宇宙
宇宙 年齡 137.87 ± 0.020億年[ 2] 直徑 未知[ 3] 可觀測宇宙 ：7026880000000000000♠ 8.8× 1026 米9 秒差距（93 × 109 光年）[ 4] 質量（普通物質） 至少7053100000000000000♠ 1053 kg[ 5] 平均密度（包含能量） 6973990000000000000♠ 9.9× 10−27 kg/m3 [ 6] 平均溫度 7000272548000000000♠ 2.72548 K 7000275000000000000♠ −270.4 °C 7000270555555555552♠ −454.8 °F [ 7] 主要成分 普通（重子）物質 （4.9%）暗物質 （26.8%）暗能量 （68.3%）[ 8] 形狀 扁平狀 ，誤差範圍只有0.4%[ 9]
宇宙 （英語：universe ，拉丁語 ：universum ）包括所有的空間 、時間 [ a] [ 10] 存在 的事物、所有基本相互作用 、物理變化 和物理常數 ，因此也包括所有形式的物質 和能量 及其所形成的結構，其範圍小到次原子粒子 ，大到整個星系絲狀結構 。根據當前主流的宇宙學 理論——大爆炸 理論，空間和時間在大約7002137870000000000♠ 137.87± 0.020 億年[ 11] 宇宙就開始不斷膨脹 。今天，宇宙已經膨脹到只有部分範圍可被人類觀測，即所謂的可觀測宇宙 ，其直徑大約為930億光年 ，而整個宇宙的空間大小（如果有的話）仍然未知[ 3]
最早的一些宇宙學模型 由古希臘 和印度 的哲學家提出，這些模型屬於地心說 ，也就是認為地球位於宇宙的中心[ 12] [ 13] 尼古拉·哥白尼 提出了以太陽為太陽系中心的日心模型 。艾薩克·牛頓 在發展萬有引力定律 時，借鑒了哥白尼的工作、約翰內斯·開普勒 的行星運動定律 以及第谷·布拉赫 的觀測成果。
隨著觀測技術的進一步發展，人們逐漸認識到，太陽是銀河系 中數千億顆恆星之一，而銀河系又是可觀測宇宙中數千億個星系之一。許多星系中的恆星擁有行星 。在最大尺度上 ，星系在各個方向上均勻分佈，這意味著宇宙既沒有邊緣也沒有中心。在較小尺度上，星系以星系團 和超星系團 的形式分佈，這些結構在空間中形成巨大的絲狀結構 和空洞 ，構成了類似泡沫的巨大結構[ 14] [ 15]
根據大爆炸理論，隨著宇宙的膨脹，最初的能量和物質變得越來越稀疏。在大約10−32 秒時發生了一次稱為暴脹時期 的初始加速膨脹，隨後四種已知的基本力 分離開來，宇宙逐漸冷卻並繼續膨脹，使得最早的次原子粒子 和簡單原子 得以形成。巨大的氫 雲和氦 雲逐漸被吸引到物質最密集 的地方，形成了第一批星系、恆星以及今天所見到的一切。
透過研究引力對物質和光的影響，人們發現宇宙中包含的物質 遠遠超過可見物體（如恆星、星系、星雲和星際氣體）所能解釋的數量。這種看不見的物質被稱為暗物質 [ 16] 間接證據 證明其存在，但尚未能直接探測到它），它與宇宙的其他部分一同誕生，並逐漸聚集成絲狀結構和空洞的泡沫 狀結構，從而促成其他形式的物質聚集成可見的結構。ΛCDM模型 是當前最廣泛接受的宇宙模型。該模型表明，宇宙中大約6999692000000000000♠ 69.2%± 1.2%暗能量 ，這種能量導致了宇宙膨脹 的加速 ，而大約6999258000000000000♠ 25.8%± 1.1%[ 17] 重子 」）物質僅佔宇宙的6998484000000000000♠ 4.84%± 0.1%[ 17] [ 18]
關於宇宙的終極命運 ，以及在大爆炸之前是否存在什麼，有許多競爭性的假說。與此同時，其他物理學家和哲學家則拒絕進行推測，因為他們懷疑是否有可能獲得關於先前狀態的資訊。一些物理學家提出了各種多元宇宙 假說，認為我們的宇宙可能只是眾多宇宙中的一個[ 3] [ 19] [ 20]
物理學的宇宙被定義為所有的時間 與空間 [ a] 時空 ）[ 10] 電磁輻射 及物質 等所有能量的各種形態，進而組成行星、衛星 、恆星、星系及星系際空間 [ 21] [ 22] [ 23] 物理定律 ，包含守恆定律 、古典力學 及相對論 [ 24]
宇宙通常被定義為「存在的總和」，或是過去、現在及未來所有存在的萬物 [ 24] [ 26] [ 27] [ 28] [ 29] [ 30]
「宇」，「宙」分別指屋檐和船檐[ 31] 尸佼 的著作《尸子 》〈卷下〉篇：「上下四方曰宇，往古来今曰宙[ 32] [ 33] 莊子 》〈齊物論〉：“旁日月，挟宇宙[ 34] [ 33] 太空
宇宙的英語「universe 」起源於古法語 的「univers 」，而該詞又源自於拉丁語的「universum 」[ 35] 大學 （university）也有相同詞根。
西塞羅 與後來的拉丁語作者曾使用過「universum 」這個詞彙，與現代英語所使用的「universe 」意義相同[ 36]
