宇宙

宇宙是廣袤空間和其中存在的各種天體以及瀰漫物質的總稱。宇宙起源是一個極其複雜的問題。現代天文觀測證明它處於不斷的運動和發展中。千百年來，科學家們一直在探尋宇宙是什麼時候、如何形成的。許多科學家認為，宇宙是由大約140億年前發生的一次大爆炸形成的。

物理宇宙被定義為所有的空間和時間（統稱為時空）及其內涵，包括各種形式的所有能量，比如電磁輻射、普通物質、暗物質、暗能量等，其中普通物質包括行星、衛星、恆星、星系、星系團和星系間物質等。宇宙還包括影響物質和能量的物理定律，如守恆定律、經典力學、相對論等。

在中國古代，“宇”和“宙”都不過指的是人們居住房屋上小小的部件，引申為越來越大的“宇宙”概念，宇指代空間，宙指代時間，這是一個漫長而複雜的演變過程。

● “宇”字

周代金文的“宇”是一座房屋裡面一個“干”字，實際上就是一座房屋的形狀和結構。《說文解字》曰：“宇，屋邊也。”《詩經·豳風·七月》：“七月在野，八月在宇，九月在戶，十月蟋蟀入我床下。”釋文：“屋四垂為宇。”這裡的“宇”正像《一切經音義》中說的“宇，屋檐也”一樣，指房屋的屋檐、廊檐。《儀禮·士喪禮》“置於宇西階上”、《資治通鑒》“權起更衣，肅追於宇下”等，也都是這個意思。隨著時間的推移，“宇”這個房屋上的部件，慢慢地就代替了整座房屋。《詩經·大雅·緜》“聿來胥宇”、《楚辭·招魂》“高堂邃宇”、蘇軾《水調歌頭》“惟恐瓊樓玉宇，高處不勝寒”中的“宇”，就不是屋檐，而是整個房屋。到了屈原的《離騷》“爾何懷乎故宇”、賈誼的《過秦論》“振長策而御宇內”，此處的“宇”是指國家或天下了。《呂氏春秋·下賢》“神覆宇宙”、《墨子·經上篇》“久，古今旦莫（暮）。宇，東西家南北”里的“宇”，已是一個很大而多變的空間範疇。

● “宙”字

甲骨文的“宙”字，是一座房屋裡面加一個“由”字，表示房屋靠一根上細下粗的梁頂著。《說文解字》曰：“宙，舟輿所極覆也。”《淮南子·覽冥》：“而燕雀佼之，以為不能與之爭於宇宙之間。”高誘註：“宇，屋檐也。宙，棟樑也。”這裡的“宙”都是它的本義“棟樑”的意思。但到了《南齊書》“功燭上宙，德耀中天”、王勃《七夕賦》“霜凝碧宙，水瑩丹霄”里的“宙”，就已是指天空了。

● 整詞

“宇宙”一詞連用，最早出自《莊子》：“旁日月，挾宇宙，為其吻合。”這時的“宇”代指一切空間，“宙”代指一切時間。這裡宇宙的意義已是標準的時空了。《屍子》：“上下四方曰宇，往古來今曰宙。”《文子·自然》也說：“往古來今謂之宙，四方上下謂之宇。”說明古代詩人和科學家都對宇宙有了新的認識。如《楚辭·屈原·涉江》“霰雪紛其無垠兮，雲霏霏而承宇”，張衡《東京賦》“澤浸昆蟲，威振八宇”以及《莊子·庚桑楚》“有實而無乎處者，宇也；有長而無本剽者，宙也”等等，“宇”已不是指某一個具體的方位、處所，而是指所有的空間；這裡的“宙”已經表示沒有開始沒有終末的無限時間，“宇宙”已經無限大。

外文詞源

從畢達哥拉斯開始，古希臘哲學家的"宇宙"一詞是τὸ πᾶν、té p ón（"全部"），定義為所有物質和所有空間，以及τὸ ὅλον、té hélon（"所有事物"），它不一定包括空洞。另一個ὁ κόσμος，ho késmos（意思是世界，宇宙）。西塞羅（Marcus Tullius Cicero）與後來的拉丁語作者曾使用過“universum”這個辭彙，與現代英語所使用的“universe”意義相同。宇宙的同義詞在其他拉丁語作者中也有使用，並在現代語言中存在。例如，宇宙的德語單詞有Das All、Weltall和Natur。

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”。英語中也有同樣的同義詞，例如：everything（萬物，如萬物論theory of everything）、cosmos（宇宙，如宇宙學cosmology）、world（世界，如多世界詮釋many-worlds interpretation）和nature（自然，如自然法則natural laws或自然哲學natural philosophy）。

從歷史上看，對宇宙及其起源有許多想法。古希臘人和古印度人首先提出了由物理定律主導而非個人觀點的宇宙理論。中國古代哲學中包含宇宙的概念，宇為所有的空間，宙為所有的時間。幾個世紀以來，天文觀測以及運動和引力理論的改進，使得對宇宙描述更準確。現代宇宙學始於阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）在1915年的廣義相對論，該理論使定量化的預測整個宇宙的起源、演化和結局成為可能。絕大多數現代的、公認的宇宙學理論都基於廣義相對論，更具體的是指大爆炸理論。

許多文化都有描述世界和宇宙起源的神話傳說。該文化圈的人們一般認為這些神話有些真實性。然而，對於這些傳說如何應用在那些相信超自然起源的人中，有很多不同的觀念，從神直接創造宇宙，到當今神只是設置了宇宙運行的機制（例如通過大爆炸理論和進化論這樣的機制）。

