宇宙是有限的？镜像是无限的？
宇宙是有限的还是无限的？有没有中心？有没有边/有没有生老病死？有没有年龄？这些恐怕是自从有人类活动以来一直被关心的问题。宇宙学——它是从整体角度探讨宇宙结构与演化的天文学分支学科，其主要目的是利用已有的物理定律，或利用一些局部成立的定律，合情理地对宇宙作出推论。
早在20世纪以前就有有关宇宙的记载。西方有关宇宙的研究可以分为四各时期。第一个时期是启蒙时期，主要是远古时代有关宇宙的神话传说。第二个时期是从公元前6世纪到公元前1世纪以至到中世纪（15世纪）为止，那时地心学主宰宇宙学。第三个时期是从16～世纪到17世纪，16世纪哥白尼的日心学说，开始把宇宙学从神话中解放出来，到17世纪，牛顿开辟了了以力学方法研究宇宙学的新经验，形成了经典宇宙学。第四时期，18世纪到19世纪，把研究扩大到银河系和河外星系，为现代宇宙学的发展奠定了基础。作为世界上四大文明古国之一的中国，在天文学方面有着灿烂的历史在天象记载、天文仪器制作和宇宙理论方面都为我们留下了珍贵的记录。
现代宇宙学是从爱恩思坦1917年发表的论文《对广意相对论的宇宙学的考察》开始的，1922～1927年，原苏联数学家佛里得曼（A.Fredmann）、比利时科学家勒梅特（A.G.lemaitre）提出和发展了宇宙膨胀模型。1948年，邦迪（Bondi，H）、哥尔德（Gold,T）、霍伊尔（Huyle,F.）提出完善的宇宙学原理与稳恒的宇宙学原理模型。还有一些宇宙论研究者，把总星系的膨胀同万有引力常数G联系起来，1975年美国范佛兰登认为G正以每年百分之一的速度减少。有人提出了引力常数G的减少是总星系膨胀的原因。
哈勃膨胀、微波辐射、轻元素的合成以及宇宙的测量被认为是现代宇宙学的四大基石。今天的宇宙学研究更依赖于观测技术以及科学水平的提高。这些观测事实都支持了目前流行的大爆炸宇宙学的理论观点
现代宇宙学认为宇宙没有中心。现代宇宙模型中主要有五种模型：牛顿无限、静止宇宙模型、爱恩思坦静态模型、佛里得曼宇宙模型、稳恒态宇宙模型和大爆炸宇宙模型。
美国数学家杰弗里·威克斯的最新宇宙模型令科学界震惊：一个大小有限、形状如同足球的镜子迷宫；宇宙之所以令人产生无边无界的“错觉”， 是因为这个有限空间通过“返转”效应无限重复映现自身。
宇宙是有限的还是无限的？一个争论不休的古老问题。今天，根据天文观察资料和理论分析，多数天文学家都认定宇宙是无限的。
日前，根据美国国家航空航天局（NASA）2001年发射升空的WMAP宇宙微波背景辐射探测器获得的资料，美国数学家杰弗里·威克斯推断，宇宙其实是有限的，相对说来其实并不大，大约只有70亿光年宽度，形状为五边形组成的12面体，有如足球。人们之所以感觉宇宙是无限的，是因为宇宙就像一个镜子迷宫，光线传过来又传过去，让人们发生错觉，误以为宇宙在无限伸展
浅论天文
天文学历史
天文学的起源可以追溯到人类文化的萌芽时代。远古时代，人们为了指示方向、确定时间和季节，而对太阳、月亮和星星进行观察，确定它们的位置、找出它们变化的规律，并据此编制历法。从这一点上来说，天文学是最古老的自然科学学科之一。
古时候，人们通过用肉眼观察太阳、月亮、星星来确定时间和方向，制定历法，指导农业生产，这是天体测量学最早的开端。早期天文学的内容就其本质来说就是天体测量学。从十六世纪中期哥白尼提出日心体系学说开始，天文学的发展进入了全新的阶段。此前包括天文学在内的自然科学，受到宗教神学的严重束缚。哥白尼的学说使天文学摆脱宗教的束缚，并在此后的一个半世纪中从主要纯描述天体位置、运动的经典天体测量学，向着寻求造成这种运动力学机制的天体力学发展。
十八、十九世纪，经典天体力学达到了鼎盛时期。同时，由于分光学、光度学和照相术的广泛应用，天文学开始朝着深入研究天体的物理结构和物理过程发展，诞生了天体物理学。