畢達哥拉斯 以降的古希臘哲學家，將宇宙稱做「τὸ πᾶν 」（即Pan-，泛，一切），定義為一切的物質與空間，而「τὸ ὅλον 」（一切事物）則不包含空無狀態[ 37] [ 38] ὁ κόσμος 」（英語：cosmos ，意義為世界 、宇宙 ），宇宙學 使用此詞根[ 39] totum 」、「mundus 」、「natura 」等詞稱呼宇宙[ 40] Das All 」、「Weltall 」與「Natur 」稱呼宇宙。英語中也能找到宇宙的同義詞，如「everything 」（如萬有理論 ）、「world 」（如多世界詮釋 ）與「nature 」（如自然法 或自然哲學 ）[ 41]
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目前主流的宇宙演化模型是大爆炸理論[ 42] [ 43] 廣義相對論 的基礎上，並採用了空間均勻性 各向同性 等簡化假設。帶有宇宙學常數 （Λ）和冷暗物質 的版本，稱為ΛCDM模型 ，是目前最簡單且能合理解釋各種宇宙觀測現象的模型。
在這個示意圖中，時間從左向右流動，宇宙在每一個時間點上都被表示為一個盤狀的「切片」。圖中的時間和大小並非按比例繪製。為了展示宇宙的早期階段，通向餘暉階段的時間（實際上僅佔0.003%）被拉伸，而隨後的膨脹（實際上擴大了1,100倍至今）則被大幅縮減。 最初的高溫致密狀態被稱為普朗克時期 ，這是從時間零點延續到一個普朗克時間 單位（約10−43 秒）的一個極短暫階段。在普朗克時期，所有物質和能量都集中在一個高度致密的狀態中，而當今四種已知基本力 中最弱的重力 ，被認為在當時與其他基本力一樣強，甚至可能所有基本力都是統一 的。由於我們尚未理解這一段極早期階段的物理學（包括普朗克時期的量子引力 ），因此無法確定時間零點之前是否發生過任何事件。自普朗克時期以來，宇宙已經膨脹 到目前的規模，並且據推測，在最初的10−32 秒內發生了一個極短暫但極其劇烈的宇宙膨脹期 [ 44] 平坦
在宇宙誕生後的最初幾分之一秒內，四種基本力已經分離。隨著宇宙從極度高溫的狀態逐漸冷卻，各種次原子粒子 在短暫的時期內開始形成，這些時期被稱為夸克時期 、強子時期 和輕子時期 。這些時期總共加起來不到大爆炸後的10秒。這些基本粒子 逐漸穩定結合成更大的組合體，包括穩定的質子 和中子 ，之後這些粒子經由核融合 形成了更複雜的原子核 [ 45] [ 46]
這一過程稱為太初核合成 ，持續了約17分鐘，並在大爆炸後約20分鐘結束，因此只有最快速且最簡單的反應得以發生。大約25%的質子 和所有中子 （以質量計）在這段時間內被轉化為氦 ，並生成少量的氘 （氫 的一種形式 ）和微量的鋰 。其他元素 則僅形成極微量。剩下的75%質子未參與反應，繼續作為氫 原子核存在[ 45] [ 46] :27–42 。
在核合成結束後，宇宙進入了一個被稱為光子時期 的階段。在這段時間內，宇宙的溫度仍然過高，無法形成中性原子 ，因此宇宙充滿了高溫、致密且霧狀的等離子體 ，由帶負電的電子 、中性中微子 和帶正電的原子核組成。大約在37.7萬年後，宇宙的溫度逐漸降低，電子和原子核開始結合形成第一批穩定的原子 。這一過程歷史上稱為「復合 」，但實際上是電子與原子核的首次結合。與等離子體不同的是，中性原子對許多波長 的光線是透明的 ，因此宇宙也首次變得透明。這些在原子形成時釋放（「退耦 」）的光子至今仍然可見，構成了我們今天觀測到的宇宙微波背景輻射 [ 46] :15–27 。
隨著宇宙膨脹，電磁輻射 的能量密度 下降得比物質更快，因為光子的能量隨著宇宙紅移 逐漸減少。大約在宇宙誕生後47,000年，物質的能量密度 超過了光子和中微子 的能量密度，開始主導宇宙的大尺度行為。這一變化標誌著輻射主導時代 的結束，以及物質主導時代 的開始[ 47] :390 。
在宇宙的最初階段，微小的密度波動導致暗物質 逐漸集中形成區域 。普通物質受到引力 的吸引，聚集到這些暗物質最密集的地方，形成了大型氣體雲，最終在這些區域誕生了恆星和星系，而在暗物質稀疏的地方則形成了宇宙的空洞 。大約在宇宙誕生後的1到3億年間[ 47] :333 ，第一批恆星 誕生，稱為第三星族星 。這些恆星可能非常巨大、明亮、缺乏金屬元素 且壽命短暫。它們在大約2到5億年到10億年間，逐漸使宇宙再電離 ，並通過恆星核合成 為宇宙帶來了比氦更重的元素[ 48]
宇宙中還存在一種神秘的能量，可能是一個純量場 ，被稱為暗能量 ，其密度隨時間保持不變。大約在宇宙誕生後98億年，宇宙的膨脹使得物質密度降到低於暗能量密度，這標誌著當前暗能量主導時代 的開始[ 49] 宇宙的膨脹速度正在加快 [ 17]
在四種基本相互作用 力中，引力 在天文尺度上是最主要的力量。引力的效應具有累積性；相比之下，正負電荷的效應傾向於相互抵消，這使得電磁力在天文尺度上，相對來說不那麼重要。剩下的兩種相互作用力，弱核力 和強核力 ，隨著距離的增加迅速衰減，其效應主要限於亞原子尺度[ 50] :1470 。
宇宙中似乎擁有遠多於反物質 的物質 ，這種不對稱現象可能與CP破壞 有關[ 51] 大爆炸 中物質與反物質的產生是對等的，它們會完全湮滅彼此，最終只留下光子 作為相互作用的結果[ 52] 高斯定律 以及應力-能量-動量贗張量 [ 53]
