带你进行一次宇宙终极探秘：从时间的起点到空间的无限！

发布者：隔壁老胡 2024-3-23 09:16

宇宙是一个神秘又令人向往的地方，你所看见的每一颗星辰都有着自己的故事，每一片星云都描绘着宇宙的美丽，它激发着人类无尽的好奇心和探索欲，我们生活在这样一个令人敬畏的宇宙中，其隐藏着无数的奥秘。

当我们抬头仰望星空，不禁会思考：宇宙有多大，宇宙的边界在哪里？我们又‬在‬宇宙的什么‬位置‬？而今天，便让我们踏上一段‬探索宇宙的旅程，从时间的始端到空间的尽头，去寻找那些关于宇宙的故事，去解开星辰背后的秘密。

在我们的宇宙中拥有无数的星系，恒星以及星系，并且空间又广阔的让人无法想象，然而这所有的一切，大约在139亿年前还并不存在，根据现有的理论认为，我们的宇宙大约诞生于138亿年前，从一个无限致密高温的奇点中爆炸诞生，然后才有了时间，空间，物质。那么我们无法前往到宇宙的诞生之初，又是怎么知道宇宙是如何诞生的呢？

说到这里不得不提起一个著名的天文学家，那就是埃德温哈勃。哈勃‬是‬‬星系‬天文学‬之‬父‬‬，在1929年，他当时‬利用‬坐落于美国威尔逊山天文台的一台100英寸口径反射式望远镜，对大量‬遥远的星系光谱分析，发现了‬一个‬惊人‬的‬现象‬，那就是大部分‬星系都存在红移。

所谓红移现象就是电磁辐射由于其波长变长的现象。我们知道声音在传播过程中，如果声源向观察者移动，观察者会感知声音的频率变高，相反，如果声源远离观察者，观察者感知到的声音频率则变低。这就是声音的多普勒效应。其实多普勒效应不仅体现在声音上，它几乎适用于所有类型的波，而光其实也是一种波，它具有波粒二象性，因此光也有多普勒效应，不过光的多普勒效应是通过颜色来表现的。

比如‬一个‬天体‬在远离我们的时候，它的光波会随着远离而被拉长，光谱的颜色就会向红色端移动，靠近我们光波的波长就会缩短，光谱的颜色会向蓝色端移动。当时‬哈勃正是‬观测‬了‬大部分星系都‬向着‬红‬色‬端‬移动‬，由此‬哈勃‬得到一个‬‬惊人‬的‬结论‬，那就是‬遥远的天体都在离我们远去，并且‬还‬发现‬离我们越远的星系退行速度越快，至此哈勃告诉我们宇宙居然是动态的，一直在膨胀中。

宇宙膨胀的发现让我们意识到宇宙或许有一个开端，因为既然宇宙一直在膨胀，说明曾经的宇宙可能很小，假设我们将宇宙膨胀进行反向推导，也就是将时间倒流追溯到过去，那么宇宙或许就是从一个非常小的点开始，这个点便是奇点。

在2013年欧航局通过普朗克卫星绘制出了一幅精细的宇宙微波背景辐射全景图，宇宙微波背景辐射是宇宙诞生之后形成的第一缕光，在时间的推移中，如今第一缕光的波长已经被拉成微波，温度大约在3K左右。

当时普朗克卫星收集了超高细节的早期宇宙密度和温度细微波动，天文学家通过这些数据计算出，宇宙的膨胀速率大约为67千米每秒百万秒差距。

百万秒差距就是天文学上的一个长度单位，他比光年更大，一秒差距约为3.26光年，而百万秒差距则是326万光年，也就是说宇宙膨胀速率大约是每326万光年的距离，速度就会增加67千米。由于天文学家利用普朗克卫星测出的膨胀速率推导，我们宇宙的起始最早可以追随到138亿年前，所有的物质都浓缩于一个无限致密高温的奇点之中。

根据现代宇宙学模型认为，大约在138亿年前，这个无限致密高温的奇点以一种我们无法理解的形式爆炸，在一个普朗克时间内，也就是10的负43次秒后，宇宙诞开始‬膨胀，此时的四大基本作用力还统一在一起

