有关太空的知识

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有关于宇宙的知识

宇宙基本知识

历史资料

《文子·自然》：“已知的宇宙往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。”

《尸子》：“上下四方曰宇，往古来今曰宙。”在这种观念之下，“宇”代表

上下四方，即所有的空间，“宙”代表古往今来，即所有的时间，“宇”：无

限空间，“宙”：无限时间。所以“宇宙”这个词有“所有的时间和空间”的

意思。把“宇宙”的概念与时间和空间联系在一起，体现了我国古代人民的独

特智慧。

“宇宙”两字连用，最早出自《庄子》这本书，同时，《庄子》一书还给出

了一种更抽象的宇宙定义。他说：“出无本，入无窍。有实而无乎处，有长而

无乎本剽。有所出而无窍者有实。有实而无乎处者，宇也;有长而无本剽者，宙

也。”现代学者张京华将其译为：“有实体存在但并不固定静止在某一位置不

变叫做宇;有外在属性但并没有固定的度量可以衡量叫做宙。”此种宇宙定义与

时空无关，与现代宇宙观有相似之处。但长期未被人们接受。

关于宇宙的概念

结构观念

众多的观点

远古时代，人们对宇宙结构的认识处于十分幼稚的状态，他们通常按照自

己的生活环境对宇宙的构造做出推测。在中国西周时期，生活在华夏大地上的

人们提出的早期盖天说认为，天穹像一口锅，倒扣在平坦的大地上;后来又发展

为后期盖天说，认为大地的形状也是拱形的。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。也有一些人认为，地球只是一只龟上的一片甲板，而龟则是站在一个托

着一个又一个的龟塔...

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地球原来是球形

最早认识到大地是球形的是古希腊人。公元前6世纪，毕达哥拉斯从美学

观念出发，认为一切立体图形中最美的是球形，主张天体和我们所居住的大地

都是球形的。这一观念为后来许多古希腊学者所继承，但直到1519～1522年，

葡萄牙的F.麦哲伦率领探险队完成了第一次环球航行后，地球是球形的观念

才最终被证实。

地心说、日心说和万有引力定律

公元2世纪，C.托勒密提出了一个完整的地心说。这一学说认为地球在宇

宙的中央安然不动，月亮、太阳和诸行星以及最外层的恒星天都在以不同速度

绕着地球旋转。为了说明行星运动的不均匀性，他还认为行星在本轮上绕其中

心转动，而本轮中心则沿均轮绕地球转动。地心说曾在欧洲流传了1000多年。

1543年，N.哥白尼提出科学的日心说，认为太阳位于宇宙中心，而地球则是一

颗沿圆轨道绕太阳公转地普通行星。到16世纪哥白尼建立日心说后才普遍认识

到：地球是绕太阳公转的行星之一，而包括地球在内的八大行星则构成了一个

围绕太阳旋转的行星系──太阳系的主要成员。1609年，J.开普勒揭示了地

球和诸行星都在椭圆轨道上绕太阳公转，发展了哥白尼的日心说，同年，伽利

略·伽利雷则率先用望远镜观测天空，用大量观测事实证实了日心说的正确

性。1687年，I.牛顿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。[2]

宇宙里不光只有银河系

在哥白尼的宇宙图像中，恒星只是位于最外层恒星天上的光点。1584年，

乔尔丹诺·布鲁诺大胆取消了这层恒星天，认为恒星都是遥远的太阳。18世纪

上半叶，由于E.哈雷对恒星自行的发展和J.布拉得雷对恒星遥远距离的科学估

计，布鲁诺的推测得到了越来越多人的赞同。18世纪中叶，T.赖特、I.康德和

J.H.朗伯推测说，布满全天的恒星和银河构成了一个巨大的天体系统。弗里德

里希·威廉·赫歇尔首创用取样统计的方法，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，1785年首先获得了一幅扁而平、轮廓参

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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，H.沙普利发现了太阳不在银河系中心、J.H.奥尔特发现了银河系的自