從地球發送的電視 訊號永遠無法到達這張可觀測宇宙對數圖的邊緣。 根據廣義相對論，由於光速 的限制以及宇宙不斷膨脹 的原因，即使在宇宙的壽命內，某些遙遠的空間 區域可能永遠無法與我們互相影響。舉例來說，即便宇宙可以無限存在，從地球 發出的無線電訊號也可能無法抵達某些區域，因為空間膨脹的速度可能超過了光的傳播速度[ 54]
透過望遠鏡能夠觀測到的空間區域被稱為可觀測宇宙 ，這個範圍取決於觀測者所在的位置。從地球到可觀測宇宙邊緣的「適當距離 」——也就是在特定時間（例如現在）測量的距離——約為460億光年（140億秒差距 ）[ 55] [ 55] 宇宙的年齡 乘以光速的結果，即13.8 × 109 光年（4.2 × 109 秒差距），但這並不代表在任何特定時間的實際距離，因為自從光從宇宙邊緣發出後，這個邊緣與地球之間的距離已進一步擴大[ 56]
作為比較，一個典型星系 的直徑大約是30,000光年（9,198秒差距 ），而兩個相鄰星系之間的距離通常約為300萬光年（919.8千秒差距）。例如，銀河系 的直徑大約在100,000到180,000光年之間[ 58] [ 59] 仙女座星系 ——距離銀河系約250萬光年[ 60]
由於人類無法觀測到可觀測宇宙邊界之外的空間，因此我們無法確定整個宇宙的大小屬於有限還是無限[ 3] [ 61] [ 62] 哈伯體積 的250倍[ 63] [ 64]
10
10
10
122
{\displaystyle 10^{10^{10^{122}}}}
哈圖-霍金量子態 [ 65] [ b]
假設ΛCDM模型 正確，根據多項實驗使用各種技術測量所得的參數，宇宙年齡的最佳估計值為137.99 ± 0.021億年（截至2015年）[ 2]
天文學家在銀河系 中發現了一些幾乎有136億年歷史的恆星。 隨著時間的推移，宇宙及其內部結構不斷演化。例如，類星體 和星系的相對數量發生了變化[ 66] 不斷膨脹 。我們從遙遠星系的光被紅移的觀測中推斷出這種膨脹，這表明這些星系正在遠離我們。對Ia超新星 的分析顯示，宇宙的膨脹速度正在加快 [ 67] [ 68]
宇宙中的物質越多，物質之間的引力 就越強。如果宇宙過於致密，將會重新塌縮成重力奇點 。然而，如果宇宙中的物質過少，自身的引力將不足以形成星系或行星等天文結構。自大爆炸以來，宇宙一直在不斷 膨脹。或許不足為奇的是 ，我們的宇宙恰好具有適當的質量–能量密度 ，大約相當於每立方公尺5個質子，這使得宇宙能夠在過去的138億年間膨脹，並有時間形成我們今天所觀測到的宇宙[ 69] [ 70]
在宇宙中有一股動力作用於粒子，影響著宇宙的膨脹速度。1998年之前，科學家們普遍認為，由於宇宙中的引力相互作用，膨脹速度隨著時間的推移會逐漸減慢；因此，宇宙中有一個可觀測的量稱為減速參數 宇宙標度因子
a
¨
{\displaystyle {\ddot {a}}}
[ 71] [ 72]
現代物理學認為事件 在時空 中組織[ 73] 狹義相對論 ，該理論預測，如果一位觀察者看到兩個事件在不同地點同時發生，那麼另一位相對於第一位觀察者運動的觀察者將看到這些事件在不同時間發生[ 74] :45–52 。兩位觀察者對事件之間的時間
T
{\displaystyle T}
D
{\displaystyle D}
光速
c
{\displaystyle c}
c
2
T
2
−
D
2
{\displaystyle c^{2}T^{2}-D^{2}}
[ 74] :80 。這個量的絕對值 平方根稱為兩個事件之間的間隔。這個間隔表示事件之間在時空中的分隔程度，而不僅僅是空間或時間中的分隔[ 74] :84,136 [ 75]
狹義相對論無法解釋引力 。其後繼理論廣義相對論 認識到時空並非固定不變而是動態的，並以此來解釋引力。在廣義相對論中，引力被重新定義為時空 的曲率。像軌道這樣的曲線運動並不是某種力將物體從直線路徑上偏轉的結果，而是物體試圖在一個因其他質量存在而彎曲的背景中自由運動。物理學家約翰·惠勒 的一句名言生動地概括了這一理論：「時空告訴物質如何運動；物質告訴時空如何彎曲[ 76] [ 77] [ 15] 牛頓的引力理論 [ 78] （p. 327） [ 79]
物質分布與時空曲率之間的關係由愛因斯坦場方程 描述，這需要使用張量微積分 來表達[ 80] （p. 43） [ 81] 空間 維度 和一個時間 維度構成。因此，物理宇宙中的一個事件可以用四個坐標來描述：(x , y , z , t ) 。從平均來看，可以觀察到空間 幾乎是平坦的 （曲率 接近於零），這意味著歐幾里得幾何 在大部分宇宙中是高度精確的經驗真理[ 82] 單連通 的拓撲 結構，類似於一個球體，至少在可觀測宇宙的尺度上是如此。然而，現有觀測並不能排除以下可能性：宇宙存在更多的維度（如弦理論 所假設的），以及時空 可能具有多重連通的全域拓撲結構，類似於二維空間中的圓柱或環面 [ 83] [ 84]