二十世纪现代物理学和技术高度发展，并在天文学观测研究中找到了广阔的用武之地，使天体物理学成为天文学中的主流学科，同时促使经典的天体力学和天体测量学也有了新的发展，人们对宇宙及宇宙中各类天体和天文现象的认识达到了前所未有的深度和广度。
天文学就本质上说是一门观测科学。天文学上的一切发现和研究成果，离不开天文观测工具——望远镜及其后端接收设备。在十七世纪之前，人们尽管已制作了不少天文观测仪器，如中国的浑仪、简仪，但观测工作只能靠肉眼。1608年，荷兰人李波尔赛发明了望远镜，1609年伽里略制成第一架天文望远镜，并作出许多重要发现，从此天文学跨入了用望远镜时代。在此后人们对望远镜的性能不断加以改进，以期观测到更暗的天体和取得更高的分辨率。1932年美国人央斯基用他的旋转天线阵观测到了来自天体的射电波，开创了射电天文学。1937年诞生第一台抛物反射面射电望远镜。之后，随着射电望远镜在口径和接收波长、灵敏度等性能上的不断扩展、提高，射电天文观测技术为天文学的发展作出了重要的贡献。二十世纪后50年中，随着探测器和空间技术的发展以及研究工作的深入，天文观测进一步从可见光、射电波段扩展到包括红外、紫外、X射线和γ射线在内的电磁波各个波段，形成了多波段天文学，并为探索各类天体和天文现象的物理本质提供了强有力的观测手段，天文学发展到了一个全新的阶段。而在望远镜后端的接收设备方面，十九世纪中叶，照相、分光和光度技术广泛应用于天文观测，对于探索天体的运动、结构、化学组成和物理状态起了极大的推动作用，可以说天体物理学正是在这些技术得以应用后才逐步发展成为天文学的主流学科。
人类很早以前就想到太空畅游一番了。1903年人类在地球上开设了第一家月亮公园。花50美分就能登上一个雪茄状、带翼的车，然后车身剧烈摇晃，最后登上一个月亮模型。
同一年，莱特兄弟在空中哒哒作响地飞行了59秒，同时一位名为康斯坦丁·焦乌科夫斯基、自学成才的俄罗斯人发表了题为《利用反作用仪器进行太空探索》的文章。他在文内演算，一枚导弹要克服地球引力就必须以1．8万英里的时速飞行。他还建议建造一枚液体驱动的多级火箭。
50年代，有一个公认的基本思想是，哪个国家第一个成功地建立永久性宇宙空间站，它迟早就能控制整个地球。冯·布劳恩向美国人描述了洲际导弹、潜艇导弹、太空镜和可能的登月旅行。他曾设想建立一个经常载人的、并能发射核导弹的宇宙空间站。他说：“如果考虑到空间站在地球上所有有人居住的地区上空飞行，那么人们就能认识到，这种核战争技术会使卫星制造者在战争中处于绝对优势地位。
1961年，加加林成为进入太空的第一人。俄国人用他说明，在天上飞来飞去的并不是天使，也不是上帝。美国约翰·肯尼迪竞选的口号是“新边疆”。他解释说：“我们又一次生活在一个充满发现的时代。宇宙空间是我们无法估量的新边疆。”对肯尼迪来说，苏联人首先进入宇宙空间是“多年来美国经历的最惨痛的失败”。唯一的出路是以攻为守。1958年美国成立了国家航空航天局，并于同年发射了第一颗卫星“探险者”号。1962年约翰·格伦成为进入地球轨道的第一位美国人。
许多科学家本来就对危险的载人太空飞行表示怀疑，他们更愿意用飞行器来探测太阳系。
而美国人当时实现了突破：三名宇航员乘“阿波罗号”飞船绕月球飞行。在这种背景下，计划在1969年1月实现的两艘载人飞船的首次对接具有特殊的意义。 补充回答： 20世纪的80年代，苏联的第三代空间站“和平”号轨道站使其航天活动达到高峰，都让美国人感到眼热。“和平”号被誉为“人造天宫”，1986年2月20日发射上天，是迄今人类在近地空间能够长期运行的唯一载人空间轨道站。它与其相对接的“量子1号”、“量子2号”、“晶体”舱、“光谱”舱、“自然”舱等舱室形成一个重达140吨、工作容积400立方米的庞大空间轨道联合体。在这一“太空小工厂”相继考察的俄罗斯和外国宇航员有106名，进行的科考项目多达2.2万个，重点项目600个。