研究神話的民族學家和人類學家為創世神話中出現的各種場景制定了多種分類。一類神話傳說認為世界誕生於世界卵，這些傳說包括中國神話傳說中的盤古，古印度佛教的《梵卵往世書》（Brahmanda Purana）、以及芬蘭史詩《卡勒瓦拉》(Kalevala)。三國時期吳國徐整著《三五曆紀》中記載：“天地渾沌如雞子，盤古生其中。“在其他類似的神話中，宇宙是由一個實體通過他或她自己發出或產生的東西創造的，如藏傳佛教的本初佛普賢王如來，古希臘神話中的蓋亞（地球母親），阿茲特克神話中的女神科亞特利庫埃，古埃及神話中的阿圖姆，以及猶太教-基督教《創世紀》創世敘事中上帝創造了宇宙，同源的伊斯蘭教也認為真主安拉創造了宇宙。在另一類型的傳說中，宇宙是由男性神和女性神的結合創造的，就像毛利傳說中Rangi和Papa的一樣。在其他傳說中，宇宙是由預先存在的材料改造而來，比如在巴比倫史詩《埃努瑪·埃利什》（Enuma Elish）中是迪亞馬特用死神的屍體創造，在北歐神話中是巨人伊米爾用混亂的材料創造，在日本神話中是伊奘諾尊與伊奘冉尊創造。在其他傳說中，宇宙源於基本原理，如印度教中的梵（Brahman，婆羅門）和本性（Prakrti）以及道教中的陰陽。

蘇格拉底（Socrates）之前的古希臘哲學家和古印度哲學家提出了一些最早的宇宙哲學概念。希臘最早的哲學家指出，現象可能具有欺騙性，並試圖理解現象背後的基本現實。他們特別指出了物質改變形態的能力（例如，冰化為水，水蒸為汽）。一些哲學家提出，世界上所有的物理材料都是被稱為始基（Arche）的單一原始材料的不同形式。第一個這樣認為的是泰勒斯（Thales），他提議這種材料是水。泰勒斯的學生阿那克西曼德（Anaximander），提出一切都來自無限的阿派朗（Apeiron）。阿那克西美尼（Anaximenes）提出原始材料是空氣，因為空氣被認為有吸引和排斥的特性，導致始基凝結或分離成不同的形式。阿那克薩哥拉（Anaxagoras）提出了智性（Nous）的原理，而赫拉克利特（Heraclitus）提出了火。恩培多克勒（Empedocles）提出了地、水、氣、火的元素，他的四元素說後來變得非常受歡迎。和畢達哥拉斯（Pythagoras）一樣，柏拉圖（Plato）認為所有事物都是由數字構成的，並將恩培多克勒的四元素採用柏拉圖立體的形式表示。留基伯（Leucippus）及其學生德謨克利特（Democritus）和後來的哲學家提出了原子說，認為宇宙是由通過真空移動的不可分割原子組成的，儘管亞里士多德（Aristotle）認為不可行，因為空氣就像水一樣，對運動有阻力。空氣會立即衝進來填補一個真空，而且如果沒有阻力，它會無限快地填充。

雖然赫拉克利特主張永恆的改變，但與他同時代的巴門尼德（Parmenides）提出了一個激進的建議，即所有的變化都是一種幻覺，真正的基本實體是永遠不變的，是單一性質的。巴門尼德認為這個實體是同一（The One）。巴門尼德的想法對許多希臘人來說似乎難以置信，但他的學生，來自埃利亞（Elea）的芝諾（Zeno）提出了幾個著名的悖論。亞里士多德通過提出一個潛在的可計數無窮大的概念，以及無限可分割的連續體來回應這些悖論。與永恆不變的時間循環不同，他認為世界範圍被天球面所限定，天體由第五元素“以太（ether）”構成。

印度哲學家勝論學派（Vaisheshika school）的創始人迦那陀（Kanada）也提出了一個原子論的概念，並提出了光和熱是同一物質的變種。公元5世紀，佛教原子論哲學家陳那（Dignāga）提出原子是點大小、非持續的，並由能量構成。他們否認存在實質性物質，並提議運動由能量流的瞬間閃現組成。

時間有限主義的概念受到三種天啟宗教（Abrahamic religions）共同的創造學說的啟發，包括猶太教、基督教和伊斯蘭教。拜占庭基督教哲學家約翰·菲洛波努斯（John Philoponus）提出了反對古希臘無限過去和未來概念的哲學論點，並被早期穆斯林哲學家肯迪（Al-Kindi）、穆斯林神學家安薩里（Al-Ghazali）和猶太哲學家薩阿迪亞·果昂（Saadia Gaon）引用。

在巴比倫天文學家開始天文學研究后不久，就提出了宇宙的天文模型，他們把宇宙視為漂浮在海洋中的平底盤子，成為早期希臘地圖的前提，比如阿那克西曼德（Anaximander）和米利都赫卡塔埃烏斯繪製的地圖。

後來的希臘哲學家觀察天體運動，聚焦於更深刻地根據經驗證據發展宇宙模型。第一個相干模型是由尼多斯（Cnidos）的歐多克索斯（Eudoxus）提出的。根據亞里士多德對模型的物理解釋，天體在靜止的地球周圍以均勻的運動永久運轉。物質完全包含在地球球體中。

在放棄同心球模型后，這個地心說模型也由卡利普斯（Callippus）改進，它幾乎與托勒密（Ptolemy）的天文觀測完全一致。這種模型的成功很大程度上是基於數學上的事實，即任何函數（如行星的位置）都可以分解成一組圓形函數（傅里葉模式）。其他希臘科學家還有畢達哥拉斯（Pythagoras）學派哲學家菲洛勞斯（Philolaus）。根據希臘作家文獻彙編者斯托拜烏斯(Stobaeus)的說法，菲洛勞斯假設在宇宙中心的是一團"中心火"（central fire），地球、太陽、月亮和行星圍繞它以均勻的圓周運動旋轉。

