上編宇宙揭秘
宇宙的誕生
人們常常懷著不解之謎，問：宇宙是永遠不變的嗎？宇宙有多大？宇宙是什麼時候誕生的？宇宙中的物質是怎麼來的？等等。
人類當第一次把眼睛投向天空時，他就想知道這浩瀚無垠的天空以及那閃閃發光的星星是怎樣產生的。所以，各個民族，各個時代都有種種關於宇宙形成的傳說。不過那都是建立在想象和幻想基礎上的。今天，雖然科學技術已經有了很大進步，但關於宇宙的成因，仍處在假說階段。歸納起來，大致有以下這麼幾種假說。
到目前為止，許多科學家傾向於“宇宙大爆炸”的假說。這一觀點是由加莫夫和弗裏德曼提出來的。這一假說認為，大約在２００億年以前，構成我們今天所看到的天體的物質都集中在一起，密度極高，溫度高達１００多億攝氏度，被稱為原始火球。這個時期的天空中，沒有恒星和星係，隻是充滿了輻射。後來不知什麼原因，原始火球發生了大爆炸，組成火球的物質飛散到四麵八方，高溫的物質冷卻起來，密度也開始降低。在爆炸兩秒鍾之後，在１００億攝氏度高溫下產生了質子和中子，在隨後的自由中子衰變的１１分鍾之內，形成了重元素的原子核。大約又過了１００００年，產生了氫原子和氦原子。在這１００００年的時間裏，散落在空間的物質便開始了局部的聯合，星雲、星係的恒星，就是由這些物質凝聚而成的。在星雲的發展中，大部分氣體變成了星體，其中一部分因受到星體引力的作用，變成了星際介質。
１９２９年，哈勃對２４個星係進行了全麵的觀測和深入的研究。他發現這些星係的譜線，都存在明顯的紅移。根據物理學中的多普勒效應，這些星係在朝遠離我們的方向奔去，即所謂退行。而且，哈勃發現這些星係退行的速度與它們的距離成正比。所以說，離我們越遠的星係，其退行速度越大。這種觀測事實證明宇宙在膨脹著。那麼，宇宙從什麼時候開始膨脹？已膨脹多久了？根據哈勃常數Ｈ＝１５０千米／（秒·千萬光年），這個意義是：距離我們１０００萬光年的天體，其退行的速度為每秒１５０千米。從而計算出宇宙的年齡為２００億年。也就是說，這個膨脹著的宇宙已存在２００億年了。
２０世紀６０年代，天文學中的四大發明之一的微波背景輻射認為，星空背景普遍存在著３Ｋ微波背景輻射，這種輻射在天空中是各向同性的。這似乎是當年熱大爆炸後遺留下的餘熱。從某種意義上，這也是支持了大爆炸宇宙學的觀點。但是，熱大爆炸宇宙學也有些根本性問題沒解決。如大爆炸前的宇宙是什麼樣？大爆炸是怎麼引起的？宇宙的膨脹未來是什麼格局？
第二種是“宇宙永恒”假說。這種假說認為，宇宙並不是像人們所說的那樣動蕩不定，自從開天辟地以來，宇宙中的星體、星體密度以及它們的空間運動都處在一種穩定狀態，這就是宇宙永恒假說。這種假說是英國天文學家霍伊爾、邦迪和戈爾特等人提出來的。霍伊爾把宇宙中的物質分成以下幾大類：恒星、小行星、隕石、宇宙塵埃、星雲、射電源、脈衝星、類星體、星際介質等，認為這些物質在大尺度範圍內處於一種平衡狀態。就是說，一些星體在某處湮滅了，在另一處一定會有新的星體產生。宇宙隻是在局部發生變化，在整體範圍內則是穩定的。
第三種是“宇宙層次”假說。這種假說是法國天文學家沃庫勒等人提出來的。他們認為宇宙的結構是分層次的，如恒星是一個層次，恒星集合組成星係是一個層次，許多星係結合在一起組成星係團是一個層次，一些星係團組成超星係團又是一個層次。
綜合起來看，以上種種假說雖然說明了模式的部分道理，但還是缺乏概括性，還有繼續探討的必要。
１.大爆炸說
我們的宇宙有起源嗎？如果有起源，它來自哪裏呢？
早在１９２７年，比利時天文學家勒梅特就指出，宇宙在早期應該處於非常稠密的狀態。１９３２年，勒梅特進一步提出，宇宙起源於被稱為“原始原子”的爆炸。１９４８年，美國科學家伽莫夫、阿爾弗、赫爾曼提出了“熱大爆炸宇宙學”，認為宇宙開始於“原始火球”的一次巨大爆炸，在這個過程中，碎片不斷在空間中自身膨脹。
