轻子（lepton），即不参与强相互作用、自旋为半整数的粒子，包括电子、μ 子、中微子，与反轻子一起为宇宙主导物质。大爆炸后约 10 秒，宇宙温度降到不能再生成新的轻子 / 反轻子对，大多轻子与反轻子在湮灭反应中消除，留下少量残余轻子。

光子时代

从大爆炸后 10 秒到 38 万年是光子时代（photon epoch）。在轻子时代结束时，大多轻子和反轻子湮灭后，宇宙的能量由光子主导。原子核在光子时期开始的几分钟由核合成产生，因此在光子时期宇宙中包含了由原子核、电子和光子组成的高温且致密的等离子体。这些光子频繁地与带电的质子、电子、核子相互作用，延续到大爆炸后的 38 万年。

轻元素核合成时代

从大爆炸后10秒到约 10³ 秒是轻元素核合成（nucleosynthesis of light elements）时代。在光子时代期间，宇宙温度就降到可以开始由早期的质子（p）和中子（n）逐步核反应形成稳定的原子核氦⁴He，及少量氘（D=²H）、氦 ³He、锂⁷Li，还有不稳定的氚（T=³H）、铍⁷Be，但后来衰变为⁴He 和⁷Be。从大爆炸开始后 100 s 左右发生的核合成，文献上常称为大爆炸核合成（Big Bang nucleosynthesis），就是 S. 温伯格在《最初三分钟》书中所描述的。其后的一段核合成时间最多持续约 17 分钟。到此时，所有中子都结合进了氦核。此后，宇宙的温度和密度不足以满足核聚变所需要的条件。中子结合到氦核是宇宙中元素起源和演化非常关键的一步。一个处于自由状态的中子是不稳定的，平均寿命只有 15 分钟不到就会衰变成质子。照这样下去，大爆炸产生出的中子很快会全部消亡。若没有中子结合到氦核这个机制在短时间内及时 “收容” 中子，那么宇宙中除了氢以外的元素都不会存在，也就不会有今天地球上的万物乃至我们人类本身。至此留下的质量丰度为：氢 ¹H 约 75%，氦⁴He 约 25%，氘 D 和氦 ³He 约 0.01%，以及痕量（约 10⁻¹⁰量级）的锂。

复合时代

约在大爆炸后 37.7 万年，由于宇宙温度和密度降低，自由电子和带正电的氢、氦核首先结合为氢、氦离子。很快地，自由电子被离子俘获而形成电中性的原子，此过程称为 “复合（recombination）”。在复合结束时，宇宙中的大部分质子束缚于中性原子。此时，光子的平均自由程变为无限，即光子可以在宇宙中几乎通行无阻，即通常谓之 “光子退耦（photon decoupling）”。宇宙因此变为透明。退耦时存在的光子就成为我们观测到的背景辐射（cosmic microwave background radiation，CMBR），表明宇宙由于空间膨胀而大大变冷。

辐射为主和物质为主的两大时期

宇宙暴胀之后直到大爆炸后约 4.7 万年是辐射为主时期（radiation-dominated era）。早期宇宙动力学由辐射（通常指相对论性运动宇宙成分，主要是光子和中微子）主宰。在辐射为主时期，辐射连续地与物质相互作用，辐射和物质耦合在一起。它们随空间膨胀而一起冷却，光子因红移而能量减小，辐射移向长波。由于这时温度还很高，电子的能量很大，不能与原子结合为中性原子，宇宙总体是大致等量的带正、负电荷粒子的等离子体。这期间，很多重要事件确定了现在的宇宙性质。例如，反粒子和几乎所有正粒子湮灭，留下少量的正粒子来 “建造” 我们今天的宇宙。

大爆炸后约4.7万年到98亿年间是物质为主时期（matter-dominated era），这个时期物质的能量密度超过辐射的能量密度和真空能量密度。在早期阶段约4.7万年（红移3600）直到37.8万年（红移1100）期间，宇宙对辐射仍是“光学厚的”，但质量能量密度超过辐射能量密度。虽然37.8万年这一时间点非常接近复合时间，但认为是辐射为主时期结束时刻是错误的。随后，宇宙变为对辐射透明，物质为主时期延续到98亿年才结束。