宇宙形狀的三種可能情况 廣義相對論 描述了質量和能量（即引力）如何彎曲和扭曲時空。宇宙的拓撲 或幾何 包括可觀測宇宙 的局部幾何和整個宇宙的全域幾何。宇宙學家通常會使用一個稱為同移座標 的時空 切片來研究宇宙。可觀測的時空區域由向後的光錐 界定，它標識了宇宙學視界 。宇宙學視界，也稱為粒子視界或光視界，是在宇宙的年齡 內，粒子 可以到達觀察者 的最大距離。這個視界劃分了可觀測區域與不可觀測區域的邊界[ 85] [ 86]
決定宇宙未來演化的一個重要參數是密度參數 (Ω)，它被定義為宇宙的平均物質密度與臨界密度的比值。根據Ω等於1、小於1還是大於1，宇宙可以具有3種可能的幾何結構 ，這些結構分別稱為平坦宇宙、開放宇宙和封閉宇宙[ 87]
根據宇宙背景探測者 、威爾金森微波各向異性探測器 和普朗克衛星 對宇宙微波背景的測繪及觀測結果，表明宇宙有無限空間，但是具有有限的年齡，這與弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規 的描述一致[ 88] [ 83] [ 89] [ 90] 平坦 、均勻的宇宙，現今由暗物質 和暗能量 所主導[ 91] [ 92]
微調宇宙假說認為，宇宙中允許可觀測生命 存在的條件，只有當某些基本物理常數 位於非常狹窄的範圍內時才會出現。根據這一假說，如果若干基本常數中的任何一個稍有變化，宇宙很可能就無法適應物質 、天文結構、元素多樣性或生命的形成與發展。這一假說是否成立，以及探討這個問題是否具有邏輯意義，都是廣泛爭論的話題[ 93] 哲學家 、科學家 、神學家 以及創造論 支持者之間都有討論[ 94]
宇宙的組成幾乎完全是由暗能量、暗物質和普通物質 構成。其他成分包括電磁輻射 （估計佔宇宙總質量-能量 的0.005%到接近0.01%）以及反物質 [ 95] [ 96] [ 97]
宇宙中的物質和能量比例在其歷史進程中發生了變化[ 98] [ 99] [ 100] 生命 ——只佔宇宙總內容的4.9%[ 8] 密度 極低，約為每立方厘米4.5 × 10−31 克，相當於每4立方米空間內僅有一個質子[ 6] [ 8] [ 101] [ 102]
冷暗物質 模式下星系團、大尺度纖維狀結構 與暗能量 的構成圖。本圖顯示了4,300萬秒差距（1.4億光年）範圍內，紅移值從30至現今的結構演化（左上z=27.36至右下z=0）。一幅地球附近的超星系團與空洞 地圖。 物質、暗物質和暗能量在超過約3億光年的尺度上是均勻分佈的[ 103] 原子 凝聚成恆星 ，大多數恆星聚集成星系，大多數星系再聚集成星系團、超星系團 星系絲狀結構 。可觀測宇宙中估計包含多達2兆個星系[ 104] [ 105] [ 106] 24 顆恆星[ 107] [ 108] 地球 上的沙 粒總數還多（包括類地行星）[ 109] [ 110] [ 111] 82 ）要少[ 112] 暴脹宇宙 中（包括已觀測和未觀測的部分）估計的恆星總數（約10100 ）要少[ 113] 矮星系 [ 114] [ 115] 空洞 ，這些空洞的直徑通常在10到150百萬秒差距（約3,300萬至4.9億光年）之間。銀河系 位於本星系群 中，而本星系群隸屬於拉尼亞凱亞超星系團 [ 116] [ 117] [ 118]
根據2008年的五年期WMAP數據，將當今宇宙的組成與大爆炸後38萬年時的組成進行比較[ 119] 可觀測宇宙在遠大於超星系團的尺度上呈現各向同性 ，這意味著從地球觀察到的宇宙統計性質，在所有方向上都相同。宇宙中充滿了高度各向同性的微波 輻射 ，這些輻射對應於大約2.72548克耳文 的熱平衡 黑體波譜 [ 7] 宇宙學原理 。一個均勻且各向同性的宇宙，從任何觀察點看都相同，而且沒有中心[ 121] [ 122]
宇宙為何正在膨脹，長期以來都找不到比較好的解釋。目前假設可能是由於一股未知的能量充斥在宇宙空間中，稱之為「暗能量[ 102] 質能等價 的基礎上，暗能量的密度（6.91 × 10−27 kg/m3 ）比星系中普通物質或暗物質來得小。然而，在現今的暗能量時代，由於暗能量均勻分布於宇宙中，因此它支配著宇宙的質能[ 123]
目前科學家所提出暗能量的兩種型態，皆為宇宙學常數 ；其一是「靜態」的能量密度，它能均勻分佈在空間中[ 124] 第五元素 或模數 純量場 真空能量 。如果純量場之間僅有非常微小的空間不均勻差異，那麼光從宇宙學常數就沒有辦法分辨出這些有差異的純量場。
暗物質是一種假設性的物質 ，對所有電磁波譜 都不可見，但卻構成了宇宙中大部分的物質。暗物質的存在和特性是通過它對可見物質、輻射和宇宙大規模結構 的引力影響來推斷的。除了作為熱暗物質 的中微子 外，暗物質還沒有被直接探測到，這使它成為現代天文物理學 中最大的謎題之一。暗物質既不發射 也不吸收光或其他任何形式的電磁輻射 。據估計，暗物質構成了宇宙總質能的26.8%和總物質的84.5%[ 101] [ 125]
宇宙質能中剩餘的4.9%是由普通物質構成，也就是原子 、離子 、電子 以及由它們組成的物體。這包括了恆星 （它們產生了我們從銀河系觀測到的幾乎所有光線）、星系間 和星系際 行星 ，以及日常生活中我們可以碰觸、感覺或壓縮的所有物體[ 126] [ 18] [ 127] [ 128]