伽莫夫等人建立這一理論的最初目的，是為了說明宇宙中元素的起源的。因此他們將宇宙膨脹和元素形成聯係起來，提出了元素的大爆炸形成理論。按照這一理論，宇宙大爆炸初期生成的氦豐度為３０％，而由恒星內部核合成的氦豐度隻有３％～５％。其餘的氦豐度隻能來自宇宙大爆炸的核合成，從而證實了熱大爆炸宇宙學的理論預言。
熱大爆炸宇宙學認為，宇宙膨脹是按“絕熱”的方式進行的，宇宙是從熱到冷演變的。在宇宙早期，輻射和物質的密度都很高，光子經過很短的路程就會被物質吸收或散射，然後物質再發射出光子，輻射和物質頻繁地相互作用。宇宙對輻射是不透明的，達到熱平衡狀態，輻射符合黑體輻射的規律。當宇宙溫度下降到大約３０００Ｋ時，質子與電子結合成氫原子，對輻射的連續吸收大大減少，物質跟輻射幾乎不再相互作用了，宇宙對輻射變得透明，光子可以在空間自由地穿行。宇宙的熱輻射主要是可見光和紅外線。時至今日，由於宇宙膨脹帶來的紅移，使溫度為３０００Ｋ的宇宙輻射的最大強度移到微波波段，稱為宇宙微波背景輻射。阿爾弗等人計算出與微波背景輻射相對應的溫度為５Ｋ左右。１９６５年，美國科學家彭齊亞斯和威爾遜在７.３５厘米波長上，接收到了各方向的來自宇宙的微波噪音，噪聲的信號強度等效於溫度為３.５Ｋ的黑體輻射。微波背景輻射的發現，有力地支持了熱爆炸宇宙模型。因此，大爆炸宇宙學得到大多數科學家的認同。
２.無中生有
１９４８年後期，英國科學家邦迪·戈爾德和霍伊爾建立了一種模型，這一模型建立在完全宇宙學原理之上，即除了宇宙是均勻的、各向同性的假設之外，還增加了宇宙不隨時間變化的假設。在這種宇宙模型中，宇宙是無限的，沒有開端也沒有終結，而且一直保持同樣的狀態。無論在什麼地方，在什麼時候，觀測者看到的宇宙總是相同的。這種宇宙模型中，宇宙起源的問題是不存在的。麵對宇宙膨脹的事實，怎樣能使宇宙的狀態不變呢？邦迪等人認為，宇宙中不斷產生新的物質，其產生率和因宇宙膨脹造成的密度減小度相等，從而使宇宙物質密度保持恒定，不隨時間變化。這種模型叫做穩恒態宇宙模型。
新的物質是從哪裏產生的呢？他們主張，新的物質並不是由能量轉化而來，而是從虛無中產生的，這也等於承認能量也是從虛無中產生的。按照穩恒態宇宙模型，每立方米的空間體積內，每１０９年產生一個氫原子。這個數值太小了，無法由觀測驗證，此外它也違背了一些普遍適用的守恒規律，如物質守恒定律和能量守恒定律等。從觀測角度看，類星體的空間分布表明，過去的類星體比現在多得多，而穩恒宇宙模型主張類星體的數目任何時候都一樣，這和觀測事實不符。此外，這個模型也難以解釋宇宙微波背景輻射。
３.暴脹宇宙學
由於大爆炸宇宙學得到觀測事實，如星係紅移或宇宙膨脹，３Ｋ宇宙微波背景輻射以及氘和氦的豐度的證實，因此已被大多數科學家承認，稱為標準宇宙模型。
但是，這個學說也有些難以解決的困難，如（１）奇點問題。即原始火球的溫度和密度均為無限大，這是物理學中很難接受的。（２）均勻性問題。觀測表明，微波背景輻射之間應當是有聯係的，但大爆炸將宇宙各部分迅猛撕裂開，不允許有這種聯係。（３）平直性問題。標準宇宙模型認為宇宙空間曲率可能有正、負、零三種，但各種測量宇宙物質平均密度的方法，所得出的值均接近於臨界密度，即宇宙空間曲率很小，接近於零。這是偶然的嗎？為什麼會這樣呢？（４）磁單極子問題。標準宇宙模型中大統一理論認為，應當產生的磁單極子非常多，但我們並沒有探測到任何磁單極子。（５）小尺度不均勻性問題。即星係形成及星係的非均勻分布問題。
１９７９年～１９８１年，美國科學家古思、溫伯格和威爾茨克三人提出暴脹宇宙學理論。這個學說認為，在大爆炸後不到１０－３５秒的瞬間，宇宙迅速膨脹，故稱為暴脹。暴脹持續了１０－３２秒，但在此非常短的時刻內，宇宙的體積卻以指數式增大了１０４３倍!