希臘天文學家來自薩摩斯（Samos）的阿里斯塔庫斯（Aristarchus）被認為是第一個提出宇宙日心模型的人。雖然原文本已經丟失，但阿基米德（Archimedes）的著作《數沙者》（The Sand Reckoner）中的一個參考描述了阿里斯塔庫斯的日心模型。阿里斯塔庫斯認為恆星離太陽很遠，並認為這是恆星視差沒有被觀測到的原因，也就是說，當地球繞著太陽移動時，沒有觀測到恆星彼此相對移動。事實上，恆星的距離比古代通常假定的距離要遠得多，這就是為什麼恆星視差只能通過精密儀器探測到。地心模型與行星視差一致，平行現象被認為是恆星視差不可觀測的原因。對日心說的拒絕顯然相當強烈，克里安西斯（Cleanthes，亞里士多德時代的當代主義者和斯多葛主義的領袖）建議希臘人起訴阿里斯塔庫斯。

在古代支持阿里斯塔庫斯日心模型且留下姓名的天文學家僅有塞琉西亞的塞琉古，他是希臘天文學家，生活在阿里斯塔庫斯之後的一個世紀。根據普魯塔克（Plutarch）的說法，塞琉古是第一個通過推理來驗證日心模型的人，但不知道他使用了什麼論據。塞琉古關於日心宇宙學的論點可能與潮汐現象有關。根據斯特拉波（Strabo）的說法，塞琉古是第一個指出潮汐是由於月球的吸引力造成的，而潮汐的高度取決於月球相對於太陽的位置。就像尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）後來在16世紀所做的一樣。在中世紀，印度天文學家阿耶波多（Aryabhata）和波斯天文學家阿布·瑪沙爾（Abu Ma'shar）和艾爾·森加辛（Al-Sijzi）也提出了日心模型。艾爾·森加辛還認為地球在自轉軸上旋轉。

托馬斯·迪格斯在1576年繪製的哥白尼宇宙模型

亞里士多德的地心說模型在西方世界被接受大約兩千年，直到尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）恢復了阿里斯塔庫斯的日心說模型，即如果地球在自轉軸上自轉，而且太陽被放置在宇宙的中心，天文觀測數據可以解釋得更合理。正如哥白尼自己指出的，地球自轉的概念非常古老，至少可以追溯到菲洛勞斯（Philolaus，約公元前450年），蓬杜斯（Ponticus）的赫拉克利德斯（Heraclides，約公元前350年）和畢達哥拉斯學派的厄克方圖（Ecphantus）。大約在哥白尼前一個世紀，庫薩（Cusa）的基督教學者尼古拉斯（Nicholas）在他的著作《論無知》（1440年）中也提出地球在其自轉軸上旋轉。納西爾丁·圖西（Tusi，1201–1274）和阿里·古什吉（Ali Qushji，1403–1474）利用彗星天象提供了地球在自轉軸上自轉的經驗證據。日心說被艾薩克·牛頓（Isaac Newton）、克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）以及後來的科學家所接受。牛頓以哥白尼的研究、第谷·布拉赫（Johannes Kepler）的觀測數據以及約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler）的行星運動定律為基礎，總結出了萬有引力定律。

19世紀法國科普作家C.Flammarion書中宇宙木刻插圖

埃德蒙·哈雷（Edmund Halley，1720年）和讓-菲利普·德·查索（Jean-Philippe de Chéseaux，1744年）獨立地指出，假設無限空間均勻地充滿恆星，這將導致夜間天空與太陽本身一樣明亮的預測，這在19世紀被稱為奧伯斯佯謬（Olbers' paradox）。牛頓認為，一個無限空間一致地充滿物質會導致無限的力，以及導致物質在自身引力下向內坍縮的不穩定。1902年，金斯不穩定性闡釋了這種不穩定。約翰·海因里希·朗伯（Johann Heinrich Lambert）在1761年早些時候也提出了這樣的宇宙學模型。18世紀天文學的一個重大進步是湯姆斯·萊特（Thomas Wright）、伊曼努爾·康德（Immanuel Kant）和其他人對星雲的觀測。

1919年，當胡克望遠鏡（ Hooker Telescope）建成時，主流的觀點仍然是宇宙完全由銀河系組成。埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）利用胡克望遠鏡在幾個旋渦狀“星雲”（當時還不認為是銀河系外的星系）中識別了造父變星（Cepheid variables），並在1922-1923年間確鑿地證明了仙女座星雲（M31）和三角座星雲（M33）等是銀河系之外完整的星系，從而證明宇宙由眾多獨立的星系組成。進一步的研究使人們認識到，太陽是銀河系中數千億顆恆星之一，而銀河系是宇宙中至少兩萬億個星系之一。銀河系中的多數恆星都有行星。在較大的宇宙尺度上，星系在各個方向上分佈均勻、相同，這意味著宇宙既沒有邊緣也沒有中心。在較小的尺度上，星系分佈在星系團和超星系團中，它們在宇宙中形成巨大的大尺度纖維狀結構和宇宙空洞，構成一個巨大的泡沫狀結構體。20世紀初研究發現，大多數星系具有系統性的紅移現象，這表明宇宙正在膨脹；藉由對宇宙微波背景輻射的觀測，表明宇宙具有起源。

關於宇宙進化的流形模型是大爆炸理論。大爆炸模型指出，宇宙最早的狀態是一個極其炙熱和密集的狀態，宇宙隨後膨脹和冷卻。該模型基於廣義相對論和一些簡化的假設，如空間的同質性和同構性。具有宇宙常數（Lambda，Λ）和冷暗物質的模型版本（稱為ΛCDM模型）是最簡單的模型，為宇宙的各種觀測結果提供了相當好的解釋。大爆炸模型包括星系距離和紅移的相關性、氫氦原子的數量比例以及微波背景輻射等觀測結果。