在“和平”号进行的最吸引人的实验是延长人在太空的逗留时间。延长人在空间的逗留时间是人类飞出自己的摇篮地球、迈向火星等天体最为关键的一步，要解决这一难题需克服失重、宇宙辐射及人在太空所产生的心理障碍等。俄宇航员在这方面取得重大进展，其中宇航员波利亚科夫在“和平”号上创造了单次连续飞行438天的纪录，这不能不被视为20世纪航天史上的一项重要成果。在轨道站上进行了诸如培养鹌鹑、蝾螈和种植小麦等大量的生命科学实验。
如果将和平号空间站看作人类的第三代空间站，国际空间站则属于第四代空间站了。国际空间站工程耗资600多亿美元，是人类迄今为止规模最大的载人航天工程。它从最初的构想和最后开始实施既是当年美苏竞争的产物，又是当前美俄合作的结果，从侧面折射出历史的一段进程。
国际空间站计划的实施分3个阶段进行。第一阶段是从1994年开始的准备阶段，现已完成。这期间，美俄主要进行了一系列联合载人航天活动。美国航天飞机与俄罗斯“和平”号轨道站8次对接与共同飞行，训练了美国宇航员在空间站上生活和工作的能力；第二阶段从1998年11月开始：俄罗斯使用“质子－K”火箭把空间站主舱——功能货物舱送入了轨道。它还担负着一些军事实验任务，因此该舱只允许美国宇航员使用。实验舱的发射和对接的完成，将标志着第二阶段的结束，那时空间站已初具规模，可供3名宇航员长期居住；第三阶段则是要把美国的居住舱、欧洲航天局和日本制造的实验舱和加拿大的移动服务系统等送上太空。当这些舱室与空间站对接后，则标志着国际空间站装配最终完成，这时站上的宇航员可增至7人。 补充回答： 美、俄等15国联手建造国际空间站，预示着一个各国共同探索和和平开发宇宙空间的时代即将到来。不过，几十年来载人航天活动的成果还远未满足他们对太空的渴求。“路漫漫其休远兮，吾将上下而求索”，人类一直都心怀征服太空的欲望和和平利用太空资源的决心。1998年11月，人类第一个进入地球轨道的美国宇航员、77岁的老格伦带着他未泯的雄心再次踏上了太空征程，这似乎在告诉人类：照此下去，征服太空不是梦。
浅谈天文学
摘要：
宇宙中有第二个地球吗？宇宙是如何形成的？为什么地球能产生生命？玛雅人为什么会消
失？天文学中的十万个为什么总能勾起人们的求知欲望！天
文
学是一
门最古老的
科学，它一
开始就同
人类
的劳动和生
存密切相关
。它同数学、
物理、化学
、
生物、地
学同为六大
基础学科。
天文学家
观测
从行星、恒
星、星系等
各种天体来的
辐射，小到
星际的分子
，大到整个
宇宙。天文
学家测量
它们
的位置，计
算它们的轨
道，研究它们
的诞生，演
化和死亡，
探讨它们的
能源机制。
由于科技
的不
断发展，人
们对天文学
的定义，研究
对象，研究
范畴，学科
分支，论研
究等方面都
取得了突
破性
的进展。天
文学正朝着
高、精、尖的
方向发展。
我们期待着
天文学的进
一步发展为
科学事业
和人们的社会
生活造福。
天文学是自然科学中的一门基础学科，
它和人类历史同样悠久。
天文学的研究内容和许
多概念总是伴随着人类社会的文明和进步而不断发展的。
在望远镜发明以前，
天文观测采用的是目视方法，
直接观测天体在天空的视位置和视运
动，另外也粗略的估计星星的亮度和颜色。
17
世纪以后相继有了望远镜、分光镜和光度计，
不仅提高了天体位置观测的准确度，而且扩大了人们对宇宙的认识。到了
20
世纪，由于大
口径望远镜的问世，
使得人类探测宇宙的深度和广度与日俱增，
不少模型、
学说由观测得到
证实，新天体、新发现大量涌现。
20
世纪
30
年代以后，人们越来越广泛的使用无线电方法
研究天体和宇宙间的辐射，