黑暗时期

大爆炸后 38 万年到约 1.5 亿年（现在也有认为持续到更晚的时间）是黑暗时期（dark ages）。此时期宇宙背景辐射温度从 4000 K 冷到约 60 K。在光子退耦之前，宇宙中的大多光子在光子 - 重子流体中与电子和质子相互作用，宇宙是不透明的或 “雾气的”。虽然存在光，但是红移很大，我们无法用望远镜观测到，因而该时期的宇宙是 “黑暗的”。宇宙中的重子物质由电离的等离子体组成，仅在复合期间获得自由电子才变为中性，因此释放光子而产生宇宙微波背景辐射。当光子释放（或退耦）时，宇宙才变为透明。此时，唯一的辐射是中性氢的波长 21 cm 射电。目前人们在努力探测这种微弱辐射，因为它是一种重要信息，甚至可以比微波背景更有利于研究早期宇宙。

大尺度结构形成阶段

大尺度结构形成阶段即从 1.5 亿年到现在直至 1000 亿年后，包括恒星和星系等天体的形成演化。星系、星系团和超星系团的空间分布显示宇宙存在大尺度结构（large - scale structure）。在物理宇宙学中，大尺度结构形成阶段研究怎样从最早小的密度涨落所致引力不稳定性形成了星系和大尺度结构。现代的 Λ - CDM 模型（即 Λ - 冷暗物质模型）成功地预测了星系、星系团和巨洞的大尺度观测分布，但在个别星系尺度上，由于涉及强子物理、气体加热和冷却、恒星形成和反馈的高度非线性过程，还存在很多困难。通过极深空观测和计算机模拟了解星系形成过程是现代宇宙学的重要课题。

对于宇宙很早期，可利用诸如暴胀机制来确定宇宙的初期条件：均匀、各向同性和平直。暴胀把早期的微小量子涨落放大为过密和过稀的密度涟漪。在辐射为主时期，引力势涨落保持不变，而大于宇宙视界的密度涨落正比于标度因子增长。随着空间膨胀，由于光子能量红移，辐射密度减小快于物质密度，导致大爆炸后约 5 万年时宇宙由辐射为主转变为物质为主。之后，所有暗物质涟漪会自由增长，后来形成有重子落入的 “种子”。这时，宇宙学尺度则形成朝着大红移的可测物质幂律谱的转折。

随着宇宙的快速膨胀和冷却，在复合时代后，宇宙微波背景有密度和温度的不均匀变化。变化虽然很小，却很重要，把前期形成的 “种子” 发展成为复杂的层次结构：较小的引力束缚结构形成诸如包含首批恒星和星团的物质峰，后来与气体和暗物质合并而形成星系、星系团和超星系团，随之可以发生几代恒星和星系及星系团演化。此阶段从大爆炸后 1.5 亿年延续到其后约 1 千亿年后的漫长时间，是我们的宇宙最辉煌灿烂的演化阶段。

久远未来阶段

久远未来阶段即恒星形成终止后的可能命运。对于宇宙久远未来的可能演化和最终结局，有以下几种尚存争议的情况久远未来将会发生什么。主要取决于诸如宇宙学常数、质子衰变和标准模型外的自然规律等物理常数或物理性质。

宇宙热寂死亡(heat 死亡 of the universe)

在宇宙空间无限膨胀的情况下，能量密度会一直减小。在约 10³⁶年之后，宇宙将停止恒星和星系的形成。至于那些仍然存在的恒星，由于自身核燃料的逐渐枯竭，其温度和光度逐渐下降，直到核燃料完全耗尽，恒星死亡为止。按某些大统一理论，至少在 10³⁶年之后，质子衰变会转变残余星际气体和恒星残骸为轻子（如正、负电子）和光子，之后，某些正、负电子重组为光子。当所有质子都完成衰变后，宇宙中仅有黑洞占主导地位，以及一些轻子和光子。这时所有物质坍缩到黑洞，然后经斯蒂芬·霍金辐射而极其缓慢地长时间蒸发。目前还不知道这个过程需要的时间。2008 年 6 月美国航空航天局发射了伽马射线广域空间望远镜卫星，其任务之一是寻找蒸发黑洞发射的 γ 射线。另一方面，热力学第二定律预言到约 10¹⁰⁰年后，宇宙将达到热力学平衡，届时可能根本没有什么结构了。

大撕裂（big rip）

大撕裂是 2003 年出现的一种宇宙论假说，依赖于宇宙中暗能量的作用。当暗能量足够大时，宇宙膨胀率无限地继续增大，诸如星系团、星系、太阳系等引力束缚体系都将被撕开。膨胀如此之快，结果就如同克服了把分子和原子束缚在一起的电磁力那样。最终，甚至原子核也被撕开，宇宙终结于一个反常的引力奇点。

