一文弄懂宇宙的歷史與結構（圖文並茂）！

我們瞭解宇宙本質的旅程始於數千年前，其根源在於宗教和哲學。大約2300年前，地中海地區的細心觀察者推斷，地球必須是圓的，必須圍繞太陽執行。

然而，由於這些早期的理論無法被證明是正確的，他們就無法反駁更令人高興的觀點，即地球是萬物的中心，宇宙的存在是為了支援人類的生命和命運。

大約1900年後，當義大利天文學家伽利略發明了天文望遠鏡時，人們終於可以對行星和恆星進行精確的觀測了。關於整個宇宙的結構和歷史的科學 ——被稱為“宇宙學”，出現了。

整個宇宙

我們目前對宇宙歷史的理解可以從上面看到，時間從左到右。我們認為，在大爆炸發生後，宇宙急劇擴大，這就是膨脹。

我們的地球是在宇宙92億年左右形成的。宇宙的膨脹今天仍在繼續，而且還在加速。在本文中，我們將從越來越大的尺度上觀察宇宙的結構，並瞭解一些我們理解宇宙的歷史。

地球是圓的

我們的第一站是我們稱之為家的星球。地球是球形，這一認識其實是相當古老的。

大約2500年前，希臘旅行者報告說，當一個人走到遙遠的北方或南方時，天空中可以看到不同的星座。敏銳的觀察者也會注意到，在月蝕期間，地球所投射的陰影有一個圓形的邊緣。幾個世紀後，學者埃拉托色尼通過記錄太陽在相距幾百英里的地方投射的陰影的長度的差異來估計地球的大小。

通過假設太陽離地球如此之遠，其光線是平行的，埃拉托色尼可以用簡單的幾何方法來計算地球的周長。儘管他的測量不是很準確，但與真實資料相差不超過幾個百分點。

地球是個行星

現在我們回到太陽系內部來觀察地球。早期關於太陽、地球和行星運動的觀點源自神學、占星術和哲學上的概念，即上帝必須如何命令世界。

波蘭天文學家尼古拉斯·哥白尼在15世紀中葉提出地球繞著太陽轉，而不是像基督教領袖所教導的那樣，太陽繞著地球轉，這引起了軒然大波。幾個世紀以來，行星被認為是可移動的，因為它們被嵌在巢狀的“水晶球體”中，圍繞著中心點旋轉。

然而，在16世紀，人們注意到彗星的運動方式會使它們撞穿那些水晶球。取代球體是“外壁”的概念，圓圈疊加在圓圈上，在數學上相互影響，產生觀測到的行星運動。

最後，在1609年，德國數學家約翰內斯·開普勒發表了他的行星運動理論，該理論認為，太陽系中的天體執行的軌道呈橢圓形而非圓形。

行星是世界

從人類史前的最早時代開始，整個宇宙被認為只包含肉眼可見的元素：地球、月球和太陽，以及被稱為“行星”的五個光點，還有一個遙遠的球體，在這個球體上嵌入了恆星和銀河系的發光帶。

占星術和後來的天文學理論被用來解釋這些天體的運動，但它們的真正性質只能猜測。1609年，義大利天文學家伽利略最終將一臺粗糙的望遠鏡對準天空，他發現這些行星是另一個世界。其中的幾個世界被發現有自己的衛星。

在望遠鏡的幫助下，先前未知的行星在我們的太陽系中被發現：1781年天王星和1846年海王星。有了望遠鏡，我們就可以研究更小的天體，如彗星和小行星，以及遙遠的天球上的恆星和星雲。

星星是太陽

17世紀，伽利略發明瞭望遠鏡，開普勒發現了運動定律，這促使人們認識到，恆星就像太陽，都遵循著同樣的物理定律。在19世紀，光譜學——研究物體發出的光的波長——使得研究恆星構成的氣體成為可能。

科學家們在19世紀還發現瞭如何測量到恆星的距離。當從不同的視角觀察一個物體時，這個物體就會相對於較遠的背景發生變化。這種變化被稱為“視差”。當地球圍繞太陽執行時，它為觀察恆星提供了一個不斷變化的有利位置。由於恆星比我們太陽系的天體遠得多，視差位移非常小，很難測量。

德國數學家、天文學家弗里德里希·貝塞爾是第一個成功測量了天鵝座61星視差的人，他估計這顆恆星離地球的距離為10.4光年。(後來的估計將這個距離調整為11.4光年。)

星系由暗物質約束在一起

我們的銀河系的佈局很難從我們的有利位置來確定，因為我們的太陽系是被嵌入到整個銀河系之中的。通過研究遙遠星系的形狀並仔細測量我們在我們自己的星系中看到的物體，我們推斷我們的星系是一個條狀螺旋星系。

一個由恆星(和一個巨大的黑洞)組成的中心棒狀核心被螺旋形的手臂包圍著，同樣由恆星、氣體和塵埃組成。我們太陽系位於主要的螺旋臂之間延伸的一個分支。天文學家對旋臂的確切結構仍有爭議，但最近的一項調查發現，我們的銀河系有兩個主要的旋臂，它們向外分出四個分支。