普通物質通常存在於四種狀態 （或相態 ）：固態 、液態 、氣態 和等離子態 [ 129] 玻色–愛因斯坦凝聚態 和費米子凝聚態 [ 130] [ 131] 基本粒子 組成：夸克 和輕子 [ 132] 上夸克 和一個下夸克 組成；中子由兩個下夸克和一個上夸克組成；電子則是一種輕子。原子由原子核 和環繞核運動的電子組成，其中原子核由質子和中子構成（兩者都是重子 ）[ 50] :1476 。
大爆炸 後不久，隨著早期宇宙的溫度降至兩萬億度以下，原始的質子和中子從夸克-膠子電漿 中形成。幾分鐘後，在一個稱為太初核合成 的過程中，原子核由這些原始質子和中子生成。這次核合成主要形成了輕元素，即原子序數較小的元素，如鋰 和鈹 ，但隨著原子序數的增加，重元素的豐度急劇減少。在這段時間內可能形成了一些硼 ，但下一個較重的元素碳 並未大量生成。由於宇宙膨脹導致的溫度和密度迅速下降，太初核合成在大約20分鐘後結束。隨後的重元素 則經由恆星核合成 和超新星核合成 形成[ 133]
基本粒子標準模型包括12個基本費米子和4個基本玻色子。棕色的環線指示哪些玻色子（紅色）與哪些費米子（紫色和綠色）耦合。這些列代表了三代物質（費米子）和一代基本作用力（玻色子）。在前三列中，有兩行是夸克，兩行是輕子。上兩行的列分別對應上夸克（u）和下夸克（d）、粲夸克（c）和奇夸克（s）、頂夸克（t）和底夸克（b），以及光子（γ）和膠子（g）。下兩行的列分別對應電中微子（νe ）和電子（e）、緲中微子（νμ ）和緲子（μ）、陶中微子（ντ ）和陶子（τ），以及弱力的Z0 和W± 載體。每個粒子的質量、電荷和自旋都有列出。 普通物質及其所受的作用力可以用基本粒子 來描述[ 134] [ 135] [ 136] [ 137] 量子力學 來適當解釋，並展現出波粒二象性 ：它們的行為既有粒子性，也有波 動性，具體特徵在不同情況下會有所不同[ 138]
標準模型 是一個至關重要的理論，主要涉及電磁 相互作用、弱核力 和強核力 [ 139] 夸克 和輕子 ，以及它們的「反物質 」對應物的存在，並證實了介導這些相互作用的力粒子——光子 、W及Z玻色子 ，以及膠子 的存在[ 135] 希格斯玻色子 ，它是一種粒子，代表著宇宙中一個能賦予粒子質量的場[ 140] [ 141] [ 139] [ 142]
強子是由夸克組成的複合粒子 ，經由強作用力 結合在一起。強子分為兩類：重子 （如質子 和中子 ），由三個夸克組成；以及介子 （如π介子 ），由一個夸克和一個反夸克 組成。在強子中，質子很穩定，而被束縛在原子核中的中子也很穩定。其他強子在普通條件下很不穩定，因此在現代宇宙中所占比例微不足道[ 143] :118–123 。
在大爆炸 後約10-6 秒期間，稱為強子時期 ，宇宙的溫度已經下降到允許夸克結合成強子的程度，當時宇宙的質量主要由強子 組成。最初，溫度仍然足夠高，能夠形成強子–反強子對，從而保持物質和反物質之間的熱平衡 。然而，隨著宇宙溫度的進一步下降，強子–反強子對不再產生。大多數強子和反強子隨後在粒子–反粒子湮滅 反應中被消滅，當宇宙大約一秒鐘時，僅留下少量強子殘餘[ 143] :244–266 。
輕子是一種基本粒子 ，具有半整數自旋 ，不參與強相互作用，但受泡利不相容原理 的限制；同一種輕子不能同時處於完全相同的狀態[ 144] 電 輕子（又稱為類電子輕子）和中性輕子（通常指中微子 ）。電子是穩定的，也是宇宙中最常見的帶電輕子，而緲子 和τ子 則是不穩定的粒子，會在高能碰撞（如宇宙射線 或粒子加速器 中的碰撞）後迅速衰變[ 145] [ 146] 原子 和正電子素 等複合粒子 。電子 在幾乎所有化學 過程中起著主導作用，因為它存在於原子 中，並直接影響所有化學性質 。中微子很少與其他物質相互作用，因此難以被觀測到。中微子遍布宇宙，但與正常物質的相互作用極為罕見[ 147]
輕子時期 是宇宙早期演化過程中由輕子 主導質量的階段。該階段大約在大爆炸 後1秒開始，當時大多數強子和反強子在強子時期 結束時已相互湮滅。在輕子時期，宇宙的溫度仍然足夠高，可以創造輕子–反輕子對，因此輕子和反輕子保持在熱平衡狀態。大約在大爆炸後10秒，宇宙的溫度已下降到無法再產生輕子–反輕子對的程度[ 148] 湮滅 反應中被消滅，只剩下少量輕子殘餘。此時，宇宙的質量由光子 主導，進入了隨後的光子時期 [ 149] [ 150]
光子是光 及所有其他形式電磁輻射 的量子 。它是電磁力 的載體 靜止質量 ，這使得它能夠進行長距離的相互作用 ，因此電磁力的效應在微觀 和宏觀 層面上都很容易觀察到[ 50] :1470 。
光子時期開始於輕子時期結束時，大部分輕子和反輕子在大爆炸後約10秒被湮滅 。光子時期的最初幾分鐘內發生了核合成過程，創造了原子核。在光子時期的其餘時間內，宇宙中充滿了由原子核、電子和光子組成的高溫致密等離子體 。大約在大爆炸後38萬年，宇宙的溫度下降到足以使原子核與電子結合形成中性原子的程度。結果，光子不再頻繁與物質相互作用，宇宙變得透明。來自這一時期的高度紅移的光子形成了宇宙微波背景。宇宙微波背景中可檢測到的微小溫度和密度變化是所有後來結構形成 的早期「種子」[ 143] :244–266 。