转和旋臂，以及许多人对银河系直径、厚度的测定，科学的银河系概念才最终

确立。

太阳

18世纪中叶，康德等人还提出，在整个宇宙中，存在着无数像我们的天体

系统(指银河系)那样的天体系统。而当时看去呈云雾状的“星云”很可能正是

这样的天体系统。此后经历了长达170年的曲折的探索历程，直到1924年，才

由E.P.哈勃用造父视差法测仙女座大星云等的距离确认了河外星系的存在。

河外星系离我们越来越远

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大约140亿光年的

宇宙深处。

演化观念

在中国，早在西汉时期，《淮南子·俶真训》指出：“有始者，有未始有有

始者，有未始有夫未始有有始者”，认为世界有它的开辟之时，有它的开辟以

前的时期，也有它的开辟以前的以前的时期。《淮南子·天文训》中还具体勾画

了世界从无形的物质状态到浑沌状态再到天地万物生成演变的过程。在古希

腊，也存在着类似的见解。例如留基伯就提出，由于原子在空虚的空间中作旋

涡运动，结果轻的物质逃逸到外部的虚空，而其余的物质则构成了球形的天

体，从而形成了我们的世界。

太阳系概念确立以后，人们开始从科学的角度来探讨太阳系的起源。1644

年，R.笛卡尔提出了太阳系起源的旋涡说;1745年，G.L.L.布丰提出了一个因

大彗星与太阳掠碰导致形成行星系统的太阳系起源说;1755年和1796年，康德

和拉普拉斯则各自提出了太阳系起源的星云说。现代探讨太阳系起源z的新星

云说正是在康德-拉普拉斯星云说的基础上发展起来。

宇宙的起源创生

宇宙的不断膨胀

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一般认为，宇宙产生于140亿年前一次大爆炸中。大爆炸后30亿年，最初

的物质涟漪出现。大爆炸后20亿～30亿年，类星体逐渐形成。大爆炸后90亿

年，太阳诞生。38亿年前地球上的生命开始逐渐演化。[3]

大爆炸散发的物质在太空中漂游，由许多恒星组成的巨大的星系就是由这

些物质构成的，我们的太阳就是这无数恒星中的一颗。原本人们想象宇宙会因

引力而不再膨胀，但是，科学家已发现宇宙中有一种“暗能量”会产生一种斥

力而加速宇宙的膨胀。

大爆炸后的膨胀过程是一种引力和斥力之争，爆炸产生的动力是一种斥

力，它使宇宙中的天体不断远离;天体间又存在万有引力，它会阻止天体远离，

甚至力图使其互相靠近。引力的大小与天体的质量有关，因而大爆炸后宇宙的

最终归宿是不断膨胀，还是最终会停止膨胀并反过来收缩变小，这完全取决于

宇宙中物质密度的大小。

理论上存在某种临界密度。如果宇宙中物质的平均密度小于临界密度，宇

宙就会一直膨胀下去，称为“开宇宙”;要是物质的平均密度大于临界密度，膨

胀过程迟早会停下来，并随之出现收缩，称为“闭宇宙”。

问题似乎变得很简单，但实则不然。理论计算得出的临界密度为5某8^-

30克/厘米3。但要测定宇宙中物质平均密度就不那么容易了。星系间存在广袤

的星系间空间，平均密度就只有2某10^-31克/厘米3，远远低于上述临界密

度。

然而，种种证据表明，宇宙中还存在着尚未观测到的所谓的暗物质，其数

量可能远超过可见物质，这给平均密度的测定带来了很大的不确定因素。因

此，宇宙的平均密度是否真的小于临界密度仍是一个有争议的问题。不过，就

目前来看，开宇宙的可能性大一些，因为宇宙中还有更多的暗能量。[4]

空间，而这些气体又可用来形成下一代恒星。这一过程中气体可能越来越

少(并未确定这种过程会减少这种气体。)。以致于不能再产生新的恒星。10^14

年后，所有恒星都会失去光辉，宇宙也就变暗。同时，恒星还会因相互作用不

断从星系逸出，星系则因损失能量而收缩，结果使中心部分生成黑洞，并通过

吞食经过其附近的恒星而长大。(根据质能守恒定律，形成恒星的气体并不会减

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少而是转换成其他形态。所以新的恒星可能会一直产生.)

10^17～10^18年后，对于一个星系来说只剩下黑洞和一些零星分布的死亡

了的恒星，这时，组成恒星的质子不再稳定。10^32年后，质子开始衰变为光

子和各种轻子。10^71年后，这个衰变过程进行完毕，宇宙中只剩下光子、轻

子和一些巨大的黑洞。

10^108年后，通过蒸发作用，有能量的粒子会从巨大的黑洞中逃逸出。宇

宙将归于一片黑暗。这也许就是开宇宙“末日”到来时的景象，但它仍然在不

断地、缓慢地膨胀着。(但质子是否会衰变还未得到结论，因此根据质能守恒定

律。宇宙中的质能会不停的转换。)