大挤压（big crunch）

大挤压是另一种关于宇宙宿命的假说。与大撕裂情况相反，它主张空间膨胀到某点会反变为坍缩，重新回到宇宙初期那种热而密的状态。虽然大挤压未必意味着振荡宇宙，但需要加入诸如循环模型需要的宇宙振荡等要素。但现有的观测显示，宇宙膨胀会继续下去，甚至加速。

真空不稳定性

习惯上，宇宙学假定宇宙是稳定的。但是，量子场理论中允许假设一种假真空（false vacuum），实际上是一种寿命很长的亚稳态（metastable state），在宇宙的某时空点会自发地坍缩到较低能态、更稳定的 “真真空（true vacuum）”，之后从该点以光速向外膨胀。

物理性质

大小

1.根据《自然系统的物理学原理》中的公式的计算结果，宇宙的总质量为1.6×10千克。

2.没有计算宇宙系质量的公式，使用银河系作为参考。

银河系的总质量 =2100亿倍太阳质量=2100亿×1.989×1030千克=4.1769×1041千克

银心黑洞的总质量=1000亿倍太阳质量=1.9890x1041千克，即银河系的质量大概是银河系中央黑洞质量的2倍。

因此，以此类推得到：宇宙系总质量 =2×1.6x1053千克 =3.2×1053千克。

3.计算宇宙黑洞的视界直径。视界直径Ф=2×R（半径）=2×2GM/c2（M是质量，G是引力常数，c是光速）=（4×6.67×10-11×9.6×1053）÷2997924582=2.85×1027米≈2850亿光年

注：1光年=299792458×3600×24×365.24=2.99792458×108×3.1556736×107=9.46047145×1015米

4.可观测宇宙的直径。可观测宇宙的直径Ф=2×3.326（宇宙自膨胀倍数）×138.3亿光年≈930亿光年。

5.宇宙系的实际直径。宇宙系实际有多大我们不知道，但是我们知道银河系有多大，银河系的直径有12万光年，半径有6万光年，假设质量为m的天体在银河系的边缘以速度v绕银心做圆周运动，另一个质量也为m的天体在宇宙系的边缘也以速度v绕宇宙系中心做圆周运动，根据万有引力等于向心力可知：

G×M银×m/R银2=mv2/R银

GxM宇×m/R宇2=mv2/R宇

也就是说，银河系与宇宙系的半径之比等于他们的质量之比。

宇宙系的直径Ф=3.2×1053千克/（4.1769×1041千克）1×2万光年=7.66118×1011×12万光年=9.193416×1012万光年=9.193416×108亿光年≈9.2亿亿光年

6.距离宇宙系最近的其他宇宙的距离。仙女座星系是距离银河系最近的大星系，距离地球约254万光年，直径达16万光年，假设银河系和仙女座星系的直径都是14万光年。

距离宇宙最近的宇宙的距离：9.193416亿亿光年×（254÷14）≈166.8亿亿光年。

上面的计算所用到的一些数据可能并不准确，但应该不会影响两个主要结果：一是宇宙的实际大小比观测到的部分大几百万倍；二是可观测部分的宇宙的外围有一个很大的空洞环，这个空洞环是宇宙加速膨胀的主要原因。

参考资料：

年龄

哈勃空间望远镜定律告诉我们如何去计算各星系离开我们的速度，由此我们便能够预言它们在10亿年、100亿年以后的位置。当然我们也能采用同样的推理方法追溯过去。追溯过去的时间，势必发现各星系越来越近，直到最后它们回复到宇宙处于初始条件(不管是什么样的条件)时的阶段。各星系返回到初始时刻所需的时间，就是宇宙的年龄，我们也可将宇宙年龄定义为宇宙从某个特定时刻到现在的时间间隔。我们可以根据哈勃定律计算出这年龄的大小现已证明，这年龄就是哈勃空间望远镜常数H的倒数，大约为180亿年。由于这个数字是在假定整个宇宙历史中星系的退行速度一直是恒定不变的情况下获得的，所以必须加以修正由于退行速度受到万有引力的制动作用一直在逐步地减慢，所以宇宙应该较为年轻，年龄约为150亿年。这与上节的结论是一致的。由哈勃常数获得的宇宙年龄又称为哈勃年龄，它是指哈勃观测到的从宇宙发射出的光线的年龄。现代观点认为哈勃年龄是宇宙年龄的上限，可以作为宇宙年龄的某种度量。我们通常所说的宇宙年龄，是指大爆炸以后逝去的时间，也就是宇宙标度因子为零起到现在的时间间隔。我们不能排除存在一个爆炸前时期的可能性，但对此我们基本上无话可说。