在10的负35次方秒之后，引力分离，能量开始转化为粒子形成夸克。

10的负10次方秒后，质子、中子形成，电弱相互作用分离为电磁力与弱相互作用。

之后随着宇宙继续膨胀和温度下降，又形成了，光子、电子、中微子为主的粒子，在大爆炸的10秒后温度已下降到约30亿度，质子和中子也开始结合形成氢、氦核。

在大爆炸的38万年之后，温度下降到3000度，电磁力使得电子与原子核结合形成原子，此时宇宙不再是电子浓雾而是变得透明起来，光子终于可以在宇宙中穿行，这个最早的光就是大爆炸的余晖，宇宙微波背景辐射。

随着大量原子的形成，引力开始发挥作用，并将他们集聚成气体和星云，这时宇宙开始了真正意义上的演化！

当气体星云出现之后，首先第一批恒星随之诞生，宇宙到处‬都在被‬点燃‬‬。同时‬在‬引力的‬作用下‬，‬又将‬这些‬恒星‬聚集‬成‬团‬，星系也逐渐形成。

起初‬第一代恒星的质量都巨大无比，因为元素丰富，大部分恒星的质量甚至能够达到太阳质量的数百倍，不过它们的寿命却很短暂，我们知道当一颗恒星的质量越大，其内部核反应程度就越剧烈，这会导致它的燃料消耗极快，一旦燃料耗尽，核心便无法继续进行核聚变释放能量，最终打破恒星引力平衡，发生超新星爆发走向死亡，因此第一代恒星的寿命只有短短的百万年左右。

在超新星爆发过后，恒星外壳剩下未消耗的氢和核心所制造的重元素会随着剧烈爆炸而抛向太空，并形成了一个长达数光年的星云，。我们的太阳就是在这种第一代恒星死亡后的遗迹中诞生。

我们的太阳的诞生大约始于46亿年前，据天文学家推测，在上一代恒星的遗迹中，由于某天受到了临近超新星爆发的冲击扰动，使得遗迹云内部出现了一个高密度区域，于是大量星云开始向高密度区域坍缩！并且因为角动量守恒，星云在收缩的同时，不断的旋转不断，然后形成了一个盘形结构，这个盘形结构就是原行星盘，而在他的中心，物质也随着坍缩聚集成了一个高密度球体，这个过程大约持续近上千万年左右

在上千万年之后，高密度球体的温度和压力依旧在升高，终于有一天达到了1000万度以上，于是氢元素被点燃，核心发生了热核反应，太阳就这样诞生了。在原始太阳诞生之后，外围剩余的物质继续围绕太阳旋转，并在时间的长河中慢慢聚集，气体则形成了气态巨行星，重元素形成了岩石行星。我们的地球也是在此时诞生。

原本地球不过是一个微小的尘埃，但尘埃随着长时间的聚集，体积越来越大，最终形成了巨大的原始地球。起初我们的地球非常活跃，表面都是熔岩状态，没有任何生机，

大约在45亿年前，地球温度开始下降，表面冷却成固态，而之前陨石所携带的水资源和本身的水蒸气也凝聚成了小水珠，形成了雨，就这样地球上出现了海洋。海洋的出现可以说为后来的生命奠定了基础。

大约在38亿年前，地球的海底热泉口出现了水生命，这些是最早的原始单细胞生命，也是所有生命都祖先，在之后的日子他们不断演化从最初的单细胞形成了原核生命，大约在25亿年前地球发生了大氧化事件，蓝藻进化成为第一个进行光合作用的生物，他们能够利用光能将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气，可以说是太阳赋予了我们地球生命，如果没有太阳就没有后来生机盎然的世界。

我们的太阳是一颗中等质量的黄矮星，体积巨大无比，可以容纳下130万个地球，质量是整个太阳系质量的百分之99.68，相当于地球的33万倍，当走进他的表面你会发现表面温度高达5600摄氏度。

而在它的核心随时都在发生着氢到氦的核聚变反应，每秒约有6亿吨的氢经过聚变成5.96亿吨的氦。其中400万吨氢被转化成能量释放出来，而这些能量就是我们每天接受的光和热。

不过太阳所带来的光和热并不会一直持续下去，因为在燃料的消耗中，太阳的氢元素将会越来越少，根据其质量计算，太阳大约还能够燃烧50亿年，科学家推测大约在‬40亿年后，太阳会从主序星阶段进入到另一个阶段，这个阶段被称为红巨星阶段，在红巨星阶段太阳核心的氢元素几乎已经耗尽，剩下的只有氦元素。

