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宇宙的结构

几十年来对宇宙的研究表明,关于宇宙的产生和存在有许多不同的理论。宇宙是一切存在的东西,如物质、行星、恒星、空间和星系。解释宇宙存在和演化的理论之一是大爆炸理论。

大爆炸理论指出宇宙是在一次大爆炸发生后形成的。今天的恒星和所有的星系都是从那次爆炸中释放出的物质和能量演化而来的。美国天文学家埃德温·鲍威尔·哈勃是大爆炸理论的幕后推手。他试图展示地球是如何从一个共同的来源,由于大爆炸理论(Lineweaver和Davis)。

大爆炸理论提出了大紧缩理论,认为宇宙最终会停止膨胀。他认为,当重力作用于周围的物质时,宇宙将开始收缩,直到它折叠回最初的致密结构。

了解黑洞的演化周期,很容易理解宇宙的结构。任何大质量恒星的生命终结都会导致黑洞的形成。恒星内部有燃料沉积物。任何一颗正在燃烧的非常大的恒星最终都会磨损并最终爆炸形成超新星。燃烧后的恒星残骸会破碎成一个致密的物体,叫做中子星。一颗中子星最终变成了黑洞,它负责产生引力,一种足以使原子结构破裂的力。黑洞的质量与位于星系中心的数百万个太阳的质量成正比。

宇宙也被认为是通过古典理论而存在的。这也被称为原子结构。这个理论揭示了宇宙中极端的亚原子世界。原子的基本结构是由质子和中子组成的。原子核包含了质子和中子球,它们紧密地堆积在一起,电子围绕电子壳层旋转,与原子核保持一定的距离,并且处于不同的能级。在电子壳层和原子核之间有一个巨大的空白(辛肖和奈耶)。

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1964年,盖尔·曼和茨威格·乔治提出了一个命题,即核粒子由更小但关键的夸克粒子组成。中子有一个上夸克和两个下夸克,而质子由两个上夸克和一个下夸克组成。在质子和中子之间,存在着一种叫做胶子的传输介质,它是一种强大的力载体。在极端的压力和温度下,核粒子很容易分解成夸克胶子等离子体。原子分裂时释放的能量与原子弹释放的能量相似。恒星从原子结构到核粒子结构的转变形成了超新星。在超新星爆发后,剩下的质子和中子会坍缩成一个大而致密的核心。强大的引力迫使质子和中子结合成中子。这就是为什么黑洞的内核是由中子组成的。黑洞的演化加强了它对能量和物质的吸收。生长达到一个临界点,温度和压力导致核粒子分裂成夸克。这种故障的影响是关闭了重力开关。实际上,大部分质量在击穿过程中损失,并转化为非常巨大的能量,从而引发一个链式反应,产生夸克胶子等离子体。产生的等离子体最终分裂了黑洞,导致了大爆炸。

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宇宙是无限的。它延伸到很远的地方,被几个黑洞占据。任何黑洞在爆炸成大爆炸之前总是会达到一定的质量,并将能量和物质抛向遥远的距离。同样的物质在一段时间后会被其他黑洞重新吸收。这个过程是连续的

除了我们目前掌握的有关宇宙起源和结构的知识外,仅仅仰望天空就能描绘出一幅没有尽头的宇宙黑色画布。由于光速、星系的尺寸、太阳中原子的数量以及宇宙的老化过程等美学原因,这一观点受到限制。根据大爆炸理论,可观测的宇宙由人眼的所有可观测特征组成。到宇宙远端的距离大致相同,因此宇宙是球形的。宇宙既是可见的,又是可观测的。可见宇宙包括重组后发出的信号,而可观测宇宙则包含了从大爆炸传统宇宙学开始就一直存在的信号。根据宇宙微波背景辐射(CMBR),发射它的粒子表明,可见地球的半径约为142亿帕斯卡或457亿光年,到可观测宇宙边缘的距离显示,宇宙的半径为145亿帕。宇宙大约有137.75亿年。然而,空间经历了一个自发的扩张,到了一个点,原来更近的可观察物体,现在已经漂得更远了(皮布尔斯和施拉姆)。