2000年8月8日，国际天文学联合会发出公告，由多国天文学家合作，采用5种不同方法研究宇宙的年龄，其中4种方法均得出宇宙起源于140亿~150亿年前的结论如果宇宙的密度足够大，那么宇宙膨胀的速率由于引力的作用会越来越小，最终使膨胀速率变为零，宇宙停止膨胀。这种情况一旦发生，宇宙就会在自身引力的作用下开始收缩。这种收缩一开始是很慢的，但以后会越来越快，最后回到大爆炸前的物质形态，并再次发生大爆炸。如果这种循环可以一再发生，我们的宇宙就成为一个振荡宇宙。这时，谈论它的年龄还有意义吗?宇宙振荡的周期更能反映宇宙演化的时间特性2013年2月，宾夕法尼亚州立大学的天文学家公布了他们找到的一颗距地球仅190光年的编号为HD 140283的亚巨星，其测定的年龄高达144.6亿年，误差为8亿年。而2013年3月，欧洲航天局根据“普朗克”探测器提供的数据，将宇宙的精确年龄修正为138.2亿岁。

时空

时空一般只是指时间与空间，时间的一维性与空间的三维性共同构成了吿讲槍覽嶼桐类生存于其中的四维时空。但是，这只是人类所感知与认识的时空关系，若将其推而广之，应用于整个宇宙空间，则会带来一系列不适，难以自洽，甚至完全抵触。比如，对于量子纠缠所表现出的量子间大尺度纠缠现象，就难以与人类已知的时空观对应;又如，对于原子内部的原子核与电子间的空间运动，若以人类已知的时空观，也无法理解电子轨道的虚拟性。当然，若将对宇宙的认识由人类的时空概念构建转换为多重宇宙构建，更会得出另外的一个时空观。

加利福尼亚州大学伯克利分校的理论物理学家野村泰纪就明确提出，在多重宇宙中并不存在时间概念。他认为:“我们感受到的时间实际上是从物体之间的关联(例如棒球的位置和钟表的表针之间的关联)中涌现出来的。根据这种图景，多重宇宙状态是根据量子力学的一种特定的数学条件(也就是归一化条件，指的是量子系统的性质虽然要用概率描述，但所有可能情况的概率加在一起，一定还是等于1的)挑选出的。时间是多重宇宙(本身是稳恒)的一个分支中涌现出来的局部概念，在这些分支中，初始条件看似是精细调节的。然而，在最基本的层次上是不存在精细调节的，整个多重宇宙的状态仅仅是根据量子力学的归一化条件挑选出的。

实际上，这种状况与氢原子(或者任何量子力学中的束缚态系统)类似。我们都知道，按照经典力学，氢原子是不可能存在的--因为电子绕核运动时会发出同步辐射，任何一条轨道都是不稳定的。不过，在量子力学中，原子的电子可以稳定地待在一系列特定的离散轨道上，也就是电子能级。从经典物理的角度看，这些轨道都是(极度)精细调节的，但按照量子力学，这些轨道只是源于一种特定的自治条件。我们可以说，氢原子之所以存在就是由于量子力学机制。量子多重宇宙的状况可能与此类似--多重宇宙的存在是由量子力学控制的，从经典的角度看可能是精细调节的，但实际上并不是。

野村泰纪还认为，多重宇宙无法对应真实空间，只是存在于概率空间中，他说:“我们的宇宙可能对应着许多个分支，这些分支代表着这个宇宙中进行的物理实验产生的不同结果。类似的，一个分支也可能包含着多个宇宙，这些宇宙可以互相发生碰撞。量子多重宇宙图景指出，根据阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论预言的无限多个气泡宇宙只是共存于概率空间中(而不是存在于一个真实空间里)。多重宇宙假说到目前为止仍然只是假说，但近年来对于宇宙空间的探讨从另一个维度取得了实质性进展，这就是额外维空间的验证。

