宇宙

宇宙（宇宙/Universe/Cosmos）

解說

• 定義上來說，宇宙指的是時間與空間還有其包含的所有物體的統一體。
  • 本條目所介紹的宇宙構成基本上以當今天文學討論的各式構成天體為主。
• 中文「宇宙」一詞的使用最早可追溯至《莊子·齊物論》的「旁日月，挾宇宙」。
  • 至於最早提及定義則是戰國時代的尸佼所著之書〈尸子〉中「四方上下曰宇，往古來今曰宙」。
    • 「宇」指的是上下四方（天地東南西北），亦即「空間」。
    • 「宙」指的是往來古今，亦即「時間」。
• 由於人類所知的宇宙也差不多等於人類已知的世界範圍，因此很多時候宇宙與世界經常會被混為一談。
  • 甚至極端點來說，英文的Universe原意就是「世界的一切事物」。
  • 但一般來說宇宙通常是物理上的範圍，世界則偏向是哲學或心理上的範圍。
• 另外Cosmos指的是宇宙本身的「秩序狀態」，與渾沌的Chaos互為相對。

宇宙誕生與大霹靂

• 目前最能解說人類所在的這個宇宙的誕生理論，是基於1922年蘇聯科學家亞歷山大·弗里德曼提出的方程式上的「大霹靂（Big Bang）理論」，主張宇宙誕生自一個密度與溫度都無限高的奇異點狀態。
  • 在這個狀態中就連已經堪稱是解釋現代物理基礎的廣義相對論都無法適用，空間因為極度緊縮所以可視為完全不存在，時間也一樣可以當作不存在。
  • 不過這個名字卻不是弗里德曼與他的後繼者們命名，而是當時與之相對但現已被否定的「穩態理論」提倡者弗雷德·霍伊爾在1949年的廣播節目中用「一個大霹靂的觀點」來嘲弄之，但也因為真的太霹靂後來被廣泛取用，於是就這樣定名了。
  • 大霹靂的範圍每個學者的定義都不一樣，有的情況是指暴脹之後到氦開始被融合這一大段時間，但有的則是單純指暴脹這件事而已。
• 在大霹靂開始之後不過短短甚至一秒都不到的時間內，所有物理定律開始成形，構成萬物的基本粒子也隨之出現，可說大概在那短短一秒不到的變化就決定了整個宇宙的未來。
  • 如果粒子產生數量少於反粒子，則構成世界的粒子就會變成反粒子，我們所熟知的物理定律的電荷會整個相反過來。
• 在暴脹結束後，藉由持續約17分鐘的高溫，最初構成的質子（氫）和中子開始進行核融合，構成了氫的同位素與氦，之後經過了漫長的數十萬年，最初的恆星才終於伴隨宇宙放晴而逐漸聚合誕生。
• 根據研究觀測結果，目前宇宙大約誕生於137億年前。
  • 不過可以觀測的宇宙則是一個直徑長達930億光年的巨大球體。
• 注意！大霹靂並不是一個確切的理論，只是在這個理論下能解釋了絕大多數的天文物理現象，所以被最多人採用，但仍有無法解釋的地方，因此還有其他不同的宇宙誕生理論的存在。

宇宙天體

行星與衛星

• 星際物質藉由重力聚合形成的天體，大多都是產生在恆星的附近。
• 有的行星因為母星消滅、繞行過程中因大行星重力影響等因素而被拋出母星系的星體則稱作流浪行星。
  • 流浪行星雖然沒有母恆星的熱量，但根據一些研究顯示，流浪行星可能會因為各種反應而得到足以培育出生命的環境。
    • 例如內部地質反應或者是透過與衛星的潮汐作用等方式得到熱量。
    • 也可能因為沒有恆星風影響，其上的氣體動能偏弱而可維持大氣層。
    • 不過不管是哪種狀況，流浪行星上就算有生物也應該會以微生命為主，因為嚴苛的環境實在難以產生高等生命。