宇宙中生命 存在的頻率一直是天文學 和天體生物學 研究的焦點議題，這包括德雷克方程 及其不同解釋，從費米悖論 （指我們尚未發現任何外星生命跡象的困境）到支持生物物理宇宙學 的觀點，即認為生命是宇宙物理特性中固有的一部分[ 151]
廣義相對論 是阿爾伯特·愛因斯坦 於1915年提出的引力 幾何學 理論 ，也是現代物理學 中對引力的主流解釋。這一理論構成了當今宇宙學模型的基礎。廣義相對論擴展了特殊相對論 和牛頓的萬有引力定律 ，將引力解釋為時間 空間 （也就是時空）的一種幾何屬性。更具體地說，時空的曲率 與其中存在的物質 和輻射 的能量 與動量 有直接關聯[ 152]
這一關聯由一套偏微分方程 系統界定，稱為愛因斯坦場方程式 。在廣義相對論框架下，物質與能量的分布決定了時空的幾何結構，進而影響物質的加速運動 。因此，解出愛因斯坦場方程式能夠描述宇宙的發展歷程。當這些方程式與關於宇宙中物質數量、類型與分布的實測數據結合時，廣義相對論便能夠描繪出宇宙隨時間演進的全貌[ 152]
基於宇宙論原則 的假設，即宇宙在各處都呈現均勻且同向的性質下，一個描述宇宙的特定場方程式解稱為傅里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃克度規 ：
d
s
2
=
−
c
2
d
t
2
+
R
(
t
)
2
(
d
r
2
1
−
k
r
2
+
r
2
d
θ
2
+
r
2
sin
2
θ
d
ϕ
2
)
{\displaystyle ds^{2}=-c^{2}dt^{2}+R(t)^{2}\left({\frac {dr^{2}}{1-kr^{2}}}+r^{2}d\theta ^{2}+r^{2}\sin ^{2}\theta \,d\phi ^{2}\right)}
其中(r,θ,φ)是指球座標系 。這個度規只包含兩個未定義的參數，其中一個參數是無因次量 的長度比例因子 R，它描述了宇宙的尺度隨時間變化的情況（R的增加代表著宇宙的膨脹 ）[ 153] 歐幾里得幾何 ；1，代表正曲率 的空間；或-1，代表正或負曲率的空間[ 154] [ 152] [ 102] 弗里德曼方程式 ，以其發現者亞歷山大·弗里德曼 之名命名[ 155]
R(t)的解取決於k和Λ，不過這些解有一些普遍的基本特性。最關鍵的一點是，宇宙的長度比例因子R只有在宇宙完全同向且具有正曲率（k=1）時才能保持恆定，且宇宙中每處的密度都必須達到一個特定值，這一觀點最早由阿爾伯特·愛因斯坦 提出[ 152]
其次，所有的解都指出，過去曾存在一個引力奇點 ，當時R變成零，物質和能量密度為無窮大。這個結論可能看起來不太確定，因為它基於完全均勻和同向的假設（即宇宙原理），以及僅考慮引力交互作用的重要性。然而，彭羅斯-霍金奇點定理 表明，在極其廣泛的條件下，必然會存在奇點。因此，根據愛因斯坦場方程式，R從一個難以想象的熱和密集的狀態迅速增長，這種狀態是在重力奇異點之後立即形成的（當時R是一個小而有限的數值）；這正是大爆炸模型中對宇宙起源的核心描述。要理解大爆炸的奇點，可能需要一個尚未形成的量子引力 理論[ 156]
再者，曲率指數k決定了在足夠大的長度（超過約十億光年 ）上平均恆定時空表面的曲率正負[ 154] [ 157] 三維球面 。相反地，如果k是零或負，則宇宙的體積是無限的[ 157] 宇宙論原則 時，就有可能產生這種情況。作為類比，無限平面的曲率為零但面積無限；無限長的圓柱在一個方向上是有限的，而圓環面 在兩個方向上都是有限的。圓環面形狀的宇宙可能表現得像一個有週期性邊界條件 的正常宇宙。
宇宙的終極命運 仍是一個未解之謎，因為這與曲率指數k和宇宙常數Λ有關。若宇宙密度足夠高，則k將為+1，意味著其平均曲率為正，宇宙最終將會在一場大擠壓 中重新塌縮[ 158] 大凍結 和宇宙的熱寂 [ 152] 大撕裂 。從觀測數據來看，宇宙似乎是平坦的（k=0），其整體密度非常接近於塌縮和永恆擴張之間的臨界值[ 159]
一些理論推測，我們的宇宙僅是眾多互不相關的宇宙之一，這些宇宙總體 被稱作多重宇宙 ，這一概念挑戰或擴展了對宇宙的傳統定義[ 19] [ 160] 層界 模擬實境 等概念有明顯區別。
馬克斯·泰格馬克 提出了一套四類分類方案 ，用於區分科學家為解決物理學中各種問題而提出的不同多重宇宙類型。例如，一種多重宇宙來自於早期宇宙的混沌膨脹模型 [ 161] 多世界詮釋 。在這種解釋下，平行世界的形成類似於量子疊加 和去相干 ，波函數 的所有狀態在不同的世界中得以實現。實際上，在多世界觀中，多重宇宙會像全體波函數 [ 162] [ 163] [ 164] [ 165] 量子力學詮釋 存在著分歧[ 166] [ 167] [ 168]