最初的炙熱、密集狀態被稱為普朗克時期，是從時間零點到一個普朗克時間單位（約10秒）的短暫時期。在普朗克時期，所有類型的物質和所有類型的能量都集中在一個密集的狀態，當前是已知四種基本力中最弱的引力，被認為在那時與其他基本力一樣強大，所有的基本力可能是統一的。自普朗克時期以來，空間一直持續膨脹到當前的規模。在10秒內出現了一段非常短但強烈的宇宙暴脹時期。這是一種不同於當前宇宙的膨脹，空間中的物體沒有實際移動，而是定義空間本身的度規發生改變。儘管時空中的物體移動速度不能快於光速，但此限制不適用於控制時空本身的度規。宇宙初始時期的宇宙暴脹解釋了為什麼空間看起來非常平坦，以及為什麼空間規模比光從宇宙初始以來穿越的距離大得多。

在宇宙存在的前幾分之一秒內，四種基本力已經分離。隨著宇宙繼續從不可思議的炙熱狀態中冷卻下來，各種類型的亞原子粒子能夠在短時間內先後形成，分別稱為夸克時期、強子時期和輕子時期，這些時期加起來在大爆炸之後持續了不到10秒的時間。這些基本粒子穩定地結合到越來越大的組合中，包括穩定的質子和中子，然後通過核聚變形成更複雜的原子核。這個過程，被稱為大爆炸核合成（或原初核合成），只持續了約17分鐘，並在大爆炸后約20分鐘結束，所以只有最快和最簡單的核聚變反應發生。按質量計算，大約25%的質子和宇宙中所有的中子被轉換成氦、少量的氘（氫的一種同位素）以及痕量的鋰，其他所有元素只生成了非常非常少的數量。剩餘75%沒有參與核聚變的質子即為氫原子核。

核合成結束后，宇宙進入了光子時期。在此期間，宇宙仍然太熱，物質不能形成中性原子。所以當時的宇宙是一團炙熱、緻密的霧狀等離子體，由帶負電荷的電子、中性中微子和帶正電荷的原子核組成的。大約37.7萬年後，宇宙已經冷卻到足以使電子和原子核形成第一個穩定的原子。由於歷史原因，這個過程被稱為複合，但實際上卻是電子和原子核是第一次結合。與等離子體不同，中性原子對許多波長的光是透明的，所以宇宙也第一次變得透明。當原子形成時，光子被釋放（退耦），這些光子形成了當前仍然可以觀測到的宇宙微波背景（CMB）。

隨著宇宙的膨脹，光子的能量會因波長變長而降低，因此電磁輻射的能量密度比物質的能量密度下降得更快。大約在47000年之後，物質的能量密度變得大於光子和中微子，並開始主宰宇宙的大尺度行為。這標誌著輻射主導時期的結束和物質主導時期的開始。

在宇宙的最初階段，宇宙密度的微小波動導致暗物質的聚集逐漸形成。普通物質被暗物質引力吸引，形成了巨大的氣體雲，最終形成了恆星和星系，暗物質在大尺度纖維狀結構中最密集，在宇宙空洞中最稀疏。大約1億到3億年後，被稱為星族III的第一代恆星形成。這批恆星可能不含金屬，質量體積非常大，發光亮度非常高，但壽命卻非常短。第一代恆星導致了宇宙在2-5億到10億年之間逐漸再電離，並通過恆星核合成作用產生比氦重的元素，並將其撒布到宇宙中。宇宙還含有一種神秘的能量稱為暗能量，其密度不會隨時間而變化。大約98億年後，宇宙已經膨脹到使物質的密度小於暗能量的密度，標誌著當前暗能量主導的時期的開始。在這個時期，暗能量導致宇宙的膨脹不斷加速。

在四個基本相互作用中，引力在天文尺度中佔主導地位。引力效應是累積的，相比之下，正電荷和負電荷的影響往往彼此抵消，使得電磁力在天文尺度上相對微不足道。其餘兩種相互作用，弱和強核力量，隨距離下降非常快，其影響主要局限在亞原子尺度上。

似乎宇宙中的物質比反物質更多，這是一種可能與CP破壞有關的不對稱。物質和反物質之間的這種不平衡是造成當前所有物質存在的部分原因，因為如果在大爆炸產生同樣多的物質和反物質，就會發生相互作用完全湮滅彼此，只留下光子。宇宙似乎也既沒有凈動量，也沒有角動量，如果宇宙是有限的，則遵循公認的物理定律。這些定律是高斯定律和非散度壓力-能量-動量贗張量。

宇宙的大小有點難以定義。根據廣義相對論，由於光速有限和空間不斷膨脹，即使在宇宙的生命周期內，遙遠的空間區域也可能永遠不會與地球附近的空間相互作用。例如，空間的膨脹速度可能快於穿過它的光速，即使宇宙永遠存在，從地球發送的無線電信息可能永遠不會到達空間的一些區域。

假定遙遠的空間區域存在，並且是現實的一部分，但卻永遠無法與其相互作用。可以影響和被影響的空間區域是可觀測的宇宙。可觀測宇宙取決於觀察者的位置。旅行中的觀察者可以接觸比靜止的觀察者更大的時空區域。然而，即使是最快速的旅行者也無法與所有的空間互動。通常，可觀測宇宙是指地球在銀河系中的當前位置觀測到的宇宙部分。在當前時間測量的地球到可觀測宇宙邊緣之間的真實距離為465億光年（140億秒差距），即可觀測宇宙的直徑約為930億光年（280億秒差距）。光從可觀測宇宙邊緣移動到地球距離非常接近宇宙的年齡乘以光速，即138億光年（42億秒差距），但這並不代表任何給定時間地球到可觀測宇宙邊緣之間的距離。因為宇宙膨脹，可觀測宇宙邊緣和地球已經比最初相距更遠。與可觀測宇宙範圍相比，一個典型星系的直徑為3萬光年，兩個相鄰星系之間的典型距離為300萬光年。例如，銀河系的直徑約為10到18萬光年，距離銀河系最近的姐妹星系仙女座星系位於大約250萬光年之外。