从而诞生了射电天文学。
20
世纪
50
年代人造地球卫星发射成功，
人类把观测范围由地面扩展到地外空间，天文学家可以自由地探测天体的各种辐射。现代，
天文空间探测已经有了长足的发展，
人类不仅把望远镜送上天，
而且借助太空飞行器踏上月
球，或把仪器送到其他行星上进行直接观测或实验。
我一直都觉得天文学是一门很神秘的学科，
对于天文学，
我最感兴趣的是以下几个方面：
一、宇宙大爆炸
宇宙大爆炸
(Big Bang)
是一种学说，是根据天文观测研究后得到的一种设想。
大约在
150
亿年前，
宇宙所有的物质都高度密集在一点，
有着极高的温度，
因而发生了巨大的爆炸。
大爆炸以后，物质开始向外大膨胀，就形成了今天我们看到的宇宙。
比利时牧师、
物理学家乔治·
勒梅特
①
首先提出了关于宇宙起源的大爆炸理论，
但他本
人将其称作
“原生原子的假说”
。
这一模型的框架基于了爱因斯坦的广义相对论，
并在场方
程的求解上作出了一定的简化。
描述这一模型的场方程由苏联物理学家亚历山大·
弗里德曼
②
于
1922
年将广义相对论应用在流体上给出。
1929
年，美国物理学家埃德温·哈勃
③
通过
观测发现从地球到达遥远星系的距离正比于这些星系的红移，这一膨胀宇宙的观点也在
1927
年被勒梅特在理论上通过求解弗里德曼方程而提出，
这个解后来被称作弗里德曼
-
勒梅
特
-
罗伯逊
-
沃尔克度规。
哈勃的观测表明，
所有遥远的星系和星团在视线速度上都在远离我
们这一观察点，
并且距离越远退行视速度越大。
如果当前星系和星团间彼此的距离在不断增
大，
则说明它们在过去的距离曾经很近。
从这一观点物理学家进一步推测：
在过去宇宙曾经
处于一个极高密度且极高温度的状态，
在类似条件下大型粒子加速器上所进行的实验结果则
有力地支持了这一理论。
2003
年
2
月
12
日，美国宇航局公布了探测器拍到的宇宙“婴儿期照片”
，为宇宙大
爆炸理
论提供了新的依据。根据这张照片科学家还精确地测量出了宇宙的实际年龄是
137
亿年。
图
片中的微波光线来自宇宙大爆炸后的
38
万年，
大约是在
130
多亿年前。
美国宇航
局的科学家说，
这张照片中可以观测到的辐射是一种电磁波，它充满了整个宇宙。电磁波
里包含的微观模型信息，
显示了形成星系以及我们周围一切结构的萌芽的特征。
这次公开的
宇宙“婴儿期照片”清晰地显示了这个遗迹的存在，有力地支持了宇宙大爆炸理论。另外，
图片还显示宇宙中最早的恒星诞生于宇宙大爆炸发生的
2
亿年后，
比许多科学家认为的要早
得多。宇宙起初是由不断相互影响的粒子和射线所构成的一团炽热且无定形的云状物组成
的：
大爆炸后又过了
40
万年，
宇宙膨胀和冷却到一定程度时，
电子和质子结合成中性原子，
它们再
与周围的射线相互影响。
经过科学研究，
目前被绝大多数人接受的结论是：
宇宙诞生之前，
没有时间，
没有空间，
也没有物质和能量。大约
150
亿年前，在这片四大皆空的
“无”中，一个体积无限小的点爆
炸了。时空从这一刻开始，物质和能量也由此产生，这就是宇宙创生的大爆炸。但，若真是
四大皆空的状态，
那么宇宙为何会爆炸？爆炸后的物质又是从哪里来的？不是说自然界的一
切物质都是守恒的，那么这个宇宙大爆炸是如何无中生有的呢？
二、黑洞
黑洞（
black
hole
）是由一个只允许外部物质和辐射进入而不允许物质和辐射从中逃离
的边界即视界所规定的时空区域。
根据第七节课影片的介绍，
黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程；
恒星的核心在自
身重量的作用下迅速地收缩，
发生强力爆炸。
当一颗恒星衰老时，
它的热核反应已经耗尽了
中心的燃料（氢）