在暴脹宇宙模型中用以描述時空的場，既不是磁場或引力場，也不是描述物質的場，而是用具有類似真空性質的所謂希格斯場。希格斯場能夠產生不穩定性，這些不穩定性觸發時空猛烈迅速膨脹。如果認為大爆炸以前宇宙就是希格斯場的形式，就可能避開奇點問題。其次，在暴脹宇宙模型中，膨脹很快，但具有相互聯係的範圍迅速變大，從而解決了均勻性問題。第三，暴脹宇宙模型中的宇宙比標準模型中的宇宙要大得多，因而看上去要平直得多，從而解釋了為什麼宇宙是平直的問題。第四，大統一理論認為磁單極子是在“對稱相”轉變為“非對稱相”的過程中產生的，產生的數量與相轉變速度成正比例，暴脹宇宙模型中相轉變比較緩慢，因而磁單極子也較少。第五，這種學說認為引力強度在宇宙暴脹過程中不是恒量，引力強度變化方式與宇宙膨脹的速率有關，並導致宇宙膨脹速率減慢。當暴脹階段終了，宇宙過渡到今天所見到的平緩的膨脹狀態，物質分布不均勻現象便產生了。這為解決小尺度上不均勻性指明了方向。
宇宙的大小
宇宙到底有多大？這個問題很專業，但常人要理解也不難，你先把太陽想象成一個南瓜，大約２５００億個南瓜堆成了銀河係，而無數這樣的“南瓜堆”，又分布在一個假想中的“空心球”裏。這個“空心球”的半徑是１.５億公裏，相當於從地球到太陽的距離，即所謂１個“天文單位”，這就是宇宙的大小。而我們的地球在這個體積為９.５億立方公裏的“空心球”裏，不過像一顆綠豆而已。
這個代表宇宙的“空心球”，總共由１億億億億億億億億億億粒子組成，其中每一個星係、每顆恒星和行星以及我們每一個人，就是由這一堆基本粒子組成的。這個有限的宇宙是人類用哈勃望遠鏡看到的，它所觀察到的最遠星係距離我們１５０億光年，再遠點就什麼都看不到了。就跟宇宙中的所有基本粒子能夠數清一樣，至少從理論上說，在一定的時間內我們能看見宇宙中的“最後一顆恒星”。
但這並不意味著那顆最後的恒星上麵寫著一行字：“這是宇宙的盡頭，請往回走”。事實上宇宙空間是有限無界的。我們的地球就是這樣一個有限的空間，你在它的表麵上無論朝哪個方向走，無論走多遠，你都不可能找到地球的“邊界”，地球的體積是有限的，它的半徑不過才６０００多公裏，所以最終你將回到出發點。愛因斯坦的“廣義相對論”說的正是這碼事兒：宇宙中無數巨大星係（就是那些“南瓜堆”）的巨大重力作用，會使整個宇宙空間發生彎曲，最終卷成一個球形，光線沿這個球麵空間的運動軌跡也是彎曲的，並且永遠達不到宇宙的邊界。
這個“空心球”之外又是什麼呢？置身其中的人類至少目前無法回答，隻能請出“上帝”，或者說“上帝”本身就是答案。就連當今世界最傑出的“相對論”專家、劍橋大學的霍金教授也指出，追溯這類終極問題會使人感到，上帝存在的可能性至少有５０％。羅馬教皇保羅二世為此大喜並親自接見了他，同時要求他停止窺視上帝的秘密。但霍金拒絕了，仍孜孜不倦探索宇宙終極奧秘，想給出科學的解釋。
其實你完全可以把自己想象成“上帝”，然後再來觀察這個“空心球”，你就會發現它的體積並非固定不變，而是在不斷膨脹，就像一個被逐漸吹脹的氣體一樣。
“宇宙”這個詞，古已有之。但其含義與今天已大不一樣了。對“宇宙”的認識從自身居住的附近地區到地球，到行星，再到太陽，太陽係，其間經曆了漫長的曆史過程。
