宇宙

「宇」，「宙」分別指屋檐和船檐[31]。今義可追溯自戰國時期尸佼的著作《尸子》〈卷下〉篇：「上下四方曰宇，往古来今曰宙。」首次宇宙連用則出現於《莊子》的〈齊物論〉：“旁日月，挟宇宙[32][33]”。另有太空一詞，通常指"我們"以外的空間。「太」即「大」。

宇宙的英語「」起源於古法語的「」，而該詞又源自於拉丁語的「」[34]，為全部，大全的意思，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「」這個詞彙，與現代英語所使用的「」意義相同[35]。

畢達哥拉斯以降的古希臘哲學家，將宇宙稱做「」（即Pan-，泛，一切），定義為一切的物質與空間，而「」（一切事物）則不包含空無狀態[36][37]。另外一個同義詞則是「」（英語：，意義為世界、宇宙），宇宙學使用此詞根。[38]。拉丁語學者也常使用「」、「」、「」等詞稱呼宇宙[39]，且影響現今的語言，如德國以「」、「」與「」稱呼宇宙。英語中也能找到宇宙的同義詞，如「」（如萬有理論）、「」（如多世界詮釋）與「」（如自然法或自然哲學）[40]。

宇宙的大小目前仍難以界定。根據一種較為嚴謹的定義，宇宙為與自身所繫時空的任何一切，且人們與時空可以互動[47]。根據廣義相對論，宇宙空間中的部分區域可能會因為有限光速與持續的空間擴展，導致在宇宙存在的時間中，永遠無法與人們產生互動。舉例，從地球發出的廣播訊息，即使宇宙永遠存在，可能永遠無法抵達宇宙空間中的部分區域：空間擴展所花費的時間，會比光抵達該區域的時間還快[48]。

宇宙空間中較遠的區域，即使人們無法和這些區域互動，但仍會假定這些區域存在，並且是現實的一部份。人們可影響與受影響的空間區域，稱為可觀測宇宙。可觀測宇宙的大小，取決於觀察者的位置。藉由旅行，觀察者可以觀測到更廣大的區域，比起站在定點所觀察到的區域還大。然而，即使是最快的旅行者，仍將無法與所有的宇宙空間互動。一般來說，可觀測宇宙指的是觀察者從銀河系中的有利位置所觀察到的一部份宇宙。

公元100年左右的东汉时代，当时科学家张衡最早提出“过此而往者，未知或知也。未知或知者，宇宙之谓也”和“宇之表无极，宙之端无穷”的观点[49]。明确提出由空间和时间构成的宇宙大小是无限的观念。目前关于宇宙是否无限的问题还有争议。如果整个宇宙的空间部分是有限的，那么可以用一定的距离来表示。对于均匀各向同性的宇宙来说，这就是三维空间的曲率半径。但是，即使宇宙整体是无限的，宇宙的可观测部分仍是有限的：由于相对论限定光速为宇宙中信息传播的最高速度，如果一个光子从大爆炸开始传播，到今天传播的固有距离（Proper Distance）为465亿光年，这一距离称为今天宇宙的粒子视界。即可觀測宇宙的半径为465亿光年，直径为930亿光年。可觀測宇宙的边缘的光子传播到今天的地球经过的距离非常接近大爆炸距今的时间乘以光速，即大约138亿光年。由于宇宙在膨胀，宇宙的边缘到地球的固有距离比这个距离大得多。

另一个在物理学数量级估计中常用来表示宇宙大小的距离称为哈勃距离，是哈伯–勒梅特定律的倒数乘以光速，其数值约为1.29×10²⁶公尺，也約为138亿光年。科普和科技书籍中所指宇宙的大小常指这个数值。哈勃距离可理解为四维时空的曲率半径。

具有當今已知的一些著名天文物體的宇宙地圖。 長度比例向右呈指數增長。 天體顯示為放大尺寸，以便能夠欣賞其形狀。

宇宙形狀的三種可能情况

廣義相對論描述了時空如何經由物質與能量產生扭曲與彎折。宇宙的拓扑學與幾何學包含了可觀測宇宙內的局部幾何與全域幾何。宇宙學家通常會將時空給予一個類空間隔的切片，稱之為同移座標。在時空中可以觀察到的部分是過去的光錐，劃定了宇宙學視界。宇宙學視界（也稱作粒子視界或光視界）的最大距離，為粒子在宇宙年齡範圍中，旅行至觀察者的距離。而視界則代表宇宙中可觀察到無法觀察區間的界限[50][51]。宇宙學視界的存在、性質與顯著性是隨特定的宇宙學視界而定。

決定宇宙未來發展的一個重要參數為密度參數（Ω），定義為宇宙的實際（或觀測）密度與弗里德曼宇宙臨界密度之比值。宇宙的形狀有3種可能的幾何型態，取決於Ω是否等於、小於或大於1。這將會分別決定宇宙的形狀為扁平態、開放態或封閉態[52]。

根據宇宙背景探測者、威爾金森微波各向異性探測器與普朗克衛星對於宇宙微波背景輻射的觀察，認為宇宙是具有有限年齡的無限空間，為弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規所描述的內容之一[53][54][55][56]。該模型支持暴脹理論與標準宇宙學模型，描述宇宙為具有同質性的扁平狀空間，而暗物質與暗能量占有主導地位[1][57]。