，由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起
外壳巨大的重量。
所以在外壳的重压之下，
核心开始坍缩，
直到最后形成体积小、
密度大的
星体，
重新有能力与压力平衡。
物质将不可阻挡地向着中心点进军，
直至成为一个体积很小、
密度趋向很大。而当它的半径一旦收缩到一定程度（一定小于史瓦西半径
④
）
，巨大的引力
就使得即使光也无法向外射出，
从而切断了恒星与外界的一切联系——
“黑洞”
诞生了。
2010
年
11
月
16
日凌晨
1
点
30
分，美国宇航局宣称，科学家通过美国宇航局钱德拉
X
射线望远
镜在距地球
5000
万光年处发现了仅诞生
30
年的黑洞。
这是有史以来所发现的最年轻的黑洞。
据科学家揣测，
银河系的中心是一个超巨型黑洞。
超巨黑洞位于星系中心，
据推测每个
星系都有，质量一般约为星系总质量的
0.5%
。目前，关于超巨黑洞的形成主要有两种理论。
一种观点认为，
它可能是随着星系的诞生一次性产生的。
但也有推测说，
超巨黑洞是以质量
更小的黑洞为基础形成的，
后者就好比是一些
“种子”
，
随着时间的推移进化成了巨型黑洞。
因为所有的能量都是守恒的，
科学家们提出设想，
既然宇宙中有黑洞，
那么一定存
“白
洞”
。黑洞可以用强大的吸力把任何物体都吸进去，而白洞可以把这些东西都吐出来。科学
家们设想，
黑洞与白洞是连在一起的，
黑洞把物质吸进去，
物质在里面会经过一个叫做
“奇
异点”的东西，然后物质就到达了白洞的“管辖范围”
，会被白洞“吐”出来。然后物质就
到达了另一个宇宙（第一平行宇宙到达第二平行宇宙）
。但是，如果白洞存在，所有的物体
将会以极快的速度离开。
这会是我们这个宇宙形成的原因吗？我们是否就生活在被白洞所抛
出的物质至上呢
?
三、玛雅预言
关于玛雅人预言的
2012
世界末日是我最感兴趣的一个部分。地球上有多处迹象表明玛
雅人曾经生活在这个地球上过，
可是他们为什么消失了？在过去的时间里，
也曾有许多关于
世界末日的说法，
但当所被预言的那一刻真正到来时，
所有的预言就不攻自破了。
那么玛雅
预言也是这样吗？随着
2012
的渐渐来临，
关于玛雅预言的有关事迹、
传闻、
猜测越来越多。
玛雅预言受到了前所未有的关注！
根据玛雅历法的预言传说，
我们所生存的世界，
共有五次毁灭和重生周期——每一周期
即所谓的“太阳纪”
。按照这一传说，现在我们正处在第四个“太阳纪”
，而
2012
年左右将
是“第
5
太阳纪”的开始；并且，当时的玛雅人认为，在每一纪结束时，都会在我们生存的
家园上演一出惊心动魄的毁灭悲剧。
玛雅预言为何会受到如此多的关注呢？
玛雅人认为一个月等于
20
天，
一年等于
18
个月，
再加上每年之中有
5
未列在内的忌日：
一年实际的天数为
365
天，
这正好与现代人对地球自转时程的认识相吻合。
玛雅民族在天文
学方面的成就是十分突出的。
玛雅古国有五大预言：
1
：玛雅文明的终结。也就是他自己的末日，自己预测到了。却
改变不了。
2
：汽车，飞机，火箭的出现时期。
3
：大魔头（希特勒）的出生和死亡的大致时期。
4
：毁灭性战争的爆发时期（一二战）
。
5
：
2012
年
12
月
21
日太阳落下以后。将不会出现。
这五大预言中的前四个都已准确的实现，
如今就差世界末日这一预言。
它会像前四个预
言一样准确的实现吗？
科学家对玛雅预言并不信以为然，
他们首先利用玛雅历法来揭穿所谓的
“世界末日”
预
言。玛雅历法并没有结束于
2012
年，因此玛雅人自己也没有把这一年当作是世界的末日。
不过，
2012
年
12
月
21
日（冬至）肯定是玛雅人的一个重要日子。美国科尔盖特大学考古
天文学家安东尼
-