恆星

• 星際物質藉由重力不斷向內聚合，中心的壓力、溫度不斷升高，直到足以引發氫核融合反應，此時核融合產生的能量向外與向內的重力作用抗衡，形成平衡穩定的球形星體，此時主要成分為電漿態的氫與極少量的氦。
  • 核融合反應條件跟質量與溫度有關，質量大者會產生極強力的重力壓降低反應所需的臨界溫度，例如太陽的中心反應臨界溫度只需數百萬度，但是在地球上想產生同樣的反應卻需要近億的溫度。
  • 有的星體因為質量實在很小，做不到恆星級的氫融合反應但可以產生氘或鋰融合反應，這種星體就會被叫做棕矮星。
  • 棕矮星基本上大致是質量有13~65倍木星的程度，不過這不是絕對的。
• 可說是構成宇宙的最基本天體，以下的天體大多是恆星系的聚集或者是恆星自身的變化型。
• 太陽便是其中一顆恆星。
• 內部基本上便是不斷產生核融合反應，先是以基本的氫透過融合反應轉換氦，直到核心部分的氫幾乎消耗殆盡後會再度重力塌縮將氦融合轉換成碳，最後一路融合到鐵便無法繼續融合下去。
  • 融合反應只能進行到鐵，再往上融合不只無法放出能量還要吸收能量，這跟原子核的穩定度有關。
    • 因此星際間的物質主要都是鐵以下的元素，超過鐵的元素主要的來源都是源自於超新星爆炸時，利用爆炸能量融合而成的。
  • 依照本身質量的不同命運也不一樣，有可能氫消耗殆盡便無法繼續核融合，有的可能融合到鐵之前就停滯不前化為死星，但質量更大的會繼續重力塌縮。
    • 恆星在主反應物質消耗完後，則會因重力與融合反應的熱膨脹平衡改變而變成巨星，等到次反應物質都燃燒的差不多後則會根據質量的不同引發不同的臨界反應。
    • 質量較低的恆星則是慢慢退化為矮星，質量到達某個程度以上的則會引發新星爆炸。
    • 新星爆炸的結果一樣根據質量不同，質量較小的會炸得一乾二淨連核心都不留，勉強保留住核的會變成白矮星，質量較大的則會形成中子星，巨大質量的更是進一步形成黑洞。

中子星

• 質量在太陽4~8倍的恆星超新星爆炸後產生的天體。
• 因質量是恆星級但體積卻跟行星差不多，以至於組成物質因強大的重力而失去原子結構，電子與質子被強迫進行反Beta衰變反應形成中子，使得星體上只剩中子的存在。
• 本身無法發出大量的可見光譜，取代而之的是發出X射線、Gama射線及伴隨其強大的重力跟自轉速度造成的大量無線電波，同時也會讓周遭的星際物質造成許多反應，因此可透過這些現象進行觀測。

黑洞

• 質量超過太陽8倍以上的恆星在爆炸後留下的殘留天體。
• 因重力塌陷造成一個體積無限小，密度無限大的特異點，以至於物質的存在狀態被破壞，也因為重力非常的大，使得周遭的電磁波與物質都會被捕抓無法逃脫，在觀測上就像是一個看不見的洞。
• 逃脫速度大於光速的範圍稱作事件視界（event horizon），其內部的一切皆不可觀測，數學上中心有一奇異點，即一切物理定律皆不適用之一維點。

超新星爆炸

• 超新星是一顆爆炸的恆星，而且它的光度會短暫的超越整個星系，輻射出的能量如同太陽或普通恆星一生所輻射的總量。
• 由於通常超新星是一下子從很暗的星暴增光度到白日也可見到，然後就慢慢變暗，因此中國對這等同於天有異相的狀況都會有記載，而且記載的比其他國家要來的詳細。
  • 因為不是恆常出現，彷彿是作客般出現了又消失，所以在古代文獻記載會記載為「客星」。
  • 最早被記載的超新星爆炸為SN185，距離地球大約8200光年。
  • 西元1054年宋朝天文學家觀測到的「天關客星」是人類有史以來，第一個在事後透過文獻證明發生過的超新星爆炸，因此又有人稱呼此超新星為「中國超新星」。
    • 天關是金牛座ζ星的中文名稱，該星體的殘骸現在是梅西爾天體第一號（M1）「蟹狀星雲（Crab Nebula）」。
  • 西元1987年發現的SN1987A是人類天文觀測史上第一次動用所有近代天文觀測器材從爆炸開始就做詳細研究的近距離超新星，母星為藍超巨星Sanduleak -69° 202a。
    • 雖說近距離但實際上該超新星距離地球有168000光年，位於大麥哲倫銀河內。
    • 同時這也是世界各地的微中子偵測器第一次發現的超新星爆炸微中子事件。