因無法觀察可觀測宇宙邊緣以外的空間，所以不知道宇宙的大小是有限還是無限。估計表明，如果整個宇宙是有限的，必須大於可觀測宇宙250倍以上。宇宙的總體大小一些有爭議的。宇宙無邊界的方案認為，如果宇宙有限，其範圍估計值將高達百萬秒差距。

天文學家通過假設ΛCDM模型準確地描述了宇宙從非常均勻、熾熱、密集的原始狀態到其當前狀態的演變，並通過測量構建該模型的宇宙參數來計算宇宙的年齡。該模型在理論上被很好地理解，並且在最近一段時間得到高精度天文觀測數據（如WMAP探測器和普朗克衛星）的支持。擬合的觀測結果通常包括宇宙微波背景輻射各向異性、Ia型超新星的亮度與紅移的關係，以及包括重子聲學振蕩特徵在內的大尺度星系聚集。其他觀測結果，如哈勃常數、星系團丰度、弱引力透鏡和球狀星團年齡，與這些觀測結果基本一致，為模型提供了檢驗，但當前測量的不太準確。假設ΛCDM模型是正確的，通過許多實驗使用各種技術測量參數，根據截至2015年普朗克衛星的觀測數據，可計算出宇宙年齡的最佳值，即137.99±0.21億年。隨著時間的推移，宇宙及其內涵已經演變。例如，類星體和星系的相對分類已經改變，空間本身也擴大了。由於宇宙膨脹，地球上的科學家可以觀測到300億光年外星系發出的光，儘管這些光只飛行了130億年，因為地球與該星系之間的空間已經膨脹。這種膨脹與來自遙遠星系的光發生紅移的觀察結果是一致的，發出的光子在旅程中被膨脹的空間拉伸為更長的波長和較低的頻率。對Ia超新星的分析表明，空間膨脹的速率正在增長。

宇宙中物質越多，物質間相互引力就越強。如果宇宙太密集，那麼會重新坍縮成引力奇點。如果宇宙包含的物質太少，那麼引力就會太弱，星系或行星等天文結構將無法形成。自從大爆炸以來，宇宙一直在單調膨脹。宇宙擁有相當於每立方米5個質子的合適的質能密度也許並不奇怪，因此能夠過去138億年不斷膨脹，為當前觀測到的宇宙的形成提供時間。

此外，科學家發現還有動態的力作用於宇宙中的粒子，影響膨脹速率。1998年以前，由於宇宙引力相互作用的影響，預計膨脹速率會隨著時間的流逝而下降。因此，宇宙中還有一個可觀測量，稱為減速參數，大多數宇宙學家預計該參數為正數，並且與宇宙的物質密度有關。1998年，減速參數由兩個不同的團隊獨立測量為負數，大約為-0.55，這在技術上意味著宇宙尺度因子的第二個導數在過去50-60億年是正數。然而，這種加速度並不意味著哈勃常數（宇宙常數）當前正在增加。

時空是所有物理事件都在上演的競技場。時空的基本要素是事件。在任何給定的時空中，事件被定義為在特定時間上特定位置。時空是所有事件的集合（就像線是它的所有點的集合一樣），正式地組成一個流形。事件（如物質和能量）會彎曲時空。另一方面，彎曲的時空迫使物質和能量以某種方式運行。只考慮其中之一而不考慮另外一個是沒有意義的。

宇宙似乎是一個平滑的時空連續體，由三個空間維度和一個時間維度組成。因此，物理宇宙時空中的事件可以通過一組四個坐標來識別：x、y、z、t。平均而言，觀測到的空間非常接近平坦（曲率接近於零），這意味著歐幾里德幾何體在經驗上是真實，以高精度遍及大部分宇宙。與球體進行類比，時空似乎也具有一種單連通拓撲結構，至少在可觀測宇宙的尺度上是這樣。然而，當前的觀測結果不能排除宇宙有更多的維度（由弦理論等理論假設）以及時空可能有一個多連通全局拓撲的可能性（與二維空間的圓柱形或環形拓撲類比）。宇宙的時空通常從歐幾里德的角度解釋，空間由三個維度組成，被稱為"第四維度"的時間由一個維度組成。通過將空間和時間結合到一個稱為閔可夫斯基空間的單一的流形中，物理學家簡化了大量的物理理論，並以更統一的方式描述了宇宙在超星系和亞原子水平上的工作原理。時空事件不是絕對定義的空間和時間，而被認為是相對於觀察者的運動。閔可夫斯基空間近似於沒有引力的宇宙，廣義相對論的偽黎曼流形用物質和引力來描述時空。

廣義相對論描述了時空如何彎曲和彎曲的質量和能量（引力）。宇宙的拓撲或幾何包括可觀測宇宙的局部幾何體和全局幾何體。宇宙學家通常使用給定的空格一樣（流形）的時空片段，稱為共動坐標。可觀測的時空部分是後向光錐，它劃定了宇宙學視界。宇宙學視界（也稱為粒子視界或光視界）是粒子能在宇宙年齡內抵達觀察者的最遠距離。這個視界表示宇宙的可觀測區域與不可觀測區域之間的邊界。宇宙視界的存在、性質和意義取決於特定的宇宙模型。決定宇宙理論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除以該密度的臨界值。根據Ω是否等於、小於或大於 1，對應三個可能的幾何形狀之一，分別被稱為平坦的、開放的和封閉的宇宙。

