宇宙简史-宇宙是什么

　　第一章 宇宙是什么

　　认识宇宙

　　我们常说人类身处宇宙之中，那么，什么是宇宙呢？“宇宙”是个很大的概念，如果我们用搜索引擎来搜索这个词，能够得到很多答案。字典中对这个词的解释是：包括一切事物的无限空间和时间。宇宙就是一切空间、时间和物质组成的一个整体，其中包括所有的物质和它们的表现形式。

　　在远古时期，原始人类在具备了思维能力后，看到天上日升月落、星象运行的情况，意识到昼夜交替的现象。他们便会思考这一切是如何发生的，思考他们所看到的天上的这些事物究竟是什么。因此，即使在当时“宇宙”这个词还没有被创造出来，但原始人类必定已经对此有了模糊的概念，并产生了对其一探究竟的好奇心。

　　宇宙包含无比广阔的空间，其中存在着各种天体和其他宇宙物质。宇宙是如何起源的呢？这是一个复杂的问题。宇宙中的物质和它们的各种表现形式一直在不断地运动和发展着。从古至今，科学家们都在追寻宇宙的起源，想要了解宇宙究竟是怎样形成的。现在，大多数科学家认为，宇宙起源于137亿年前的一次大爆炸。宇宙中的所有物质和能量本来是聚集在极其微小的一个点上的，这个点因为巨大的压力而产生了爆炸。与大爆炸有关的一些原理就是物理学家们所说的量子物理。这场大爆炸使宇宙空间不断向外扩张，物质充满了整个空间。这些物质形成了宇宙中的所有星系和星球，也促使了生命的诞生。

　　一、宇宙是什么样子的

　　相对于整个宇宙来说，人类只是极其微不足道的渺小尘埃，甚至是尘埃中的尘埃。但人类的好奇心并没有局限在自己眼前，而是早已伸向宇宙深处。

　　在望远镜还没被发明出来以前，人类只能通过肉眼看到眼前可见的一小部分宇宙。16世纪以前，人们都认为自己脚下的土地就是整个宇宙的中心，一切日月星辰都围绕着这个中心分布。16世纪初期，波兰天文学家哥白尼提出了日心说，认为地球并不是宇宙的中心，而是与其他行星一样，都是围绕着太阳旋转的。这在当时是一种激进的言论，在社会上引起了轩然大波。宗教界批判哥白尼的说法违背了《圣经》，而意大利思想家乔尔丹诺·布鲁诺却支持日心说，并在此基础上发展出宇宙无限说，认为宇宙是广阔无垠的，没有中心，也没有边界；地球只是围绕太阳旋转的一颗行星，而像太阳这样的恒星在宇宙中有无数颗；所有星体都会诞生和死亡，只有无限的宇宙是永恒存在的。布鲁诺四处宣扬他的宇宙无限说，惹怒了罗马教廷。他最终被宗教裁判机构以“异端”的罪名烧死在罗马鲜花广场上。

　　十年后，望远镜刚刚诞生不久，意大利天文学家伽利略就用望远镜进行观测，发现宇宙中有无数肉眼看不到的星星，因此证实了布鲁诺的说法。但布鲁诺提出的“无限”只是空间概念上的无限，并不包含时间概念上的无限。

　　1990年以前，人类只能在地面观测宇宙。1990年4月24日，以著名天文学家、美国芝加哥大学天文学博士爱德温·哈勃命名的太空空间望远镜——哈勃望远镜，在美国肯尼迪航天中心通过“发现者”号航天飞机发射升空，从此人类可以直接观测太空空间。这弥补了地面观测的不足。

　　哈勃望远镜在发射升空后进行了深空探索，将观测到的星系区域选取一小块放大，然后在选取的区域中再选取一小块放大，就这样不断选取不断放大，而每一次放大所得的图片都显示出密密麻麻的星系，由此可见宇宙的浩瀚无边和深不可测。

　　目前，科学家们主要依据宇宙的背景辐射来对宇宙进行观测。我们知道宇宙膨胀的，无论是光还是声音，在介质中传播都需要一定的时间。我们把时间向宇宙诞生的初期反推就会发现，当宇宙的规模还很小的时候，它内部的密度仍然是很大的，其中的电子会发生游离，就像水蒸发变为水蒸气那样。在碰到电子的时候光会发生偏移和散射，无法沿直线前进。这就像光在通过水蒸气时也会发生散射，所以在雾气中我们会看不清对面的东西。在宇宙形成的早期，因为宇宙内部充满游离态的电子，光无法自由通过，所以这时的宇宙是不透明的。随着宇宙不断向外膨胀，其温度也随之降低，当宇宙的年龄到了约10万年时，其温度已经下降到3000摄氏度。这时，电子与质子发生了结合，不再对光产生阻碍，宇宙开始变得透明了。所以，我们目前能够看到的宇宙，都是其诞生10万年以后的景象了。宇宙中的光从诞生之日起，已经行走了137亿年。宇宙在这漫长的岁月中发生的所有故事，都能从这些光里一窥究竟。

　　到了1992年，美国的NASA通过一颗人造卫星第一次看到了全天宇宙的模样。这颗卫星从不同的角度测量了宇宙中古老的光子的强度，组成了120亿年前宇宙的图景。科学家们凭借这个观测结果第一次证实了宇宙早期的形状是扁平的，从宇宙诞生之日就在不停地膨胀，温度也在不断地下降。

　　英国著名的物理学家、研究宇宙问题的权威史蒂芬·霍金教授曾经在剑桥大学的一次演讲中说，根据他和他的团队的研究，我们所处的宇宙很可能具有一个美妙的几何结构，与超现实主义的艺术作品有些相似。他还举例说，这种形状就像是荷兰艺术家埃舍尔的作品一样令人不可思议又令人非常着迷。霍金教授的这个说法可能会让很多喜爱埃舍尔作品的人心生喜悦，但是，考虑到霍金教授以及他的团队用来研究宇宙形状的依据是弦理论，而这一理论目前还是一种未经证实的理论，所以他的说法也只能作为一种参考。

　　进行这个研究的团队将首次试图利用数学模型来解决宇宙中的空间缠绕问题。在过去，这种方法从未被考虑过进行这类研究。如果科学家们能够建立起这个模型，我们就可以利用它来解释宇宙大爆炸后，一个能够自我支撑的空间是怎么形成的。在这个空间里，引力和量子力学也将能够实现统一。参与这项研究的一位科学家说，运用弦理论搭建宇宙的模型，是一种从未尝试过的全新途径。

　　宇宙的形状如果从语言角度来描述，可以说它是一个多重曲面镶嵌在一起的整体。这个整体拥有无限重复的扭曲的面，每个曲面之间又紧密相连。这个结构与埃舍尔的作品“圆形极限”十分类似。这一类艺术品都反复出现了镶嵌在一起的周期性的图案，让我们得以在有限的面积中得到一种无限和递增的观感。而且，尽管这些艺术作品都是二维的平面图案，但是体现出了空间的曲面结构。

　　在一些超现实主义的艺术作品中，经常有一些环环相扣、反复出现的图案，这些图案首尾相连，从中心出发一直延展到边缘，给人的感觉仿佛是无限延伸的。这些图案在二维的平面上看起来是以固定的系数一直在无限地缩小着的。但是如果把它们放到一个双曲空间中，每个图案的大小将不发生变化，每个图案都是相同的。因为在空间中无法进行平铺，所以在一个多维空间中我们能够看到一个扭曲的图形，以一个固定的频率如波浪般起伏。