而氦元素所需的聚变条件更高，到那时太阳无法再继续聚变能量维持平衡，于是这种平衡就会被打破，引力将占据上风，而内核为了抵抗自身的引力会向中心收缩。温度与压力急剧上升，在达到一亿度时，氦元素将触发新一轮的核聚变反应。也就是氦聚变成碳的过程，并且随着核心温度的升高，外围的氢元素将会向外膨胀，太阳的直径会增大到200以上倍，

而在此之前，地球便会被太阳的高温烘烤，液态水彻底蒸发，甚至地表都将融化形成熔岩状态，地球上的一切都将毁灭，假如此刻你能够置身地球表面，你会看到一个从未见过的巨大火球从东边升起，地球也不再是之前充满生机的的世界

不过红巨星阶段并不会持续太久。在10亿年后，随着氦元素的枯竭将不再发生聚变反应释放能量。届时太阳将走向终结，剩下的物质则抛散出去形成美丽的‬行星状星云，最终核心只留下一个密度极高的白矮星，这就是太阳的命运。

其实在我们的宇宙中有很多这样的死亡恒星，并且根据质量的不同其死亡方式也有所差异，如质量在太阳8倍以上-30倍以下的恒星，它的方式会在爆炸中死亡，这类恒星由于质量更大，他能使碳都会聚变下去，直到铁元素才会停止，然后发生超新星爆发，这类恒星在发生超新星爆发之后，核心的质量一般在1.4倍到3.2倍太阳质量。此时引力会继续坍缩。并挤压原子，将电子都压进原子核中，同质子结合成中子。也就形成了我们常说的中子星。

距离我们650光年外的参宿四就是这样一颗恒星。它‬位于‬猎户座‬内‬，是‬‬一颗‬红超巨星‬，‬质量至少‬是‬‬太阳‬的16倍以上，体积更是能够装下7亿个太阳。此时‬‬参‬宿‬四‬正在‬走向了生命末期阶段，天文学家‬预测‬，或许在100 000 年内便会发生超新星爆发，。那到时‬猎户座的左肩将会失去一颗散发着‬红色‬光芒‬的‬‬恒星‬，只留下一个致密的中子星。

中子星其实直径很小，只有数十公里，但每立方厘米的质量却能够达到1亿吨以上，而且他的引力也强大，光进入到他的范围后，都会以抛物线形式才能挣脱。，不过中子星还不是最可怕的，最可怕的是黑洞。

黑洞也是恒星死亡后形成的产物，当一颗大质量恒星走向终结。如果内核质量在太阳的3.2倍以上，，那么这个内核会继续坍缩，在强大的引力下中子都将碾成粉末，并聚集到一点，然后就会形成黑洞。

黑洞可以说是宇宙中引力最强的天体。它的引力强大到任何物质进入到它的引力范围后都会被吞噬，包括速度最快的光都无法逃脱，其逃逸速度超过了光速，这也是为何我们无法直接用肉眼看见黑洞的原因，所以我们只能通过一些其他方式发现黑洞的存在。

比如当黑洞在吞噬物质时，会在周围形成一个高速的吸积盘，此时就能发现它的存在，或者观察恒星的异常运动，因为黑洞的引力会影响恒星运动，假如我们看见一颗恒星在围绕一个看不见的引力源旋转，就能猜测这个看不见的引力源便是黑洞。

除了黑洞我们无法通过肉眼看外，其实还有一些东西我们无法看见，比如暗物质和暗能量，根据现代宇宙学模型表面，在我们的宇宙中事实上能看到的物质只占宇宙的微小部分，大约只有百分之4.9，剩下的则是百分之26.8的暗物质以及百分之68.3的暗能量

暗物质是一种完全不可见的物质，它不会吸收和反射光，所以我们无法感知暗物质，那么我们又是如何确定它存在的‬呢。

其实暗物质虽然‬无法看见，但它却能产生引力。众所周知，引力是四大基本力中最弱的一种力，他还是一种长程力可以作用于无限远。其引力的‬大小与质量乘积成正比，与距离的平方成反比，通过万有引力定律，我们可以知道天体的运动规律。比如一颗行星在围绕一颗恒星时，如果行星越靠近恒星公转速度就越快，越远公转速度越慢。这就是引力会因为距离的平方成反比。