關於宇宙的其他名詞

伽瑪射線暴

• 伽瑪射線暴（Gamma Ray Burst，縮寫GRB）是天文觀測中的重要現象，也是觀測緻密型天體的重要手段。
• 成因不明，但是總是伴隨著質量極大的緻密型天體活動所發現，會短時間內的產生極大量伽瑪射線，其能量往往是數百個太陽一生的總和能量。
• 有分為長暴（持續時間數秒到數十秒）跟短暴（持續時間數1秒以內），前者在巨大質量恆星的超新星爆發變成中子星或黑洞的過程中可觀測的到，後者目前主要是從中子星或是黑洞的合併過程中觀測。

基本交互作用力

• 目前學界公認的基本交互作用力有以下四種，重力的基本強度較低但是隨著距離遞減的效應較小，其他三種作用力基本強度較高但是隨著距離遞減的效應非常顯著，特別是強力與弱力更是只有在原子尺度才會發揮力量，且影響力遠超出電磁與重力的相吸或是互斥力。
  • 每一種基本交互作用力都在數學上體現為一種對稱性。
  • 也因為如此，平時人類活動環境主要是考量到電磁力對於人的影響（電磁波強度、背景輻射），因為在這尺度下電磁力的變化影響最大。
  • 計算星際間的天體運動主要是計算重力的影響，尺度縮小到恆星系時在部分特殊狀況下才會考慮到恆星的電磁場問題。

• 電磁力/電磁交互作用
  • 基本粒子：帶電輕子、夸克
  • 對稱元素：電荷
  • 作用力傳遞粒子：光子
  • 可說是最普遍容易見到的一種作用力，日常你我看到除了重力與引力以外的作用力在拉到微觀尺度的狀況下都可以被歸類到電磁力內。
    • 任何物質都是由原子組成，當物質與物質碰觸產生作用力與反作用力的時候，拉到微觀尺度就會發現其實這是電子與電子之間因為電荷互斥而產生的。
• 強力/強交互作用
  • 基本粒子：夸克
    • 強力的夸克禁閉性質使得夸克無法單獨存在，一般能夠觀測的都是夸克在強交互作用下互相結合成的強子。
    • 雖然日常生活與國高中物理只會提到質子與中子，但實際上夸克標準模型中總共有六種，所以強子的類型並不只有上夸克與下夸克構成的質子與中子。
  • 對稱元素：色荷
  • 作用力傳遞粒子：膠子
  • 又稱作核力，是維持原子核與內部質子、中子構成的力量，其會在夸克之間傳遞並形成夸克禁閉將夸克維持成強子。
  • 即使距離非常短（倒數第二短，僅比弱力遠一點點），但其在微觀尺度下為最強的交互作用力。
• 弱力/弱交互作用
  • 基本粒子：基本費米子
  • 對稱元素（電弱交互作用、破缺前）：弱同位旋、弱超荷
  • 作用力傳遞粒子：W及Z玻色子
    • 弱力和另外三個力十分不同的是傳遞交互作用的粒子是兩種，一種是W玻色子，一種是Z玻色子，差別在於W玻色子有W+與W-電荷剛好相反的兩種，Z玻色子則是電中性不帶電荷。
    • 兩種粒子質量都很大，甚至比鐵原子還重，因此也導致弱力是四種基本作用力中作用距離最短的一個。
  • 是牽動強子衰變的重要作用力。
  • 弱力的對稱性很低：強力和電磁力都滿足正反粒子對稱和空間反演對稱，但弱力不滿足這兩種對稱，僅基本滿足正反粒子——空間反演複合對稱。
    • 實際上，只有左手徵基本費米子和右手徵基本反費米子與W^±作用；右手徵基本費米子和左手徵基本反費米子沒有弱同位旋（僅有弱超荷），不與W^±作用；Z玻色子與左右手徵基本費米子則有不同的作用方式。
  • 電磁力和弱力本是一個對稱性更高的電弱交互作用的組成部分，但由於與下文的希格斯玻色子相互作用而破缺，弱力是破缺後的場的非規範對稱部分，剩下的規範對稱部分就是電磁力。
    • 破缺後弱超荷不再單獨守恆，而是和弱同位旋組合成新的守恆量——電荷；左右手徵基本費米子也混合在一起，並通過希格斯玻色子互相轉化，成為一般觀測到的、沒有特定手徵性卻有質量的基本費米子。
• 重力/萬有引力
  • 基本粒子：可能是希格斯玻色子
  • 作用力傳遞粒子：重力子（目前為假說階段的粒子）
    • 由於量子力學對於其他基本作用力皆能清楚解釋，故量子力學提出以希格斯玻色子為基礎的假設性粒子來進行研究重力理論。
  • 因為重力的特殊性，目前不管是廣義相對論中提出的空間扭曲說、超弦理論提出的空間維度說、量子力學提出的重力子說、以及其他的各式理論皆無法完整的說明重力成因，因此目前期待更新的觀察發現來完善各式理論