包括宇宙背景探測器（COBE）、威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）和宇宙微波背景輻射的普朗克地圖在內的觀測數據，表明宇宙在有限年齡範圍內是無限的，正如弗里德曼-勒馬埃特雷-羅伯遜-沃克（FLRW）模型所描述的那樣。因此，這些FLRW模型支持暴脹模型和宇宙學標準模型，描述了當前由暗物質和暗能量主導的平坦、均勻的宇宙。

宇宙可能會被微調。微調宇宙假說是一個命題，即只有某些宇宙基本物理常數位於非常狹窄的值範圍內，才可能允許宇宙出現生命的條件。因此，如果幾個基本常數中的任何一個只是略有不同，宇宙就不太可能有利於物質生成、天文結構、元素多樣性或可理解宇宙的生命的產生和發展。哲學家、科學家、神學家和創造論的支持者都討論過這一命題。

宇宙幾乎完全由暗能量、暗物質和普通物質組成。其他包括電磁輻射（估計占宇宙總能量的0.005%或接近0.01%）和反物質。在宇宙的歷史中，所有類型的物質和能量的比例都發生了變化。在過去20億年中，宇宙中產生的電磁輻射總量減少了。當前包括原子、行星、恆星、星系和生命在內的普通物質僅占宇宙質能總量的4.9%。當前這類物質的總體密度非常低，大約為4.5×10g/cm³，相當於每4立方米體積中只有一個質子的密度。暗能量和暗物質的性質是未知的。暗物質是一種尚未被確認的神秘物質形式，占宇宙總量的26.8% 。暗能量是來自虛無空間的能量，它導致宇宙的膨脹加速，占宇宙總量的68.3%

普通物質、暗物質和暗能量在超過3億光年左右的尺度上均勻地分佈在整個宇宙中。然而，在較小的尺度上，物質往往按層級聚集，絕大多數原子聚集成恆星，絕大多數恆星聚集形成星系，絕大多數星系聚集形成超星系團，最後是大尺度纖維狀結構。可觀測宇宙包含超過2萬億（10）個星系，總體而言，估計有超過1億億億（10）顆恆星（比地球上所有的沙粒都多）。典型星系中的恆星數量範圍從只有幾千萬（10）顆恆星的矮星系到擁有數萬億（10）顆恆星的巨星系。銀河系位於本星系群中，而本星系群又位於拉尼亞凱亞超星系團中。這個超星系團跨越5億光年，而本星系群跨越1000萬光年。宇宙空洞是宇宙中相對空虛的廣闊區域，位於較大的天文結構之間，其直徑通常為1000萬–1.5億秒差距（3300 萬-4.9 億光年）。已測量到的最大宇宙空洞跨越18億光年（5.5億秒差距） 。

可觀測的宇宙在比超星系團大得多的尺度上是各向同性的，這意味著宇宙的統計屬性在從地球上觀察到的所有方向上是相同的。宇宙沐浴在高度各項同性的微波輻射中，相當於大約2.72548開爾文的熱平衡黑體光譜。大尺度宇宙是均勻的和各向同性假設被稱為宇宙學原理。一個既均勻的和各向同性的宇宙從所有觀察點看都是一樣的，沒有中心。

宇宙膨脹加速的原因仍然難以捉摸，這通常歸因於暗能量。暗能量是一種被假設為滲入空間中的未知能量形式。在質能等價的基礎上，暗能量的密度（約7×10 g/cm³）比星系內普通物質或暗物質的密度要低得多。然而，在當前的暗能量時期，它主宰著宇宙的質能，並且它在空間之中是均勻的。

暗能量的兩種擬議形式是宇宙常數和標量場。宇宙常數以恆定的能量密度均勻的填充空間，標量場能量密度可能因時間和空間而動態變化。標量場的貢獻通常也包括在宇宙常數中。公示化表達的宇宙常數相當於真空能量。僅具有少量空間不均勻性的標量場將很難與宇宙學常數區分開。

暗物質是一種假設物質，對整個電磁波譜都是不可見的，但卻佔了宇宙物質的大部分。暗物質的存在和性質是因為它對可見物質、輻射和宇宙大尺度結構的引力作用而推斷的。除了中微子被認為是一種熱暗物質，其他暗物質特別是冷暗物質還沒有被直接探測到，因此它成為現代天體物理學中最大的謎團之一。暗物質既不發射也不吸收光（或任何其他在顯著水平的電磁輻射）。據估計，暗物質占宇宙總質能的26.8%，占宇宙總物質的84.5%。

宇宙剩餘4.9%的質能是普通物質，即原子、離子、電子和它們所形成的物體。物質包括恆星（產生幾乎所有從星系發出的光）、行星、星際和星系際介質中的氣體，以及日常生活中可以碰到，觸摸或擠壓到的所有物體。事實上，宇宙中絕大多數普通物質是看不見的，因為星系和星系團內的可見恆星和氣體僅占普通物質的10%。普通物質通常存在四種物質狀態（相）：固體、液體、氣體和等離子體。然而，實驗技術的進步揭示了其他之前處於理論階段的物質狀態，如玻色-愛因斯坦凝聚態與費米子凝聚態。

普通物質由兩種基本粒子組成：夸克和輕子。例如，質子由兩個向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，電子是一種輕子。原子由原子核組成，由質子和中子組成，電子圍繞原子核運行。由於原子的絕大多數質量集中在其原子核中，而核由重子組成，天文學家經常使用“重子物質”一詞來描述普通物質，儘管這種重子物質中有一小部分是電子。