而在上个世纪三十年代，天文学家们在研究银河系内恒星的运动速度时，便惊人发现银河系外侧的恒星运动速度却比理论预测的要快，也就是说根据现有理论认为，银河系中心的引力并不能束缚住外侧恒星。因此科学家就猜测银河系中可能有一种看不见的物质提供额外的引力。这个额外的引力就是暗物质所提供。因此我们也可以通过一些间接的方式发现它。这个方法则是引力透镜效应。

引力透镜效应是爱因斯坦在‬广义相对论中提到的一种现象，就是当一束来自遥远星系的光在经过大质量物质时会发生弯曲，进而形成一个或多个类似凸透镜的汇聚效应，这种就是引力透镜。

天文学家‬通过‬哈勃望远镜观测宇宙时，正是发现了很多星系甚至星系团都出现了扭曲，其环径能达到上百万光年，而这巨大的透镜不可能是可见物质所形成，由此间接证明了暗物质的存在。

除了暗物质无法被看见，还有就是暗能量。其实暗能量比暗物质更神秘，目前我们对它还一无所知，根据目前的观测证明，我们的宇宙其实正加速膨胀，那么是什么能量使得宇宙一直在加速膨胀呢？科学家猜测宇宙膨胀的元凶可能就是暗能量，暗能量是一种负压强能量，相当于引力的相反力，在宇宙中起到斥力作用。

如果说没有暗能量的存在，宇宙或许只会在引力的作用下收缩，所有星系将会越来越近，最终物质聚集到一点成为宇宙最初始的样子，因此宇宙必须暗能量来维持，否则一切都在不复存在。

不过暗能量使宇宙加速膨胀也并非是一件好事，有科学家提出过一个理论，如果宇宙一直膨胀下去，那么暗能量密度可能会随着‬空间而‬增大，也就是说星系将会离我们越来越远，最终恒星，行星甚至是原子都会在膨胀中被撕碎，这个理论就是宇宙的结局大撕裂。不过以上也仅仅是一种猜想，而宇宙到底有没有终结的一天，我们永远也不可能知晓。

其实关于宇宙，还有很多问题我们都无法知晓，最令人好奇的就是宇宙尺度有多大，根据目前人类对宇宙的认知，我们知道了地球是位于太阳系内侧的第三颗行星。靠近太阳的是水星和金星，而从地球外侧开始，依次是火星，木星，土星，天王星以及海王星，海王星距离地球最远，达到了45亿公里。这个距离即便是光速飞行一趟也需要4小时15分。继续向外是天体密集的中空圆盘状区域，其宽度约有30个天文单位，名为柯伊伯带。

离开柯伊伯带后是一个包围整个太阳系的球体云团，名为奥尔特云。这里是太阳系的边缘，距离太阳至少约一光年左右，然而就这一光年却是人类一生也无法跨越的鸿沟，目前人类飞行最远的人造探测器是旅行者一号，他以每秒17千米的速度在太阳系内飞行了长达40多年，也仅到达了230亿公里的位置，相当于20多个光时，而飞出奥尔特云范围至少需要上万年的时间。

此时我们觉得太阳系已经够大了，但在浩瀚的宇宙面前，太阳系其实也不过是银河系中的一颗尘埃。银河系是一个由恒星组成的巨大集团，恒星的数量至少在2000亿颗以上，其直径达到了16万光年左右，并且所有恒星都在围绕着银河系中心旋转，包括我们的太阳。

在我们看来银河系是如此的庞大，不过‬银河系其实‬也仅‬位于一个稍大的集体中，这个集体也就本星系群，本星系群中约有50个星系，直径达到了1000万光年左右，而‬在‬本星系群之上‬还有‬更大的结构，这个更大结构名为室女座超星系团。

室女座超星系团直径约为1.1亿光年的区域，其中约亿100个我们这样的本星系群。然而这并不是最大的，室女座超星系团上面还有拉尼亚凯亚超星系团以及双鱼-鲸鱼座超星系团复合体，然后到可观测的宇宙直径，可观测宇宙直径是我们所能观测的范围，但并不是宇宙的真实大小。由于在光速的限制下那里的光还至今还没有抵达地球，因此我们无法窥探930亿光年外的地方，这使得我们永远也无法知道宇宙的尺度有多大。