1．宇宙簡史
由於宇宙包羅了一切，因而隻能有一個宇宙。我們無法通過把它同其他的“宇宙”相比較來檢驗各種宇宙理論。雖然我們可以看到在曆史上比我們附近區域較早的再遙遠的區域，我們也不能觀察到它在某段時間的演化。提出在宇宙出現以前存在著什麼，或宇宙從何處而來這樣的問題是沒有意義的。而且，在談論整個宇宙時，我們必須假定下麵這個幾乎無法證明的假定，即自然定律是處處相同且不隨時間變化的。盡管受到這些限製，我們仍然能夠建立宇宙模型和宇宙可解的曆史；在擬定宇宙模型時我們盡可能地使它們適合我們的觀測結果。
宇宙的尺度問題和它的形狀問題是密切相關的。我們知道，空間本身不一定象歐幾裏得幾何的公理所描述的那樣平坦。宇宙可以是敞開而無限的；當空間的幾何是平坦的或雙曲的，就是這種情形。但是空間也可以是正向彎曲的，而且，如果曲率足夠大，宇宙可以象球麵那樣是自身閉合的。這樣的宇宙是體積有限但沒有邊界的。愛因斯坦的引力理論指出，宇宙的形狀取決於其中物質的密度。密度足夠大時就勢必造成閉合的球狀宇宙。但是，我們既不能肯定宇宙的密度實際上是否大到這種程度，也不能肯定愛因斯坦的模型是否正確。
當我們談論宇宙時，我們通常假定，宇宙基本上是處處均勻的。由此得出下麵這條宇宙學原則：位於宇宙中任何地方的觀察者看到的宇宙圖景是基本相同的。同我們的宇宙有關的一個基本經驗事實是，所有的星係看來都在背離我們而去。星係越遠，它的多普勒紅移越大，因而它的退行速度也越大。這種關係稱為哈勃定律。這條定律可通過假定宇宙不斷膨脹而得到解釋；宇宙的膨脹同一個正在被充氣的氣球的表麵的脹大很相象。不必認為我們處在膨脹的中心。因為空間中所有的點都相對於其餘的點在追行，從而任何地方的觀察者看到的都是相同的情況。哈勃定律使我們能夠計算出宇宙的年齡，辦法是追溯各星係返回原出發點需要的時間。按照這種方法，宇宙的年齡被估計為110－160億年。
已提出兩種主要的宇宙模型。其一，穩慎態模型以完全宇宙學原則為根據；這條原則說，宇宙不僅處處相同，而且不隨時間改變，過去和將來都與現在大致相同。這表明，當星係彼此奔離時，要有物質在恒星際空間不斷地被創造出來，由這些物質形成了新的恒星和星係。這種見解並不比宇宙中所有物質在同一時刻創造出來的看法更為神秘。但是，目前的觀測證據不支持穩恒態理論。
現在，象大爆炸模型這樣的演化的宇宙模型受到歡迎。這種模型提出，宇宙開始時是一個由光子和亞原子粒子構成的極其熾熱而致密的火球。隨著膨脹，這個火球開始變冷。隨著時間的推移，形成了氫原子和一部分氮原子，最後開始凝聚成星係和恒星。這種模型的最令人信服的證據是在射電波段發現了均勻的宇宙背景輻射；這種輻射象是由溫度為3K的黑體發出的。它被認為是原始火球的剩餘輻射，由於宇宙膨脹而使波長拉長了1，000倍。
人們把注意力集中在對下述問題的考慮上：宇宙將無限製地膨脹下去，還是因引力的阻礙作用而終於停止下來，並使各星係重新聚在一起？如果屬於後一種情形，則會引起另一次大爆炸，如此周而複始循環不已。這樣的輪激是振蕩或脈動宇宙模型所假定的。如果屬於前一種情形，宇宙永無止息的膨脹將使自己緩慢地變冷並變得更空曠，直到達到全麵的熱平衡狀態，或稱為熱寂。
2．宇宙的形狀
通常用來描述宇宙的大部分詞語，與其說描述了宇宙的實際情況，無寧說描述的是人類對宇宙的感覺。我們說，宇宙“難以想象之大”或“無限廣闊”，有時還說“象時間本身那樣古老”。這些說法可能是正確的，但它們對於科學推理並不是很有用的。天文學家喜歡更具體、更定量的描述。