我們星系的旋臂被認為是一種密度波，它圍繞著扁平的圓盤運動。物質聚集在一起，恆星沿著手臂形成。星系中所有的東西都圍繞著它的中心執行，而這些旋臂不是固體結構。我們的太陽系在繞軌道執行時，不斷地進出旋臂。

在研究星系的旋轉時，我們注意到它們並不像我們預期的那樣旋轉，而是基於我們所能看到的物質的引力。瑞士天文學家弗裡茨·茲威基在1934年提出，一定存在大量的看不見的或“暗的”物質，這使得螺旋星系比它們表面看起來更大。

從那時起，天體物理學家就一直在尋找暗物質，經常推測它可能是由我們在地球上所知道的奇異粒子組成的。目前的估計顯示，我們的宇宙主要是由未知形式的暗物質和暗能量組成的，而我們熟悉的物質只是宇宙的一小部分。

星系由恆星構成

銀河系是橫跨天空的一條微弱的光帶，在歷史上一直為人所知。直到17世紀伽利略用望遠鏡研究銀河系時，才發現了它的真正性質，並確定這條帶子是由大量的恆星組成的。在天空中可以看到小而模糊的光點，這些被稱為星雲。

到18世紀，人們推測銀河系是一個由恆星組成的巨大系統，它們被重力束縛在一起，但星雲的性質仍然未知。它們可能是銀河系內部的小氣體雲，也可能是銀河系外部的氣體雲。無法證明銀河系是否構成了整個宇宙。

美國天文學家埃德溫·哈勃利用加州威爾遜山天文臺新近建造的100英寸望遠鏡，研究了一種名為造父變星的恆星。造父變星發出的光和暗的模式與它們固有的亮度有關，這使它們適合作為估算宇宙距離的準繩。在1925年的一篇論文中，哈勃得出結論，一些星雲位於銀河系之外，它們本身就是巨大的星系，揭示了一個比我們自己的星系大得多的宇宙。

龐大的組織

在19世紀下半葉，人們首先注意到，在處女座中有一大群星雲。後來人們發現，這些星雲是銀河系外的獨立星系。

一百年後，天文學家推測，這些星系的明顯排列可能預示著更高層次的宇宙結構，被稱為“總星系”或“超星系團”。1982年，天文學家R. 布蘭特·塔利發表了一篇關於超星系團成員星系距離的分析，表明它們確實是一個更大的組織的一部分。

距離的確定是注意到來自星系的光譜的紅移。

空間中最大的結構

我們所知道的最大的結構是銀河細絲——也稱為超星系團複合體——它們包圍著空間中的巨大空間。細絲中的星系被引力束縛在一起。

1989年，瑪格麗特·蓋勒和約翰·赫克拉發現了第一個結構，被稱為“長城”。更大的結構——”斯隆長城”，於2003年被J. Richard Gott III和Mario Jurić發現。

目前對宇宙大尺度結構的研究利用了紅移巡天（如斯隆數字天空調查）收集的資料。這些努力使用數碼相機感測器來拍攝天空的區域，捕捉數以百萬計的遙遠物體，以及在三維空間中繪製它們所需的資料。

我們能看到的最遠的地方

可觀測的宇宙是我們能探測到的一切。它是一個直徑930億光年的球體，以地球為中心。我們不能同時感知整個宇宙，因為光速與宇宙的巨大規模相比是緩慢的。

當我們眺望太空時，我們看到的是歷史上越來越早的物體。而且，由於宇宙的加速膨脹，遙遠的物體比我們想象的要遠得多。例如，儘管宇宙本身只有137億年，但據估計，可觀測宇宙的邊緣距離約為460億光年。

宇宙的真實範圍是未知的。它可能比可觀測的宇宙大得多——甚至可能是無限的。然而，來自最遙遠地區的光永遠無法到達我們，因為它必須穿越的空間擴張得太快。

我們目前對可觀測宇宙的描述很大程度上歸功於美國物理學家艾倫·古斯，他在20世紀80年代研究出了一個類似於我們自己的宇宙是如何從創造它的大爆炸事件中誕生的。

接下來，我們將把時鐘重置為0，看看宇宙是如何從開始到現在演變的。

大爆炸：13750000000年前

20世紀初，比利時天文學家和天主教牧師喬治·勒梅特計算出宇宙正在膨脹。從數學上講，宇宙膨脹是向後的，他認為宇宙中的一切都必須被壓縮成一個小而緻密的物體，他稱之為“原始原子”。

這個原子爆炸了，天文學家弗雷德·霍伊爾輕率地稱之為“大爆炸”。宇宙的膨脹解釋了為什麼來自遙遠物體的光會移向光譜的紅端，這種現象被稱為“紅移”。

就像多普勒效應導致移動的車輛發出聲音來改變音高一樣，紅移也會導致移動的恆星發出的光隨著空間的擴張而改變顏色。物體離地球越遠，干涉的空間就越大，物體的光線就會越向紅色移動。