希格斯玻色子

• 擁有「上帝的終極粒子」稱號的特異玻色子。
• 根據提倡此說的希格斯之理論，這種玻色子組成希格斯標量場，原先沒有質量的電弱交互作用傳遞粒子和基本費米子一旦接觸到希格斯玻色子組成的希格斯場就無法以光速前進，在速度變慢的情況下質量因而產生。
  • 希格斯場表現爲與K介子對稱性類似的四種粒子（兩種「帶電」，互爲反粒子；兩種中性，重組爲與自身相反的兩種性質不同的粒子），但兩種帶電的和一種中性的「希格斯場粒子」與W和Z玻色子組合成爲其縱向分量，剩下的一種中性「希格斯場粒子」表現爲可被觀測到的希格斯玻色子。
  • 但電弱交互作用傳遞粒子正好可以變換出不會跟希格斯場產生作用的光子，因此仍能以光速前進而不帶質量。
  • 可以當成是產生速度的能量被轉換成了質量。
• 現在沒有自然存在於宇宙的現象，就算強行用LHC之類的對撞機製造出來，也會在製造出來的瞬間自動衰變成各式基本粒子。
  • 而在2012年經過多次的撞擊實驗後，2013年LHC工作人員們正式宣布他們找到了希格斯玻色子。

超弦理論

• 將宇宙萬物根基於「能量弦」的弦理論的一種。
  • 弦理論簡單來說是認為宇宙所有的基本粒子都是「能量弦」的不同振幅而呈現出的樣貌。
• 認為宇宙不僅四維（空間的三維加上時間的一維），而是起碼有11維的世界。
  • 平常因為維度整併收斂的關係我們只看的到四維。

創作上有利用宇宙的作品

以下部分歡迎各位補完。基本上科幻作品絕大部分都有運用到宇宙要素，所以若不是特別值得提筆一書的就請各位編者稍微斟酌一下，已有者便請不要重複登錄，以最先登場的媒體為準。

作品	原文	解說	備註
奔向地球	地球へ…	後期繆主角方長期在宇宙對抗阻礙他們前往地球兼千方百計要把他們滅絕的人類主角方。
天元突破 紅蓮螺巖	天元突破グレンラガン	最終決戰的場所是意念實體化的多元宇宙中	其實最終決戰中有不少關於超弦理論、多元宇宙與平行世界的描述與設定，但因為實在太複雜了所以李隆的說明全被書讀不多的主角群無視。
假面騎士Fourze	仮面ライダーフォーゼ	敵我雙方都是用由宇宙的能量製成的開關來戰鬥，主角群的基地也是在月球。	東映宇宙星座組之一
宇宙戰隊九連者	宇宙戦隊キュウレンジャー	超級戰隊系列歷代第五部以宇宙為題的作品，同時是歷代首部以星座為題的作品。	東映宇宙星座組之二
星光閃耀☆光之美少女	スター☆トゥインクルプリキュア	以宇宙冒險、到達異星球尋找公主星彩筆為題。	東映宇宙星座組之三
超人力霸王系列	ウルトラシリーズ	超人們本就是宇宙警備隊的隊員，應付來自宇宙怪獸與外星人的威脅，而他們的故鄉來自遙遠的m78星雲。	雖說是宇宙警備隊，但實際演出來的舞台大概十之八九是在地球上，這樣很容易讓人認為超人們十分灌注地球上的人類而不是其他宇宙眾生，可見日本人普遍不習慣這種充滿外星生物的SF作品

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