早在20世纪初，理论物理学家就着手研究四维时空之外是否还存在着更高维度的空间，亦即是否存在着额外维。德国数学家及物理学家西奥多·卡鲁扎与瑞典物理学家奥斯卡·克莱因创立[57]认了“KK理论”，提出了“五维世界”的构造(图9-7)，为在这个空间维度上存在着四维粒子的伴生粒子“KK粒子”而且，额外维的尺度应当等于或小于10米，但这又导致KK粒子无法被检测到，只能是理论中的存在。20世纪60年代后，随着弦理论和膜世界假说的提出，额外维的研究得以推进，尤其是近年来对双黑洞合并以及引发的引力波探测的研究，为额外维研究奠定了天体物理实验基础。对2019年探测到的双黑洞合并引发的GW190521引力波的研究表明，两个黑洞的质量都明显不符合恒星演化模型所给出的理论质量，有研究者认为，其原因在于在恒星向黑洞演化过程中，其额外维空间中的KK引力子形成了标准模型外的能量耗散方式，使一些黑洞的质量与标准模型无法吻合。

另外，在对GW170817引力波与其电磁对应体的探测中发现，该引力波与电磁波到达地球的时间有明显误差，引力波较电磁波提前1.74秒到达。从理论上看，两者既然都以光速行进，不会产生如此明显的差异。因此，研究者认为两者极有可能采用了不同的行进路径。根据膜世界假说模型，电磁波只能在膜上传播，而引力子是可以在额外维中传播的，这两种波到达地球的不同速度如果就是传播路径的不同而导致的，便可以证明额外维的存在。

到目前为止，关于额外维还处在假说阶段，一些关键性问题并未得到答案，比如，额外维假说认为引力可以在整个高维时空中传递，随着维度的增加，引力力度稀释所带来的一系列问题就难以解决;又如，额外维的尺度如果要达到高维时空中的基本特征尺度其维数就要达到26维，这种巨大数量级差异同样无法解决等。在理论问题尚未解决，也可能永远无法解决的情况下，认识宇宙中的时间与空间，应当立足三个视角：

一是人类自身的视角。人类所处的就是四维时空，但这个四维时空是人类为了认识与把握所处世界的需要自行设定的，无法适应于整个宇宙。

二是无主体视角。抛开一切现实或非现实存在的视角，以一个真正旁观者的身份俯身观察，就会发现所谓时间与空间其实并不存在，整个宇宙就是各种存在形态不断组合、排列的结果，无往无来，无在无不在，一切都在不确定之中。

三是泛主体视角。从不同的主体出发，也会发现一切存在都有其特定方式，物质世界、反物质世界、暗物质世界都是如此，再具体到具象的各种存在状态，同样如此。

形态

由时间光锥、谱线红移、广义相对论原理，经过分析推理，得到了时间梨形、字宙大爆炸推论。按照逻辑思维的特性，这一推论无疑应该是正确的。正确的认识是经得住实践检验的。大爆炸理论最有说服力的实践检验证据是由贝尔电话实验室的阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊所发现的宇宙微波辐射。1965年，他们在新泽西州克劳福特山上检测一个非常灵敏的微波探测器时，在7.35cm波长上，意外探测到一种微波噪声。无论天线转向何方，无论白天黑夜、春夏秋冬，这种神秘的噪声总是持续而稳定，相当于3K的黑体发出的辐射。彭齐亚斯和威尔逊所发现的各向同性的3K辐射，正是大爆炸1%s时那锅1000亿度的“字宙汤”膨胀、冷却到今天所应该“放凉”的温度，是当年的“爆炸之光”红移到微波波段的波长，是远古留下来的“辐射化石”。斯蒂芬·霍金描绘的我们的宇宙形态如图1。同时，他也提供了其他的宇宙形态(图2)。

图2所描述的我们的字宙状态，其实是一个由时间轴和宇宙的一个截面构成的时空发展躁簌洼糾觉状态，绝不是指我们宇宙的整体形态。在描述我们的宇宙膨胀状态时，霍金用一个正在被吹胀的气球做比方，他说:"这种情况很像一个画上好多斑点的气球被逐渐吹胀当气球膨胀时，任何两个斑点之间的距离加大，但是没有一个斑点可以认为是膨胀的中心并且斑点相离得越远，则它们互相离开得越快。"斯蒂芬·霍金用吹胀气球的比方很可能仅用来描述膨胀时星系的相离状态，而非是对我们宇宙的整体比拟。有科学家提醒人们注意，不要听信吹胀气球的比喻，因为我们的家到学校的距离不会因为宇宙的膨胀而膨胀，太阳系不会膨胀，银河系也不会膨胀，处于同一个本星系团的仙女座星系还在向我们靠近。宇宙膨胀的运动只发生在彼此独立、几乎不受互相引力影响的大尺度星系团之间。所以，我们的宇宙整体应该像正在绽放的礼花，随着礼花的绽放，点与点间的距离大部分处于越来越开的状态(图3)。