在泰格馬克的分類方案中，最不引起爭議但仍有爭議的多重宇宙類型是第一級 。這一級的多重宇宙由我們自己宇宙中遙遠時空事件所構成。泰格馬克和其他人[ 169] 哈伯體積 的相同歷史情況將會偶然重現。泰格馬克估算，我們最接近的所謂「分身 」距離我們約為1010115 米（遠超過古戈爾普勒克斯 的雙重指數函數 ）[ 170] [ 171]
這裡可以想象存在著互不相連的時空，每個時空都獨立存在卻無法相互影響[ 170] [ 172] 肥皂泡 ：在其中一個肥皂泡上的觀察者原則上無法與其他肥皂泡上的觀察者互動[ 173] [ 19] [ 19]
按照這種術語，不同的宇宙之間不存在因果關係 [ 19] 維度 和拓撲 結構、不同類型的物質 和能量 ，甚至不同的物理定律 和常數 ，儘管這些都是純粹的推測[ 19] 混沌膨脹 [ 19]
在歷史上，人們對宇宙（或宇宙學）及其起源有過許多不同的看法。希臘人和印度人首次提出宇宙是一個受客觀物理法則支配的概念[ 13] [ 174] 阿爾伯特·愛因斯坦 在1915年提出的廣義相對論 ，這一理論使我們能夠定量地預測宇宙的起源、演化過程及其最終命運。現今主流且被普遍接受的宇宙學理論大多基於廣義相對論，其中尤以大爆炸理論為核心[ 175]
許多文化都有講述世界和宇宙如何起源的傳說 [ 176]
研究神話的民族學家和人類學家開發了多種分類方法，用以整理創世故事中出現的各種主題[ 177] [ 178] 世界蛋 芬蘭 的史詩 《卡勒瓦拉 》、中國的盤古 傳說或印度的《梵天往世書 藏傳佛教 中的本初佛 概念、古希臘 的大地之母蓋亞 故事、阿茲特克 的女神克亞特里庫 古埃及 的亞圖姆 神話 ，以及猶太-基督教 創世紀的創世敘事 亞伯拉罕宗教的上帝 毛利族 朗吉和帕帕 巴比倫 史詩 中利用提阿瑪特 的屍體、或北歐神話 中利用巨人尤彌爾 的身體製造；或由混沌物質創造，如日本神話 中的伊邪那岐 和伊邪那美 。在其他故事裡，宇宙則是從基本原則如梵 和原質 、塞雷爾人 的創世神話 道家 的陰陽 中發展而來。
前蘇格拉底的希臘哲學家 和印度哲學家發展了一些最早的宇宙哲學概念[ 13] [ 179] 始基 的不同形式。泰勒斯 是第一位提出這一觀點的哲學家，他認為這種原始物質是水 阿那克西曼德 認為一切源自無限的「無定 」。阿那克西美尼 則認為原始物質是空氣 阿那克薩哥拉 提出了「智性 」的原理，而赫拉克利特 則認為火 理性 」）。恩培多克勒 提出，元素由土、水、空氣和火構成，他的四元素理論非常流行。像畢達哥拉斯 一樣，柏拉圖 認為所有事物都是由數字 組成的，恩培多克勒的元素對應著柏拉圖立體 。德謨克利特 及後來的哲學家，特別是留基伯 ，提出宇宙是由在虛空 （或真空 ）中運動的不可分割的原子 所構成，但亞里士多德 認為這不可能，因為空氣如同水一樣對運動產生阻力 。空氣會立刻填滿真空，而且在沒有阻力的情況下，這一過程將以無限快的速度進行[ 13]
儘管赫拉克利特主張永恆的變化[ 180] 巴門尼德 則強調不變性。巴門尼德的詩作《自然論》被解讀為認為所有變化都是幻覺，真正的根本現實永恆不變且具有單一性質，或者至少，每個存在事物的本質特徵必須永恆存在，沒有起源、變化或終結[ 181] 埃利亞的芝諾 以幾個著名的悖論 挑戰了日常對運動的觀念。亞里士多德則透過發展可計數無窮大的概念以及無限可分的連續體來回應這些悖論[ 182] [ 183]
印度哲學 家迦那陀 勝論 學派的創始人，提出了原子論 的概念，並認為光 和熱 是同一種物質的不同形式[ 184] 佛教原子論 陳那 認為原子 是無延時的點狀物，而且由能量構成。他們否認實質物質的存在，並認為運動由能量流的瞬間閃爍所構成[ 185]
時間有限 亞伯拉罕諸教 （猶太教 、基督教 和伊斯蘭教 ）的創世教義。基督教哲學 家約翰·費羅普勒斯 提出了反對古希臘無限過去和未來觀念的哲學論證。菲洛波諾斯對無限過去的反對論點被早期伊斯蘭哲學 肯迪 、猶太教哲學 家薩阿迪亞·果昂 （約瑟夫之子薩阿迪亞）和伊斯蘭教義學 家阿布·哈米德·加札利 所採用[ 186]
泛神論 是一種哲學 宗教 信仰，認為宇宙本身就是神性 ，並且是至高無上的存在 或實體[ 187] 內在 的神祇[ 188] 神 或女神 」之人[ 189] [ 190]
公元前3世紀，阿里斯塔克斯 計算了太陽、地球和月球（從左到右）的相對大小，這些計算保存在公元10世紀的希臘抄本中。 現代天文學前身可辨識的最早書面記錄來自約公元前3000至1200年的古埃及 和美索不達米亞 [ 191] [ 192] 巴比倫天文學 家認為，世界是一個被海洋包圍的平坦圓盤 [ 193] [ 194]
隨後的古希臘 哲學家觀察天體運行，致力於發展基於經驗證據 的宇宙模型。第一個連貫的宇宙模型由歐多克索斯 提出，他是柏拉圖的學生，繼承了柏拉圖認為天體運動必須是圓形的理念。為了解釋行星運動中的複雜現象，特別是逆行運動 ，歐多克索斯的模型中包括了27個不同的天球 ：每顆肉眼可見的行星有四個天球，太陽和月亮各有三個天球，還有一個天球屬於恆星。這些天球全部以地球為中心，地球保持靜止，而天球則永恆地旋轉。亞里士多德進一步完善了這一模型，將天球的數量增加到55個，以解釋行星運動的更多細節。對亞里士多德而言，普通物質 完全包含在地球圈內，並遵循與天體物質 [ 195] [ 196]