怎樣測量宇宙呢？我們一般會認為這隻是一個測量兩個未知點問的距離問題，如測量地球到某顆恒星或銀河係到另一個星係的距離。看來，我們所需要的隻是一根足夠長的量尺——一個比光年或10E6秒差距還要大的長度單位和一架強度大到可望見位於宇宙“盡頭”的遙遠的點的優良望遠鏡就可以了。
我們之所以對此問題得出這個假想的解答，是因為我們不自覺地根據下麵的假定，即我們要測量的是一個平坦表麵。在日常生活中，象在大多數科學研究工作中一樣，我們認為古老的歐基裏德幾何中的概念是正確無誤的。在這種幾何中，三角形的內角和等於180度。彼此平行的直線永不相交。這種幾何是如此普通易懂，所以在我們看來，它是“合乎邏輯”的。
在十九世紀。人們漸漸對這種幾何開始懷疑，猜想它並不是唯一可能的幾何。另一假定可能被證明對宇宙提供了更好的描述。由這些猜想，出現了兩種非歐基裏德幾何：雙曲幾何與橢圓幾何。
橢圓幾何不同於建立在平坦空間的歐基裏德幾何，它是建立在彎曲空間之上的。已證明，橢圓幾何賴以建立的彎曲空間是一個球體的表麵（具有正曲率的空間）。在球麵上兩點間最短的距離即短程線是把整個球麵分成相等兩半的一個大圓。在橢圓幾何中不存在所謂爭行線；球麵上的任何兩個大圓都交會在相對蹺的兩點。三角形的內角和大於180度。例如，連接地球赤道、零子午線及90子午線所構成的三角形的內角和是270度而不是180度。這個斷言對於任何一個具有固定、有限的麵積但沒有邊界的表麵也是正確的。從球麵上某一點出發沿著大圓運動的旅行者最後仍將返回到原來的出發點。
雙曲幾何則是根據具有負曲率的空間概念建立的，一般可用鞍形空間加以說明。按照雙曲幾何的公理，三角形的內角和總小於180度，在某直線外一點可作不止一條直線與之平行。
對於兩維以上空間中的非歐基裏德幾何或者三維以上空間中的任何一種幾何的結果，都是非常難於想象的。不過有一點是清楚的，那就是，我們在解釋宇宙時不需要局限於歐基裏德幾何。例如如果我們認為空間具有球麵的（而非平坦表麵）的性質，我們便會看出，這空間何以能夠既是有限的同時又是無界的。試設想宇宙的形狀好似一個籃球的表麵。並假定有一隻螞蟻在籃球表麵上爬行，那末它的旅程永遠不會有邊界和終點，盡管籃球的大小是固定和有限的。事實上，這樣的宇宙同愛因斯坦的廣義相對論是完全一致的。按照這種理論，不能認為空間和時間是彼此無關的，而是必須把它們看作單一的整體。這整體叫做時空。質量的存在改變了時空時的幾何性質，使後者具有正曲率。可以用光線——它總是滑短程線傳播，來測量宇宙空間的曲率。如果宇宙中的物質密度足夠大，宇宙就會自動閉合，也就是說，它將具有有限的大小。可是，愛因斯坦的方程太一般化了，盡管它被認為是正確的。符合愛因斯坦方程的可能存在的宇宙有無限多種，因此這些方程沒有告訴我們為什麼我們的宇宙正好是它這種樣子。
宇宙究竟是開放的還是閉合的呢？空間有無邊界的？時間有無始終呢？今無人得知這些問題的科學答案。事實上，我們甚至不能十分肯定是否應當提出這樣的問題。
3、大爆炸宇宙學
大爆炸宇宙學是現代宇宙學中最有影響的一種學說，與其它宇宙模型相比，它能說明較多的觀測事實。它的主要觀點是認為我們的宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期裏，宇宙體係並不是靜止的，而是在不斷地膨脹，使物質密度從密到稀地演化。這一從冷到熱，從密到稀的過程如同一次規模很大的爆發。