大爆炸后不久，原始質子和中子由早期宇宙的夸克-膠子等離子體形成，溫度低於兩萬億度后冷卻。幾分鐘后，在一個稱為大爆炸核合成的過程中，原子核由原始質子和中子形成。這種核合成形成了較輕的元素，即原子序數小於鋰和鈹的元素，但較重元素的丰度隨著原子序數的增加而急劇下降。此時可能已形成一些硼，但下一個更重的元素——碳並沒有大量形成。由於宇宙膨脹，溫度和密度迅速下降，大爆炸核合成在大約20分鐘后關閉。此後，恆星核合成和超新星核合成過程形成了較重元素。

普通物質和對物質作用的力可以用基本粒子來描述。這些粒子有時被描述為基本的，是因為它們有一個未知的子結構，而且不知道是否由更小甚至更基本的粒子組成。標準模型是一個核心問題，它涉及電磁相互作用和弱相互作用與強相互作用。標準模型由實驗確認存在構成物質的粒子支持：夸克和輕子及其相應的反物質，以及傳遞基本相互作用的作用力粒子：光子、W及Z玻色子、膠子。標準模型預測了最近發現的希格斯玻色子的存在，這種粒子是宇宙中能夠賦予粒子質量的一種場的表現。由於成功地解釋了各種各樣的實驗結果，標準模型有時被視為"萬物理論"。標準模型尚不能容納引力，一個真正的作用力粒子"萬物論"尚未實現。

● 強子是一種由夸克構成的複合粒子，由強相互作用聚集在一起。強子被分為兩個家族：由三個夸克構成的重子（如質子和中子），和由一個夸克和一個反夸克組成的介子（如π介子）。在強子中，質子是穩定的，在原子核內被約束的中子也是穩定的。其他的重子在一般條件下是不穩定的，因此是現代宇宙中微不足道的成分。從大爆炸后約10秒開始的重子時期，宇宙的溫度已經下降到足以使夸克結合成重子，而且當時宇宙的質量則由重子主宰。最初的溫度足夠高，可以形成重子/反重子對，使物質和反物質保持熱平衡。然而，隨著宇宙溫度的不斷下降，重子/反重子對不再產生。絕大多數的重子/反重子在粒子/反粒子湮滅反應中被消耗，因此在宇宙誕生大約一秒后只留下少量的重子。 

● 輕子是一個基本的半整數自旋的粒子，不經歷強相互作用，但受制於泡利不相容原理，同一種類的兩個輕子不能同時處於完全相同的狀態。存在兩個主要的輕子類別：帶電的輕子（也稱為電子樣輕子）和中性輕子（更廣為人知的是中微子）。電子是穩定的，是宇宙中最常見的帶電輕子，而μ子和τ子是不穩定粒子，在高能碰撞中產生後會迅速衰變。典型的高能碰撞例如宇宙射線或粒子加速器。帶電的輕子可以與其他粒子結合，形成各種複合粒子，如原子以及一個電子與一個正電子組成的電子偶素。電子控制著幾乎所有的化學過程，因為它存在於原子中，並且直接與所有的化學性質有關。中微子很少與任何東西相互作用，因此很少觀察到。中微子流遍整個宇宙，但很少與普通物質相互作用。輕子時期處於宇宙進化早期，當時輕子主宰著宇宙的質量。輕子時期開始於大爆炸后大約1秒，在大多數的重子/反重子在重子時代結束時互相湮滅之後。在輕子時期，宇宙的溫度仍然高到足夠以產生輕子/反輕子對，因此輕子/反輕子處於熱平衡狀態。大爆炸后大約10秒，宇宙的溫度已經下降到不再能產生輕子/反輕子對。大多數輕子和反輕子隨後在湮滅反應中被消耗，留下少量的輕子殘留物。之後宇宙進入光子時期，宇宙的質量被光子所支配。 

● 光子是光和所有其他形式電磁輻射的量子。光子是電磁力的力載體，即便通過虛光子（虛粒子）交換處於靜態也是如此。這種力的影響在微觀和宏觀層面很容易觀察到，因為光子靜質量為零，這允許光子長距離相互作用。與所有基本粒子一樣，光子用量子力學解釋得最好的，並表現出波粒二象性，即同時具有波和粒子的雙重性質。大多數輕子/反輕子在輕子時代結束時被湮滅，隨後大爆炸后約10秒進入了光子時期。原子核是在光子時代的最初幾分鐘的核合成過程中創造的。在光子時代的剩餘時間裡，宇宙是一團包含著原子核、電子和光子的炙熱、緻密的等離子體。大爆炸后約38萬年，宇宙的溫度下降到原子核可以與電子結合產生中性原子。因此，光子不再與物質頻繁相互作用，宇宙變得透明。這個時期產生的光子高度紅移形成了宇宙微波背景輻射。宇宙微波背景輻射中可檢測到的溫度和密度的微小變化，是隨後一切結構形成的早期原因。

廣義相對論是阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）於1915年發表的關於引力的微分幾何物理學理論，也是現代物理學對引力的描述，也是當前宇宙模型的基礎。廣義相對論概括了狹義相對論和牛頓萬有引力定律，對引力作為空間和時間（時空）的幾何屬性提供了統一的描述。特別是，時空的曲率與存在的任何物質和輻射的能量和動量直接相關。該關係由愛因斯坦場方程（一個偏微分方程體系）指定。在廣義相對論中，物質和能量的分佈決定了時空的幾何形狀，而時空的幾何形狀又描述了物質的加速度。因此，愛因斯坦場方程的解描述了宇宙的演化。結合對宇宙中物質的數量、類型、分佈的測量，廣義相對論方程描述了宇宙隨著時間的演變。宇宙的最終命運仍然未知，因為它嚴重取決於曲率指數k和宇宙常數Λ。如果宇宙足夠密集，k將等於+1，這意味著整個平均曲率是正的，宇宙最終將在大擠壓中重新坍縮，可能在大反彈后開啟一個新的宇宙。相反，如果宇宙的密度不夠，k等於0或-1，宇宙將永遠膨脹、冷卻並最終到達大凍結和熱寂。現代觀測數據表明，宇宙的膨脹速度並沒有像最初預期的那樣下降，而是在增加。如果這種情況無限期地繼續下去，宇宙最終可能會達到大撕裂的結局。