亞里士多德之後的論文《論宇宙 》（作者和日期不詳）中指出：「五種元素位於五個區域的球體中，較小的（元素）每次被較大的（元素）包圍——即地被水包圍，水被空氣包圍，空氣被火包圍，火被以太包圍——構成了整個宇宙[ 197] 卡里普斯 進一步完善，並在放棄同心球體後，由托勒密 將其與天文觀測結果幾乎完美地進行匹配[ 198] 傅立葉級數 ）。其他希臘科學家，如畢達哥拉斯哲學 家菲洛勞斯 （根據約翰尼斯·斯托拜烏斯 的記載），提出宇宙中心有一個「中央之火」，地球 、太陽 、月亮 和行星 圍繞它做均勻圓周運動[ 199]
古希臘天文學 家阿里斯塔克斯 是已知第一個提出日心 模型的人。雖然他的原始著作已遺失，但阿基米德 在《數沙者 》中提到了阿里斯塔克斯的日心模型。阿基米德寫道：
蓋倫王，你知道，「宇宙」這個名稱是大多數天文學家用來稱呼一個球體的，這個球體的中心就是地球的中心，而它的半徑等於從太陽中心到地球中心的直線距離。這是你從天文學家那裡聽到的常見說法。但阿里斯塔克斯出版了一本書，提出了某些假設。根據這些假設，似乎這個宇宙比剛才提到的宇宙大許多倍。他的假設是，恆星和太陽保持不動，地球沿著圓周圍繞太陽運轉，太陽位於軌道的中心，而固定恆星的球體，與太陽位於同一中心，其大小如此之大，以至於他認為地球運行的圓周相對於固定恆星的距離，如同球體的中心相對於其表面一樣[ 200]
因此，阿里斯塔克斯認為恆星非常遙遠，並將這解釋為為什麼沒有觀測到恆星視差 ——即地球繞太陽運行時，恆星之間沒有相對移動的現象。事實上，恆星的距離比古代普遍認為的要遠得多，這就是為什麼只有使用精密儀器才能檢測到恆星視差的原因。地心模型由於能解釋行星視差，當時被認為是無法觀測到恆星視差的解釋[ 201]
弗拉馬里翁版畫 古代唯一已知支持阿里斯塔克斯日心模型的天文學家是塞琉西亞的塞琉古 ，他是一位生活在阿里斯塔克斯之後一個世紀的希臘化天文學 家[ 202] [ 203] [ 204] 推理 證明日心系統正確的人，但我們不知道他具體使用了什麼論據。塞琉古支持日心宇宙論的論據可能與潮汐 現象有關[ 205] 史特拉波 記載（1.1.9），塞琉古是第一位指出潮汐由月球引力引起的人，且潮汐的高度取決於月球相對於太陽的位置[ 206] 幾何 常數並發展計算行星位置的方法來證明日心說，類似於16世紀的尼古拉·哥白尼 [ 207] 中世紀 ，波斯天文學 家阿布·馬謝爾 [ 208] 西傑茲 [ 209] 日心模型 。
1576年，托馬斯·迪格斯 提出的哥白尼宇宙模型 行星 的空間中。 大約2,000年以來，亞里士多德的宇宙模型在西方世界 被普遍接受，直到哥白尼重新提出阿里斯塔克斯的觀點，即如果地球 繞軸自轉，並且太陽 位於宇宙中心，天文數據就能有更合理的解釋[ 210]
將太陽安置在中心。因為誰會將這盞美麗廟宇的燈放在比這裡更好或更適合的位置，使其能同時照亮一切？
——尼古拉·哥白尼，《天體運行論》第一卷第十章（1543年）
如哥白尼所述，地球自轉 的觀念由來已久，至少可以追溯到菲洛勞斯 （约前450年 ）、赫拉克利德·朋狄庫斯 前350年 ）和畢達哥拉斯學派的埃克凡圖斯 庫薩的尼各老 在他的著作《有知識的無知》（On Learned Ignorance [ 212] 實證證據 由奈綏爾丁 （1201年—1274年）和阿里·卡什吉 [ 213]
這一宇宙學被艾薩克·牛頓 、克里斯蒂安·惠更斯 及後來的科學家所接受。牛頓證明了相同的運動和引力定律 適用於地球上的物質和天體物質，使得亞里士多德對兩者的區分變得過時。埃德蒙·哈雷 （1720年）和尚-菲利浦·德·歇索 （1744年）[ 216] 奧伯斯悖論 [ 217] 金斯不穩定性 準則進行闡明[ 218] 沙利葉 宇宙模型，在這一模型中，物質以分形 的方式層次分明地排列（如環繞體系中的物體本身又在更大的體系內環繞，無限重複），使得整個宇宙的總體密度可以忽略不計；這一宇宙模型也早在1761年由約翰·海因里希·朗伯 提出過。
在18世紀，伊曼努爾·康德 推測星雲可能是獨立於銀河系之外的整個星系，1850年，亞歷山大·馮·洪堡 將這些獨立的星系稱為「世界島嶼」（Weltinseln ），這個術語後來發展為「島宇宙」[ 220] [ 221] 胡克望遠鏡 的建成，當時的主流觀點認為宇宙完全由銀河系組成。愛德溫·哈伯 使用胡克望遠鏡，在幾個螺旋星雲中發現了造父變星 ，並在1922至1923年期間證實仙女座星雲 和三角座星雲 等是我們銀河系之外的完整星系，從而證明宇宙是由無數星系組成的[ 222]
現代物理宇宙學 的時代始於1917年，當時阿爾伯特·愛因斯坦 首次將他的廣義相對論 應用於建立宇宙模型的結構和動態[ 223]
這是一張顯示已知的可觀測宇宙地圖（截至2018年），其中標註了若干著名的天文物體。地圖中的長度比例向右側以指數級增加。為了便於理解這些天體的形狀，地圖中的天體被放大顯示。
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