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在开始对宇宙结构的看法之前,了解宇宙的起源是很重要的。关于宇宙起源的漫长旅程始于我们对地球的理解。地球只是组成太阳系的物体之一。太阳在太阳系中起着中心作用。太阳也是太阳系中最大的天体。在所有九大行星中,水星是离太阳最近的,其次是金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星。冥王星离太阳最远,位于太阳系的边缘。所有九颗行星都围绕太阳运行。月球是离地球最近的主要天体,距离地球40万公里。地球和太阳之间的距离大约是一亿五千万公里,而太阳和冥王星之间的距离大约是60亿公里。在冥王星之外是一个巨大的空白空间,紧接着是一颗距离太阳大约40万亿公里的半人马座恒星。天文学家用光年来测量这一巨大的距离。

光年是以每秒三十万公里的速度运动时,光在一年内所经过的距离。这是光从太阳到地球所用的时间。从太阳到近人马座,光所走的距离超过四光年。太阳和半人马座近邻星只是组成银河系的众多恒星中的两颗。天文学家的研究表明,当从上面观察银河系时,中心区域是球状的,有许多螺旋状的臂,它们就是恒星。太阳就在其中一条臂的边缘附近。据估计,太阳距离银河系中心约二万八千光年。围绕银河系中心的是一个由老恒星组成的光环,向各个方向延伸大约5万光年(皮布尔斯、施拉姆、特纳和克朗)。

银河系包含超过1000亿颗恒星。这些恒星相隔数千光年。然而,由于引力的作用,它们仍然相互吸引,并局限于星系中。在银河系之外,有一个小而不规则的星系,称为大麦哲伦云。观测到的宇宙表明,除了这两个星系之外,可能还有上千亿个形状和大小各异的星系。星系作为独立的实体存在于整个宇宙中,但通过引力相互吸引。这就是为什么它们仍然被分组到集群中。银河系属于一个称为本星系群的星团。仙女座星系是最大的星系。星系团被分为超级星系团,而本星系群属于本星系团。室女座星团是在一个本地超级星团的中心发现的一个星系团。目前,像类星体这样遥远但可见的物体可以被观测到。类星体释放出如此多的能量。然而,这种能量的来源还没有确定。

对宇宙的研究被称为宇宙学。宇宙学家的首要职责是了解宇宙如何发展到现在的状态,并预测它在未来的可能表现。太阳系中的天体,如星系,有着不同的距离。来自遥远星系的光需要数十亿年才能到达太阳系。这些星系的照片是这些天体过去的样子,而不是现在的样子。从这些星系发出的光继续远离彼此,因此意味着宇宙至少已经膨胀了100亿年。宇宙学的现象或现象的形成可以用观测来检验。宇宙起源和演化的主流理论是大爆炸理论,它的宇宙学概念是通过介绍该理论的主要概念而提出的,介绍经典的理论测试,使它成为我们的宇宙的可接受的描述和解释的局限性和大爆炸理论模型的详细说明(奥斯特布洛克,格温和布拉希尔)。

从120亿到140亿年前,宇宙是一个小火球。但是随着时间的推移,它已经从以前的炎热和稠密的状态扩展到现在的凉爽和广阔的宇宙中,所有生物都居住着。

大爆炸理论可以从两个角度来解释:广义相对论原理和宇宙学原理。1916年,爱因斯坦提出了广义相对论,并将其作为新的引力理论。这个理论源于艾萨克牛顿在16世纪80年代提出的引力理论。牛顿说,重力只对静止的物体有效,或者对那些移动很慢的物体有效。然而,爱因斯坦证明了引力理论对静止和运动的物体都是有效的。根植于广义相对论的关键概念是,引力不再能够由引力场来证明,而是由时间和空间本身的扭曲来证明(Freedman)。