一些推測性理論提出，當前宇宙只是一組不連續的宇宙中的一個，統稱為多重宇宙，挑戰或增強了有限定義的宇宙。科學的多重宇宙模型不同於模擬現實等概念。美國宇宙學家馬克斯·泰格馬克（Max Tegmark）為科學家為應對各種物理問題而建議，而將不同類型的多重宇宙論模型分成了四類。

● 第一類：這類宇宙和當前宇宙的物理常數相同，但是粒子的排列方式不同，同時這類宇宙也可視為存在於已知宇宙（可觀測宇宙）之外的其他區域。

● 第二類：這類宇宙的物理定律大致和當前宇宙相同，但是基本物理常數不同。

● 第三類（艾弗雷特的多世界詮釋）：根據量子理論，一個事件發生之後可以產生不同的後果，而所有可能的後果都會形成一個宇宙，而此類宇宙可歸屬於第一類或第二類的平行宇宙，因為這類宇宙所遵循的基本物理定律依然和當前宇宙相同。

● 第四類（數學宇宙假說）：這類的宇宙最基礎的物理定律不同於當前宇宙，而基本上到第四類為止，就可以解釋所有可能存在（也就是可想像得到的）的宇宙，一般而言這些宇宙的物理定律可以用M理論構造出來。

宇宙大爆炸是現代宇宙學中最有影響的一種學說。它的主要觀點是認為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期里，宇宙體系在不斷地膨脹，使物質密度從密到稀地演化，如同一次規模巨大的爆炸。起初，無空間、時間，未知原因，空間開始暴漲式出現，振動使得物質誕生，這次大爆炸的反應原理被物理學家們稱為量子物理。大爆炸使空間擴張，宇宙空間不斷膨脹，溫度也相應下降，後來相繼出現宇宙中的所有星系、恆星、行星乃至生命。該理論的創始人之一是伽莫夫。1946年美國物理學家伽莫夫正式提出大爆炸理論，認為宇宙由大約140億年前發生的一次大爆炸形成。上世紀末，對Ia超新星的觀測顯示，宇宙正在加速膨脹，因為宇宙可能大部分由暗能量組成。

最新的研究認為宇宙的直徑為1560億光年，甚至更大。

可觀測的宇宙年齡大約為138.2億年。

天文觀測發現宇宙中眾多星系構成的龐大產物串成絲狀或卷鬚狀網路維繫在一起的，彷彿混沌的“星系際高速公路”。2009年11月，天文學家在宇宙遙遠區域發現了一個巨大的由此前不被人知的星系構成的星系團，其由眾多星系構成的龐大“宇宙網”在茫茫宇宙中蔓延。巨大星系團的發現將幫助天文學家了解潛在的宇宙“骨架”。據美宇航局太空網報道，宇宙這種網狀的基本架構已經確定。法國斯特拉斯堡天文台的天文學家羅德里戈·伊巴塔表示：“當你使用大型天文望遠鏡遙望宇宙時，你的眼前會出現多樣的星系網路，但它依舊有很多謎團尚待我們解開。”宇宙網

根據可反映星系發展狀態的序列號對星系進行了分類，可以粗略地將星系劃分出橢圓星系、透鏡星系、漩渦星系、棒旋星系和不規則星系五種。

恆星是一種由發光球體的等離子體，通過其自身重力保持在一起的天體。離地球最近的恆星是太陽。夜間，從地球上肉眼可以看到許多其他恆星，由於它們與地球之間的距離很遠，因此它們在天空中顯示為多個固定的發光點。從歷史上看，最傑出的恆星被分為星座和星空，其中最亮的星獲得了適當的名稱。天文學家已經彙編了星表，以識別已知星並提供標準化星恆星稱號。大多數恆星從地球上用肉眼看不到，包括我們銀河系之外的所有恆星。

黑洞是一種引力極強的天體，就連光也不能逃脫。由於黑洞中的光無法逃逸，所以人們無法直接觀測到黑洞。然而，可以通過測量它對周圍天體的作用和影響來間接觀測或推測到它的存在。

北京時間2019年4月10日晚9時許，包括中國在內的全球多地天文學組織同步公布了人類首張黑洞“真容”照片。該黑洞位於室女座一個巨橢圓星系M87的中心，距離地球5500萬光年，質量約為太陽的65億倍。它的核心區域存在一個陰影，周圍環繞一個新月狀光環。這一由200多名科研人員歷時10餘年、從四大洲8個觀測點“捕獲”的視覺證據，有望證實愛因斯坦廣義相對論在極端條件下仍然成立。

宇宙這一真實的存在表明它必然存在自身的組織成分以及基本面貌，近年國內學者利用數理方法提出了一個體現宇宙成分量及之基本面的表達式：量項維物基，描繪了以空間…星分子原子粒子……聲熱光磁電力運動為核心的事物體系在宇宙結構層所起的關建作用，顯示以空間……星分子原子粒子…聲熱光磁電力運動為體系的產物是形成宇宙物質和時空存在的基本要素。

2021年1月14日，國家天文台北京-亞利桑那巡天(BASS)團隊和暗能量光譜巡天(DESI)國際合作項目團隊聯合發布最新巨幅宇宙二維天圖，為即將開始的新一代宇宙學紅移巡天鋪平了道路。該宇宙二維地圖覆蓋了兩萬平方度的天空，約為全天球面積的一半，容納了10萬億數碼像素，包含了20億天體。