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[64]」。在質能等價的基礎上，暗能量的密度（6.91 × 10⁻²⁷ kg/m³）比星系中原有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[76]。

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[77]，以及如第五元素或模數等純量場中；其二是「動態」的能量密度量數，會隨著空間與時間而有所變化。宇宙學常數通常也包含了恆定空間中純量場的貢獻。宇宙學常數可被定義為等同真空能量。如果純量場之間僅有非常微小的空間不均勻差異，那光從宇宙學常數是無法分辨出這些純量場。

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%[63][78]。

宇宙質能中剩餘的4.9%是由原有物質構成，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）、星系間和星系際介質中的星際氣體、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[79]。宇宙中大多數普通物質實際上看不見，因為銀河和星團中的可見恆星和氣體所占的比例不到原有物質對宇宙質能密度貢獻的10%[80][81][82]。

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，將引力解釋為時間與空間（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[83]。

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[83]。

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：

${\displaystyle ds^{2}=-c^{2}dt^{2}+R(t)^{2}\left({\frac {dr^{2}}{1-kr^{2}}}+r^{2}d\theta ^{2}+r^{2}\sin ^{2}\theta \,d\phi ^{2}\right)}$

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擴張）[84]，另一個是曲率指數k，用來描述宇宙的幾何形態。k的值被定義為只能是三個數值之一：0，代表平面的歐幾里得幾何；1，代表正曲率的空間；或-1，代表正或負曲率的空間[85]。R隨時間t的變化取決於k和宇宙常數Λ[83]。宇宙常數代表空間真空的能量密度，與暗能量可能相關[64]。描述R如何隨時間變化的方程式稱為弗里德曼方程式，以其發現者亞歷山大·弗里德曼之名命名[86]。

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[83]。然而，這種平衡狀態很不穩定：如果任何地方的密度與這個必要值（R）略有差異，這種差異將會隨著時間被放大。

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[87]。

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[85]。若k=1，則曲率為正，意味著宇宙的體積是有限的[88]。擁有正曲率的宇宙常被想象為嵌入四維空間中的三維球面。相反地，如果k是零或負，則宇宙的體積是無限的[88]。雖然當R=0時，數學上預測在一瞬間就能創造出一個無限大且密度無窮的宇宙，這種結果看似違反直覺，但當k是非正值且符合宇宙論原則時，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[89]，這可能會觸發一次大反彈，形成新的宇宙。相反地，若宇宙密度不夠，k將為0或-1，宇宙將無限擴張，逐步冷卻，最終導致大凍結和宇宙的熱寂[83]。現代的數據顯示宇宙擴張正在加速；如果這種加速過快，宇宙可能最終會經歷一次大撕裂。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[90]。

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][91]。在科學上，多重宇宙模型與神祕學的層界或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[92]。另一種則源自於量子力學中的多世界詮釋。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那樣來進化。如果創造了我們所在多重宇宙的大爆炸也創造了一系列的多重宇宙，那麼這一系列的波函數在某種意義上會有糾纏的特性[93]。關於是否能從這一理論中提取有科學意義的概率，一直是並將繼續成為熱烈討論的主題，而且多世界解釋有多種版本[94][95][96]（一般來說，對於量子力學詮釋存在著分歧[97][98][99]）。

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[100]提出，如果空間是無限的，或足夠大且足夠均勻，則地球整個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）[101][102]。然而，這些論證的性質僅僅是推測[103]。此外，從科學角度驗證一個相同哈伯體積的存在是不可能的。

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[101][104]。一個形象的比喻是一組分隔的肥皂泡：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[105]。按照一種常用的術語，每一個時空的「肥皂泡」被稱作一個宇宙，而人類所處的特定時空也被稱作宇宙[19]。這些分隔時空的總和被稱作多重宇宙[19]。

按照這種術語，不同的宇宙之間不存在因果關係[19]。理論上，這些不相連的宇宙可能擁有不同的時空維度和拓撲結構、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]。有些理論家認為，混沌膨脹過程中形成的每個泡泡都構成一個獨立的宇宙，但在這種模型中，這些宇宙都共享一個因果起點[19]。

許多文化都有講述世界和宇宙如何起源的傳說。這些文化普遍將這些故事視為具有一定的真實性。然而，在那些信仰宇宙有超自然起源的人群中，對這些故事的理解和應用卻有諸多不同，例如從上帝直接創造現在的宇宙，到僅僅啟動了宇宙的運行（例如透過大爆炸和進化的機制）等等[108]。

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[109][110]。比如，在某些故事中，世界是從一顆「世界蛋」中誕生，這類故事包括芬蘭的史詩《卡勒瓦拉》、中國的盤古傳說或印度的《梵天往世書》。另一些故事中，宇宙由單一實體自行創造，比如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神話、古埃及的亞圖姆神話，以及猶太-基督教創世紀的創世敘事，描述亞伯拉罕宗教的上帝創造宇宙的過程。又有故事描繪宇宙由男女神的結合而成，如毛利族的朗吉和帕帕故事。還有一些故事中，宇宙是由既有材料製造而成，如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，或道家的陰陽中發展而來。