到了１８世紀，在人們眼裏，宇宙還隻是太陽係。隨著科學技術的發展，人們認識到：地球不是太陽係的中心，太陽才是太陽係的中心。而太陽也隻是天空中數以萬計的恒星中的一顆。於是，人們心目中的“宇宙”，開始逐漸擴展到了銀河係。到了１８世紀以後，才弄清了太陽隻不過是銀河係中密密麻麻恒星中的一顆。
銀河係直徑約１０萬光年，厚度約１萬光年，太陽繞銀河係中心旋轉一周需２億年。
近代，人們的認識範圍逐漸擴大，人們心目中的“宇宙”已不再是銀河係。人類已經認識到：在銀河係以外，還有許多“河外星係”的存在。
這些“河外星係”離我們很遠，所以即使通過大型的望遠鏡，看到的它們也僅僅是一些模糊的光點。它們也是由千千萬萬顆恒星組成的。
十幾個或幾十個星係在一起組成“星係群”，我們的銀河係就同它周圍的１９個星係組成了一個“星係群”，這個星係群的直徑大約為２６０萬光年。
比“星係群”更高一級的星係組織是“星係團”，它由成百上千個星係組成。“室女星座”裏有一個星係團，包含１０００個以上的星係，離我們大約２０００萬光年。“後發星座”裏，包含了２７００個星係，距離我們大約２億４千萬光年。“北冕星座”裏，有一個包含４００個星係的“星係團”，離我們更遠，光從那裏照射到地球，整整需要７億年之久！
這一個個“星係團”，共同組成了我們的總星係。
通過了解人們認識宇宙的過程，我們已經可以初步來回答“宇宙有多大”這個問題了。人們從自身居住的區域認識到地球，又從地球認識到太陽係，眼界擴大了成百上千倍。從太陽係認識到銀河係，眼界擴大了一億倍，從銀河係認識到總星係，眼界擴大１００００億倍。隨著人們認識的不斷深化，宇宙的大小也在不斷擴大。幾十年前，總星係的半徑還隻有１０億光年，現在卻已達到１００億光年之遙。總星係大小的不斷擴大，還給許多科學家開了一個不小的玩笑。例如鼎鼎大名的愛因斯坦，他曾經“計算”出宇宙的半徑為１０億光年，後來他又修訂了“計算”，認為宇宙的半徑是３５億光年。事實證明，他的宇宙大小的範圍一次又一次被突破了。
那麼，宇宙到底有多大？宇宙是有限的還是無限的呢？
從天文學角度上說，宇宙是有限的，宇宙的大小，實際可以認為是總星係的大小，是一個以一定長度為半徑的有限的時間和空間範圍。總星係是目前天文學所能探測到的最遠的世界。目前，人們對宇宙的認識隻能局限於總星係。從哲學角度上說，從哲學家發展變化的觀點出發，宇宙不僅在空間上是無限的，在時間上也是無限的。“天地四方曰宇，往古來今曰宙”。正因為宇宙在時間上和空間上的無限，才使得宇宙能夠成為一個統一的整體而存在。
茫茫宇宙，無邊無際。目前認為總星係的半徑為１００億光年，也就是目前我們心目中宇宙的大小。但１００億光年以外，還可能有數不清的星係和星係團，總星係究竟有多大？它的邊緣在哪裏？它的中心又在何方？至今仍然是天文學中的不解之謎。超級大爆炸
２０世紀最大的科學成果之一，就是發現了宇宙正在膨脹，或稱“宇宙大爆炸”。
人們對宇宙的研究是從測量恒星之間的距離開始的，這把“量天尺”就是光譜——遠處恒星射來的光在光譜上向藍色一端移動時，說明它離我們較近，如果向紅色一端移動，則離我們較遠。美國天文學家埃德溫·哈勃正是在測量遙遠天體的距離時驚異地發現，大部分星係發出的光，在光譜上都是向紅色一端移動，這就是“紅移”。這意味著它們都在以飛快的速度，遠離我們而去。當時測出的最高速度竟達每秒３８００公裏，而且星係之間也是越離越遠。不管我們位於哪個星係都會看到，其他星係都在飛速離開我們退行，其速度隨距離的增大而增大。