物理学家约翰惠勒(johnwheeler)指出,物质引导空间如何弯曲,而空间反过来又指导物质如何运动。这个概念解释了水星轨道背后的特殊性和太阳对光的弯曲。广义相对论原理的引入见证了科学家们进一步创新的开始。爱因斯坦也被称赞为是新引力应用于整个宇宙的幕后推手。

宇宙学原理是基于这样一个假设,即宇宙中的物质在非常大的尺度上平均时是一致的和各向同性的。在整个星系分布的观测过程中,这个假设一直在不断地被检验。此外,宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸后残余的热量,均匀地存在于整个天空。这证实了可能的理论,即发射宇宙微波背景辐射的气体是均匀分布的。

大爆炸宇宙学的基础是建立在宇宙同质和各向同性的假设之上的。引力场对时空的相应扭曲表明,宇宙是以以下任何一种形式存在的:宇宙既可以像球的表面一样正弯曲,又可以是有限的,它可以是负弯曲的,就像马鞍一样,在它的范围内是无限的,也可以是平坦的,无限的。为了解释这些预言,必须考虑到物质在宇宙学中的重要作用(物质的密度与宇宙的几何形状成正比。如果物质密度较低,宇宙就会显得无限而开放。如果密度更大,那么宇宙是有限的和封闭的。如果密度等于它的临界密度,那么宇宙是无限而平坦的。

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尽管宇宙一直在膨胀,但有证据表明,多年来宇宙的膨胀并不均匀。这是因为引力一直在起作用,而关于宇宙命运的问题是,引力是否足够强大,最终会使宇宙的膨胀逆转到一个崩溃的地步,回到原来的形式。宇宙的膨胀、轻元素的丰富和宇宙微波背景辐射是支持大爆炸模型预测的三个主要可测量信号。哈勃常数证明了爱因斯坦的广义相对论是正确的,因为他指出宇宙的膨胀是随着距离而推迟的。埃德温·哈勃观察到星系正以与其距离成正比的速度远离我们。它们的移动速度比光速还快。由于暗能量(沃森)的作用,这种膨胀速度加快了。

轻元素的测试是以核合成为基础的。这个术语指的是重元素的形成,比如原子核,它有许多质子和中子,都是由较轻的元素融合而成。根据大爆炸的预测,宇宙原本是稠密而炽热的,但在爆炸后的一秒钟内,宇宙温度急剧升高,充满了质子、中子、电子、反电子、光子和中微子。宇宙的冷却导致中子衰变为质子,或质子合并成氢的同位素。几分钟后,同位素形成了氦和微量的锂。这解释了轻元素是如何通过大爆炸核合成(Linde)形成的。

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宇宙微波背景辐射是解释大爆炸理论的另一个事实。在大爆炸之后,当时非常热的宇宙正在膨胀,导致里面的气体冷却。这导致宇宙充满了辐射。1948年拉尔夫·阿尔弗、乔治·加莫和罗伯特·赫尔曼在他们关于大爆炸核合成的工作中预言了宇宙微波背景辐射的存在。

虽然大爆炸理论清楚地解释了宇宙的膨胀、轻元素的丰富和宇宙微波背景辐射,但这个理论有三个主要问题。威尔金森微波各向异性探测器确定宇宙的几何结构几乎是平坦的,但大爆炸宇宙学表明,曲率将随着时间继续增长。宇宙微波背景温度表明,宇宙中遥远的区域一定在某个给定的点上接触过。然而,在大爆炸膨胀的假设下,由于空间区域之间的距离相距遥远,这些区域永远不可能接触。最后,大爆炸宇宙学预测,在膨胀过程中一定产生了大量的重磁极,但到目前为止还没有观测到它们(Guth和Steinhardt)。

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另一方面,基督徒和穆斯林相信宇宙是空的,直到上帝创造了太阳系中的一切。

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