组成

宇宙由三部分组成：普通物质（5%）、暗物质（27%）和暗能量（68%）。科学家在宇宙中观察到的一切，从人到行星，都是由普通物质构成的，这些物质我们可以看到。物质被定义为任何具有质量并占据空间的物体。但宇宙中还有比我们所能看到的物质更多的东西。暗物质和暗能量是影响和塑造宇宙的神秘物质，科学家正在试图弄清楚它们的本质。

普通物质

普通物质构成了我们能直接观察到的一切。我们可以用自己的眼睛在可见光下看到它，也可以通过望远镜来探测我们看不到的光，比如紫外线或红外线。大多数普通物质是由原子组成的，而原子是由质子、中子和电子构成的。普通物质以气体、固体、液体或等离子体的形式存在。虽然普通物质在日常生活中无处不在，但只占整个宇宙的 5%。

暗物质

和普通物质一样，暗物质占据空间并拥有质量，但几乎不会反射、吸收或辐射光线。虽然科学家已经测量出暗物质约占宇宙的 27%，但目前还不能确定暗物质究竟是什么。有几种暗物质的候选者，它们几乎不与普通物质相互作用，比如弱相互作用大质量粒子、轴子。

直到 20 世纪，天文学家才知道暗物质的存在。20 世纪 30 年代，瑞士天文学家弗里茨·兹威基在研究包含 1000 多个星系的后发星系团时创造了 “暗物质” 这个词。星系团内星系运动的速度取决于星系团的总质量和大小。兹威基注意到，后发座星系团中的星系运动速度比观测到的星系团总质量所能解释的要快 —— 意味着存在看不见的物质提供了质量，使得星系运动得更快。

20 世纪 70 年代，美国天文学家维拉・鲁宾通过研究单个星系的旋转，证实了暗物质的存在。她和她的同事们发现，星系总质量中包含由看不见的暗物质提供的质量。如今，科学家对暗物质的探索仍在继续，已经确定暗物质不是由已知的粒子构成。暗物质存在于一个遍布整个宇宙的网状结构中 —— 这是一个巨大的引力支架，吸引了宇宙中大多数普通物质，塑造了宇宙的大尺度结构。

暗能量

暗能量约占整个宇宙的 68%，科学家对暗能量的了解甚至比暗物质还少，暗能量的本质到底是什么仍然是宇宙学中的最大谜团之一。但是像暗能量这样的东西必须存在，才能解释宇宙的加速膨胀。自20世纪 20 年代末，天文学家就知道宇宙正在膨胀。人们一直认为，宇宙的物质会减慢它的膨胀速度。因为质量产生引力，引力必定减缓膨胀。

1917年，阿尔伯特·爱因斯坦在研究广义相对论导出的一组引力方程式时，发现方程式的结果都预示着宇宙在做永恒的运动，这个结果与爱因斯坦的宇宙是静止的观点相违背。为了使这个结果能预示宇宙是呈静止状态，爱因斯坦又给方程式引入了一个外加项，这个外加项被称为“宇宙常数”。1997年12月，作为“大红移超新星搜索小组”的成员，哈佛大学天文学家罗伯特·基尔希纳根据超新星的变化，发现宇宙的膨胀速度非但没有在自身重力下变慢，反而在一种看不见的、无人能解释的、神秘力量的推动下越来越快。这时，宇宙学家作了一种猜测，假设宇宙中有某种物质，这种物质是人类还未认识到的固态、液态、气态、“场态”之外的另一种物质的存在状态。由这种物质不同于普通物质的一切属性及其存在和作用机制，科学家将它称为“暗物质”，将其具备的作用称为“暗能量”。

通过哈勃空间望远镜观测发现，事实上宇宙是在不断膨胀着，这一观测结果与引入“宇宙常数”之前的引力方程的计算结果相符合。阿尔伯特·爱因斯坦得知“实际上的宇宙是在膨胀着的”这个消息后非常后悔，他曾说过:“引入宇宙常数是我这一生所犯的最大错误!”现在看来，他的结论下得过早。那个快被人们遗忘的“宇宙常数”，可能预示着宇宙中存在着某种“巨大的东西”这个东西可能就是 “暗能量”通过哈勃空间望远镜观测发现，事实上宇宙是在不断膨胀着，这一观测结果与引入“宇宙常数”之前的引力方程的计算结果相符合。爱因斯坦得知“实际上的宇宙是在膨胀着的”这个消息后非常后悔，他曾说过:“引入宇宙常数是我这一生所犯的最大错误!”现在看来，他的结论下得过早。那个快被人们遗忘的“宇宙常数”，可能预示着宇宙中存在着某种“巨大的东西”这个东西可能就是 “暗能量”。