闭宇宙的结局又会怎样呢?闭宇宙中，膨胀过程结束时间的早晚取决于宇宙

平均密度的大小。如果假设平均密度是临界密度的2倍，那么根据一种简单的

理论模型，经过400～500亿年后，引力开始占上风，膨胀即告停止，而接下来

宇宙便开始收缩。

以后的情况差不多就像一部宇宙影片放映结束后再倒放一样，大爆炸后宇

宙中所发生的一切重大变化将会反演。收缩几百亿年后，原来星系远离地球的

退行运动将代之以向地球接近的运动。再过几十亿年，宇宙背景辐射会上升到

400开，并继续上升，于是，宇宙变得非常炽热而又稠密。在坍缩过程中，星

系会彼此并合，恒星间碰撞频繁。

这些结局只考虑到引力作用。实际上可能有更多其他的复杂因素。

2022年，据中国网[4]报导，美国普林斯顿大学的保罗·斯坦哈特教授与

英国剑桥大学的尼尔·图罗克教授,发表了关于“宇宙无始无终”的新论断。他

们认为，宇宙既没有“诞生”之日，也没有终结之时，而就是在一次又一次的

大爆炸中进行运动，循环往复，以至无穷的。至于“宇宙无始无终”的新论是

否正确，报导中认为，过几年国际天文学界可望对此做出验证。但直到2022

年，循环宇宙的观点仍存在争议。

宇宙的创生

1.有些宇宙学家认为，暴涨模型最彻底的改革也许是观测宇宙中所有的物

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质和能量从无中产生的观点，这种观点之所以在以前不能为人们接受，是因为

存在着许多守恒定律，特别是重子数守恒和能量守恒。但随着大统一理论的发

展，重子数有可能是不守恒的，而宇宙中的引力能可粗略地说是负的，并精确

地抵消非引力能，总能量为零。因此就不存在已知的守恒律阻止观测宇宙从无

中演化出来的问题。这种“无中生有”的观点在哲学上包括两个方面：①本体

论方面。如果认为“无”是绝对的虚无，则是错误的。这不仅违反了人类已知

的科学实践，而且也违反了暴涨模型本身。按照该模型，我们所研究的观测宇

宙仅仅是整个暴涨区域的很小的一部分，在观测宇宙之外并不是绝对的

“无”。这种真空能恰恰是一种特殊的物质和能量形式，并不是创生于绝对的

“无”。如果进一步说这种真空能起源于“无”，因而整个观测宇宙归根到底

起源于“无”，那么这个“无”也只能是一种未知的物质和能量形式。②认识

论和方法论方面。暴涨模型所涉及的宇宙概念是自然科学的宇宙概念。这个宇

宙不论多么巨大，作为一个有限的物质体系，也有其产生、发展和灭亡的历

史。暴涨模型把传统的大爆炸宇宙学与大统一理论结合起来，认为观测宇宙中

的物质与能量形式不是永恒的，应研究它们的起源。它把“无”作为一种未知

的物质和能量形式，把“无”和“有”作为一对逻辑范畴，探讨我们的宇宙如

何从“无”——未知的物质和能量形式，转化为“有”——已知的物质和能量

形式，这在认识论和方法论上有一定意义。

2.宇宙是如何起源的?空间和时间的本质是什么?这是从2022多年前的古

代哲学家到现代天文学家一直都在苦苦思索的问题。经过了哥白尼、赫歇尔、

哈勃的从太阳系、银河系、河外星系的探索宇宙三部曲，宇宙学已经不再是幽

深玄奥的抽象哲学思辩，而是建立在天文观测和物理实验基础上的一门现代科

学。

“大爆炸宇宙论”是1927年由比利时数学家勒梅特提出的，他认为最初宇

宙的物质集中在一个超原子的“宇宙蛋”里，在一次无与伦比的大爆炸中分裂

成无数碎片，形成了今天的宇宙。1948年，俄裔美籍物理学家伽莫夫等人，又

详细勾画出宇宙由一个致密炽热的奇点于150亿年前一次大爆炸后，经一系列

元素演化到最后形成星球、星系的整个膨胀演化过程的图像。但是该理论存在

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许多使人迷惑之处。

宏观宇宙是相对无限延伸的。“大爆炸宇宙论”关于宇宙当初仅仅是一个

点，而它周围却是一片空白，即将人类至今还不能确定范围也无法计算质量的

宇宙压缩在一个极小空间内的假设只是一种臆测。况且从能量与质量的正比关

系考虑，一个小点无缘无故地突然爆炸成浩瀚宇宙的能量从何而来呢?

人类把地球绕太阳转一圈确定为衡量时间的标准——年。但宇宙中所有天

体的运动速度都是不同的，在宇宙范围，时间没有衡量标准。譬如地球上东西

南北的方向概念在宇宙范围就没有任何意义。既然年的概念对宇宙而言并不存

在，大爆炸宇宙论又如何用年的概念去推算宇宙的确切年龄呢?