根據大爆炸宇宙學的觀點，大爆炸的整個過程是：在宇宙的早期，溫度極高，在１００億度以上。物質密度也相當大，整個宇宙體係達到平衡。宇宙間隻有中子、質子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態的物質。但是因為整個體係在不斷膨脹，結果溫度很快下降。當溫度降到１０億度左右時，中子開始失去自由存在的條件，它要麼發生衰變，要麼與質子結合成重氫、氦等元素；化學元素就是從這一時期開始形成的。
溫度進一步下降到１００萬度後，早期形成化學元素的過程結束。宇宙間的物質主要是質子、電子、光子和一些比較輕的原子核。當溫度降到幾千度時，輻射減退，宇宙間主要是氣態物質，氣體逐漸凝聚成氣雲，再進一步形成各種各樣的恒星體係，成為我們今天看到的宇宙。
4．開放與封閉的宇宙
被視為天空燈塔的類星體，是與恒星相似的光源，但卻遠在幾十億光年之外。典型的類星體雖然比任何的銀河係都小，但它卻能散發出巨大的能量，比銀河全部恒星發射的能量還多200倍。現在認為類星體隻是一個黑洞，它的質量比太陽質量大幾億倍，而且在不斷吸收物質，不斷長大，並在周圍引起粒子的噴射。惠勒認為，類星體是活躍黑洞的物理特性最為壯觀的表現。
在宇宙的進化中，黑洞的作用是不相同的。根據愛因斯坦的廣義相對論，對目前膨脹中的宇宙存在兩種可能的命運。如果物質密度超過一定限度，稱為臨界密度，宇宙就停止膨脹並開始收縮；這是封閉宇宙的場麵。如果沒有達到臨界密度，繼續膨脹，我們麵對的是一個開放的宇宙。
在封閉的宇宙中，黑洞不斷吸收物質並且不斷地增大。由於它們越變越大，因此就能找到更近的物質，之後與其他黑洞相撞產生更大的黑洞。最後把宇宙中的物體都吸進去，宇宙中隻剩下它們自己。甚至可以說宇宙像是惟五的一個黑洞。但實際上，封閉的宇宙有一定的年齡，到一定時期就開始收縮，在宇宙成為單一的黑洞之前，封閉的宇宙就會因收縮而毀滅。
在開放的宇宙中，膨脹在無限製地繼續著，由於物質不斷散失和離開，黑洞間相撞的可能性也日益減少。這個掠奪者的命運隻能是在蒸發現象中毀掉。時間呢？長極了。一個黑洞全部蒸發所需的時間是與其質量的三次方成正比。一個質量與太陽相同的黑洞，它消失的時間將是目前宇宙年齡的1054倍。
但對各星係中心的最大的那些黑洞來說，它們在無限膨脹的宇宙中都將全部蒸發。最終留下來的是一個稀薄的、溫度接近絕對零度的宇宙，而殘存焉的隻有質量為零的粒子，如中微子和光子。
5．宇宙中神秘的反物質
1998年6月2日北京時間6時4分在美國肯尼迪航天發射中心，“發現號”航天飛機順利發射升空。“發現號”此行的目的是為了把多國科學家共同研製的大型空間探測器----“阿爾法磁譜議”送入太空以探尋理論上預言的反物質的暗物質。
眾所周知，我們的這個世界是由物質組成的，而物質又是由原子、分子等微觀粒子所構成。反物質則與之相反，它是由原子、分子的反粒子，即反原子和反分子所構成，因此，反物質具有與物質完全相反的性質。
反物質這一要領的提出由來已久，但它首先要從正電子的預言與發現說起。早在1928年，英國物理學家狄拉克在嚐試將20世紀的峽穀個最重要原理----相對論與量子力學結合起來的實踐中就發現了這一現象，並預言了正電子的存在。而所有這一切則是由狄拉克建立的相對論波動方程中得出負能量值的解引起的。狄拉克在對這個方程求解的過程中共得到了4個描述電子內部狀態的解，用以說明電子應當具有4個內部狀態。其中兩個狀態可以用電子的自旋及自身磁矩的存在加以解釋；但對於方程的另兩個附加解的求解過程中得到的負能量值的解得出了離奇的結論。這就是說，如果一個電子真的能夠存在於負能狀態，那麼它不會因與其他粒子相碰撞而逐漸減速並最終停下來，而是將加速得越來越快，直到它的速度等於光速。但是，從相對論方程的分析中很清楚地知道，這種性質是不可能的。由此，狄拉克提出了他著名的假設。