在新世纪之初，美国国家研究委员会发布了一份题为《建立夸克与宇宙的联系:新世纪11大科学问题》的研究报告，科学家们在报告中认为，暗物质和暗能量应该是未来几十年天文学研究的重中之重，“暗物质”的本质问题和“暗能量”的性质问题在报告所列出的11个大问题中分列为第一位、第二位。

美国航空航天局在轨道中运行的威尔金森微波仪探测卫星收集到的材料也证明超新星在发生同样的变化。这些变化的含义的确令科学家忐忑不安，因为这将预示着阿尔伯特·爱因斯坦、霍金等理论家可能都错了，影响并决定整个宇宙的力量不是引力和重力等已知作用力，而是以“宇宙常量”形式存在的“暗能量”和“暗物质”。因此有人认为，暗能量在宇宙中更像是一种背景和一种“超导体”，它就像是空气相对于人类或者是大海相对于鱼儿一样，故而在宇宙物理学上它的确表现得更像一个真空，因此也有人把“暗能量”称为“真空能”。

如果 “暗能量”就是“真空能”，那么真空就应该具备某种力的特征和力的属性。如果真空一旦被证明具备力的属性，那么“真空力”就成为独立于万有引力、电磁力、强力和弱力之外在自然界中普遍存在着的第五种自然作用力，即“第五种力”由此而来，真空可能就是物理学史上已经被抛弃的“以太”而“以太”就是真空的某一种效应。宇宙暗能量的基本特征是具有负压，而对于通常的能量(辐射)、重子和冷暗物质，压强都是非负的，因此，这种未知的负压物质主导着我们的宇宙。宇宙的运动都是旋涡型的，所以暗能量总是以一种旋涡运动的形式出现，我们称为暗能量旋涡场。

粒子

宇宙的组成包括从外层空间入射到地球的高能粒子，加上它们在穿过大气层时产生的次级粒子。对它们的研究在物理学中有一个特殊的位置，不仅因为其自身的价值，也因为宇宙线研究对探索基本粒子以及它们的相互作用方面已经起到的 —— 并且还在继续起着的 —— 开创性作用。我们可以回忆一下，1932年在宇宙线中发现了反物质，当时是通过产生的正电子和e+e−发现的，20世纪40年代末在宇宙线中发现了 π 介子、μ 子和奇异粒子。在1950年以前，宇宙辐射是仅有的高能粒子（能量高于 1 GeV）源。这些发现确实快速推动了大型粒子加速器的建设和与这些加速器联系的探测仪器的发展，这些发展实质性地扩展了这个领域的范围，将基本粒子物理置于一个坚实的定量基础之上。

之后，在20世纪80～90年代，太阳和大气层中微子的相互作用，发生于比任何加速器或反应器所能达到的尺度大得多的距离之上，揭示了标准模型的第一个裂痕，找到了中微子的味混合和中微子有限质量的证据。这导致了加速器固定靶实验中的轻子物理在新千年的复兴，也导致了彻底的新提案的发展，例如提供高能电子中微子和 μ 子中微子源的 μ 子储存环的建设。

在最高能量下，TeV 及更高能量范围的 γ 射线的研究表明其源头是天空中的点源，似乎在那里发生了宇宙中最剧烈的事件，而对 γ 射线和超高能质子以及更重原子核的密集研究一定都会对粒子加速的机制给出新的线索，也或许会揭示在远远超过地球上所能达到的能量上发生的新的基本过程。宇宙线的研究确实仍然是一个非常开放的领域，在这里几乎每天都能出现新发展和新谜团。

模型

牛顿静态宇宙模型

艾萨克·牛顿是最早用科学方法研究宇宙学问题的科学家之一。牛顿静态宇宙模型不单指牛顿本人的宇宙学论述，而是泛指牛顿经典力学体系架构下，研究宇宙整体特性而形成的观念。牛顿静态宇宙模型对时间和空间有两个基本的认识:第一，时间和空间是绝对的，相互独立的。第二，时间和空间都是无限的。牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中写道:“绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关，始终保持着相似和不变。”牛顿的绝对空间是一个与物质无关的存放物质的容器，它在各个方向上都是无限延伸的。在这个无限空间里到处都有天体分布，即使所有物质都没有了，空间依然存在。牛顿还写道:“绝对的、真实的、数学的时间，由于它自身的本性，与任何外界事物无关地、均匀地流逝。”他认为时间是所有事物共同依存而又不受任何事物牵连的绝对存在，它无始无终。即使所有物质发展的过程都结束了，时间依然不断地流逝。绝对空间是静止不动的，绝对时间是永远流逝的。空间和时间都永无止境，不存在起源的问题。牛顿静态宇宙模型很自然地被人们普遍接受，因为它不需要回答以下这样的问题--宇宙如果有界限，那么界限之外是什么，如果时间有起点，那么起点以前是怎样的。