美國天文學家埃德溫·哈勃後來通過觀察證明紅移確實與距離有關，這種關聯現在被稱為哈勃定律。

一秒鐘的最早部分

20世紀70年代的天文學家對早期宇宙的理解有困難。當他們用射電望遠鏡探測深度空間時，他們發現了微弱的微波背景輻射。

微波訊號密度的變化被解釋為宇宙早期物質密度的變化。令人驚訝的是，輻射的背景光在各個方向上都是均勻的。這似乎不合理，科學家們希望找到不同密度和溫度的空間區域，因為這些區域似乎相距太遠，無法共同進化。

美國物理學家艾倫·古斯在1980年提出了一個解釋。他的理論是，在大爆炸之後的一小段時間裡，宇宙經歷了極其迅速的膨脹。在一瞬間，它的體積增加了10^78倍(10後面跟78個0)。幾乎就在那一刻，宇宙稍稍降溫，被稱為“暴漲”的事件結束了。

暴漲模型解釋了為什麼宇宙在各個方向上都是一致的：在暴漲之前，宇宙中的一切都是一起進化的。它還有其他驚人的含義：我們所能看到的太空部分，一定只是一個我們無法直接探測到的浩瀚宇宙中的一小塊。

大爆炸後0.001秒至3分鐘

隨著暴漲，冷卻但仍然無法想象的熱宇宙經歷了相變。基本粒子是由一種叫做夸克-膠子等離子體的物質形成的。

大爆炸後的千分之一秒，大量的物質和反物質相互湮滅(留下今天宇宙中存在的物質)。在三分鐘內，宇宙的溫度下降到大約十億度，原子可以開始形成，從最簡單的元素開始：氫和氦。

早期宇宙的夸克-膠子等離子體仍然是理論性的，但也被認為是有可能的，這主要歸功於一種叫做量子色動力學的理論的加入。美國物理學家默裡·蓋爾曼是最早提出這一理論的人之一。

基本的核粒子——質子和中子——被認為是由更基本的叫做“夸克”的粒子組成的，這些粒子除了在非常高的溫度下執行外，從來沒有單獨存在過，就像大爆炸後的高溫一樣。物理學家正試圖在地球上重新創造等離子體，這被認為是組成早期宇宙的物質，他們使用粒子加速器以高能粉碎亞原子粒子。

大爆炸後3分鐘到379000年

在這一時期，早期的宇宙是炎熱和不透明的。從大爆炸後大約379000年開始，宇宙冷卻到足以讓光從物質中分離出來，自由地傳播。簡而言之，宇宙變得透明。這張照片顯示了UDFy-38135539星系，這是迄今為止發現的最古老和最早的星系之一，它出現在宇宙大爆炸後的大約4.8億年。

大爆炸後的1.5億到10億年

20世紀60年代，荷蘭天文學家馬騰·施密特發現了一些奇怪的深空天體，它們在射電波長上非常明亮，他稱之為“準恆星射電源”。

美國天體物理學家邱洪儀將這種現象命名為“類星體”。類星體是在20世紀50年代被一種叫做射電望遠鏡的大型地球天線接收到的。當施密特通過研究類星體光譜的紅移來測量類星體的距離時，他發現了驚人的發現。這些天體距離地球數十億光年，因此要想在地球上被探測到，它們必須非常明亮。

後來的研究表明，神祕的類星體是活躍的星系，它們在宇宙的早期形成。引力坍縮導致物質結合，最終形成質量相當於數十億個太陽的巨大黑洞。

一個黑洞位於類星體的中心，收集物質並將其加熱，使之成為高溫等離子體，該高溫等離子體可以被噴入接近光速的巨大射流中。這種光可以脫離物質而自由地傳播。簡而言之，宇宙變得透明。

這張照片顯示了UDFy-38135539星系的想象圖。

大爆炸後90億年

當宇宙只有3億歲大的時候，形成了最早的恆星。它們是短暫的、超大質量的，主要由氫和氦組成，不含金屬。

這些最初的恆星爆炸成超新星，並從早期太陽的殘骸中產生了一代又一代的恆星。對太陽光譜的分析表明，太陽含有豐富的金屬元素，因此只有經過幾代恆星才能被創造出來。

太陽的能量源是一個謎，直到德國物理學家阿爾伯特·愛因斯坦在1905年指出，物質可以轉化為能量，表達出來就是著名的公式E = mc²。1920年，英國天體物理學家阿瑟·愛丁頓爵士提出，太陽可能由一個核聚變反應堆提供動力，通過將氫轉化為氦來產生熱量和光能。

對來自太陽和其他恆星的光譜的研究證實了核聚變過程創造了構成我們世界的原子元素。

當今宇宙

科學家們對我們宇宙的起源、歷史和自然做出了令人印象深刻的描繪。然而，我們並不是什麼都知道。許多懸而未決的問題仍然存在於物理學和宇宙學領域，等待我們去解決。

∑編輯 | Gemini

來源 | 未來科技社

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