1929年，美国天文学家哈勃提出了星系的红移量与星系间的距离成正比的

哈勃定律，并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。哈勃定律只是说明了距

离地球越远的星系运动速度越快--星系红移量与星系距离呈正比关系。但他没

能发现很重要的另一点--星系红移量与星系质量也呈正比关系。

宇宙中星系间距离非常非常遥远，光线传播因空间物质的吸收、阻挡会逐

渐减弱，那些运动速度越快的星系就是质量越大的星系。质量大，能量辐射就

强，因此我们观察到的红移量极大的星系，当然是质量极大的星系。这就是被

称作“类星体”的遥远星系因质量巨大而红移量巨大的原因。而银河系内的恒

星由于距地球近，大小恒星都能看到，所以恒星的红移紫移数量大致相等。

导致星系红移多紫移少的另一原因是：宇宙中的物质结构都是在一定范围

内围绕一个中心按圆形轨迹运动的，不是像大爆炸宇宙论描述的从一个中心向

四周作放射状的直线运动。因此，从地球看到的紫移星系范围很窄，数量极

少，只能是与银河系同一方向运动的，前方比银河系小的星系;后方比银河系大

的星系。只有将来研制出更高分辨程度的天文观测仪器才能看到更多的紫移星

系。

宇宙中的物质分布出现不平衡时，局部物质结构会不断发生膨胀和收缩变

化，但宇宙整体结构相对平衡的状态不会改变。仅凭从地球角度观测到的部分

(不是全部)可见星系与地球之间距离的远近变化，不能说明宇宙整体是在膨胀

或收缩。就像地球上的海洋受引力作用不断此涨彼消的潮汐现象并不说明海水

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总量是在增加或减少一样。

1994年，美国卡内基研究所的弗里德曼等人，用估计宇宙膨胀速率的办法

计算宇宙年龄时，得出一个80～120亿年的年龄计算值。然而根据对恒星光谱

的分析，宇宙中最古老的恒星年龄为140～160亿年。恒星的年龄倒比宇宙的年

龄大。

1964年，美国工程师彭齐亚斯和威尔逊探测到的微波背景辐射，是因为布

满宇宙空间的各种物质相互之间能量传递产生的效果。宇宙中的物质辐射是时

刻存在的，3K或5K的温度值也只是人类根据自己判断设计的一种衡量标准。

至于大爆炸宇宙论中的氦丰度问题，氦元素原本就是宇宙中存在的仅次于

氢元素的数量极丰富的原子结构，它在空间的百分比含量和其它元素的百分比

含量同样都属于物质结构分布规律中很平常的物理现象。在宇宙大尺度范围

中，不仅氦元素的丰度相似，其余的氢、氧……元素的丰度也都是相似的。而

且，各种元素是随不同的温度、环境而不断互相变换的，并不是始终保持一副

面孔，所以微波背景辐射和氦丰度与宇宙的起源之间看不出有任何必然的联

系。

大爆炸宇宙论面临的难题还有，如果宇宙无限膨胀下去，最后的结局如何

呢?德国物理学家克劳修斯指出，能量从非均匀分布到均匀分布的那种变化过

程，适用于宇宙间的一切能量形式和一切事件，在任何给定物体中有一个基于

其总能量与温度之比的物理量，他把这个物理量取名为“熵”，孤立系统中的

“熵”永远趋于增大。但在宇宙中总会有高“熵”和低“熵”的区域，不可能

出现绝对均匀的状态。所以，那种认为由于“熵”水平的不断升高而达到最大

值时，宇宙就会进入一片死寂的永恒状态，最终“热寂”而亡的结局。

根据天文观测资料和物理理论描述宇宙的具体形态，星系的形态特征对研

究宇宙结构至关重要，从星系的运动规律可以推断整个宇宙的结构形态。而星

系共有的圆形旋涡结构就是整个宇宙的缩影，那些椭圆、棒旋等不同的星系形

态只是因为星系年龄和观测角度不同而产生的视觉效果。

奇妙的螺旋形是自然界中最普遍、最基本的物质运动形式。这种螺旋现象

对于认识宇宙形态有着重要的启迪作用，大至旋涡星系，小至DNA分子，都是

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在这种螺旋线中产生。大自然并不认可笔直的形式，自然界所有物质的基本结

构都是曲线运动方式的圆环形状。从原子、分子到星球、星系直到星系团、超

星系团无一例外，毋庸置疑，浩瀚的宇宙就是一个大旋涡。因此，确立一个

“螺旋运动形态宇宙模型”，比那种作为所有物质总和的“宇宙”却脱离曲线

运动模式而独辟蹊径，以直线运动方式从一个中心向四面八方无限伸展的“大

爆炸宇宙模型”，更能体现真实的宇宙结构形态。