广义相对论模型

1917年阿尔伯特·爱因斯坦发表了论文《根据广义相对论对宇宙学所做的考查》，提出了一个崭新的宇宙观，指出我们可能生活在一个有限无边界的空间中，描述这个空间的几何不是欧氏几何，而是黎曼几何。在这个宇宙模型里，现实的三维空间是一个无边界空间，无论向哪个方向运动都永远走不到尽头，不可能遇到边界。宇宙中所有位置都具有同等地位，宇宙没有中心。但是，由于宇宙中充满物质，存在引力场根据相对论，宇宙的三维空间是弯曲的、有限的，这就可以摆脱奥伯斯悖论的困境。我们可以将有限无界宇宙和地球表面类比，想象一下地球表面，地表显然是有限的，可是没有一个地方是中心，也没有一个边界，在地球表面朝任何方向移动，都不会遇到边界。阿尔伯特·爱因斯坦一开始用引力场方程描述的宇宙是动态的，可爱因斯坦所处的时代，人们普遍认为宇宙应该是静态的。为了得到一个稳定的静态宇宙模型，他在引力场方程中加了一个常数项。那个常数被称为宇宙学常数，可以用来产生一个斥力，以抗衡引力，保持静态宇宙。

宇宙膨胀理论

1922年，苏联数学家杰尔姆·弗里德曼将引力场方程用于均匀并各向同性的宇宙，得到了普遍的动态解。弗里德曼假设宇宙在膨胀，而且膨胀是从物质密度为无穷大的奇点开始的。奇点的解释是宇宙学中的一个难题它的存在一方面意味着在宇宙的非常早期，不能用经典的时空概念来描述，另一方面意味着宇宙在时间上可能有一个开端。由于空间是根据物质的质量而弯曲的，如果宇宙平均密度p小于某个临界值p，宇宙将一直膨胀下去，宇宙就是开放的、无限的；R如果平均密度等于临界密度，则宇宙是p0质多、引力大，引力大到足以使宇宙的膨胀速度减为零，使之转为收缩，宇宙将重新回到超密状态，这样的宇宙是闭合的、有限的。R如果平均密度等于临界密度，则宇宙是p0质多、引力大，引力大到足以使宇宙的膨胀速度减为零，使之转为收缩，宇宙将重新回到超密状态，这样的宇宙是闭合的、有限的。米尔顿·弗里德曼提出的宇宙膨胀理论改变了人们的宇宙观，激发了天文学家对宇宙演化的思考。

宇宙大爆炸理论

爱德文·哈勃(Edwin Hubble)在1929年发表了一篇关于星系距离和退行速度之间的关系的论文。这篇论文题为《银河系外星云的距离和径向速度之间的关系》，开创了观测宇宙学领域，揭示了宇宙正在膨胀，并永远地改变了我们对宇宙的理解。今天很多人都听说过宇宙大爆炸理论，知道宇宙在膨胀。但是仅仅在一个世纪以前，大多数天文学家都认为宇宙是静态的。哈勃空间望远镜的开创性论文带来了人类对宇宙认识的转折点。哈勃发现星系以正比于距离的速度远离我们--距离我们越远的星系后退得越快，这为宇宙膨胀提供了观测证据。

1932年，比利时天文学家勒梅特认为，宇宙的全部物质最初聚集于一个原始原子(亦称为“宇宙蛋”)，现在观测到的宇宙是由这个“宇宙蛋”突然爆发而形成的，向四面八方飞奔的碎片渐渐演变成恒星、星系勒梅特最先考虑从膨胀的宇宙模型追溯宇宙的起源，但他未能说明宇宙中的元素是如何形成的。

20世纪末的超新星观测结果显示，宇宙在加速膨胀，科学家推断应该存在一种斥力在驱动宇宙加速，而原本用于抗衡引力的宇宙学常数正好可以作为暗能量的候选者，宇宙学常数再次登上历史舞台。