阿维尼是一名玛雅文化研究专家。阿维尼表示，
“在玛雅历法中，
1872000
天算是一个轮回，即
5125.37
年。
”
玛雅人对于时间的计算比其他许多文化都要精细。
阿维尼介绍说，
玛雅人曾经发明了所
谓的
“长历法”
，
这种历法把最初的计算时间一直追溯到玛雅文化的起源时间，
即公元前
3114
年
8
月
11
日。根据“长历法”
，到
2012
年冬至时，就意味着当前时代的时间结束，即完成
了
5125.37
年的一个轮回。长历法于是重新开始从“零天”计算，又开始一个新的轮回。阿
维尼认为，
“这仅仅是一个重新计时的思想，与我们每年元旦或周一早上重新开始一年或一
周生活完全一样。
”
也有一种这样的说法，地球环境正在遭受前所未有的破坏，
2012
世界末日说纯粹是为
了提醒人类保护地球的重要性。
最近世界总是不太平静，
地震、
暴雨不停侵袭着人类的家园，
造成人类巨大的损失。无论
2012
是否真的存在，我们都应该珍惜每一天的美好生活！
四
、
外星文明
茫茫宇宙中，
地球上的人类建立的文明是微不足道的。
因为地球文明是如此短暂，
人类
开始创造文明才不过几万年，
发展科学技术不过几百年，
探索航天技术不过几十年，
这和地
球年龄的
46
亿年、银河系年龄
100
亿至
150
亿年相比，何异于沧海一粟。因此，我始终坚
信外星人是真实存在的，
他们就在我们的周围，
在某一个星球上，
只是我们的科学技术还不
够发达，我们无法发现对方。
早在
19
世纪，
人们就在想办法和外星文明联系上。
在
20
世纪的四分之一的时间中，
我
们已在不停地用电波轰击太空，现在电波在所有方向上已经传播了
70
光年，覆盖了数千个
恒星系统。
我们可以设想，
某个星球上的智慧生命，
现在已经打开收音机，
正在收听地球上
的一些流行歌曲。
目前科学家一直不懈的努力着、
假设着外星人的一切，
外星人居住的环境或许与地球相
似，
但由于大气比例不同，
他们生活的星球或许比地球高温，
或许比地球潮湿，
或许比地球
压强大。或许那个存在生物的星球的环境真的会像视频中那样，有飞鲸、跟踪鸟、气球草！
天文学的一切以其未知性和不确定性不停的勾起人们的求知欲望。
人们不停假设、
不停
研究，
想要知道宇宙是如何形成的？黑洞究竟是怎么一回事？外星文明是否存在？外星人是
什么模样？在几千年的天文研究中，
我们看到了各种天文学家的努力和人类社会的进步。
从
他们的结论中，我们对自己、对自己居住的环境、对自己的来历有了进一步的了解。
在宇宙中，地球是一个十分年轻的生命，我们还有很长的路要走！
①乔治·爱德华·勒梅特：
1894
年
7
月
17
日—
1966
年
6
月
20
日，比利时牧师、宇宙
学家。
②亚历山大·亚历山大洛维奇·弗里德曼：
1888
年
6
月
16
日－
1925
年
9
月
16
日，苏
联数学家、气象学家、宇宙学家。现代动力气象学的奠基人之一。
1910
年毕业于圣彼得堡
大学。
③埃德温·哈勃：
1889
年—
1953
年，美国天文学家，第一个使用霍尔望远镜的天文学
家。哈勃的研究引导了对宇宙诞生的新研究。
④史瓦西半径：是任何具重力的质量之临界半径。
1916
年卡尔·史瓦西首次发现了史
瓦西半径的存在，一个物体的史瓦西半径与其质量成正比。
我对天文学的
定义、研究方向、研究领域、研
究理论以及矮行星和中子星等
重
要的天体有了
系统的了解。它也丰富了我的知识体系，拓宽
了我的知识面。我期待天
文学取得更大
的进展，也期待我国的科学事业
的发展越来越好。
宇宙是我们这个物质世界的整体，是物理学和天文学的最大研究对象。了解甚至弄清它的性质、结构和演化规律，一直是人类的梦想。可以说，人类试图认识宇宙的历史与人类认识史本身同样古老。但是，要认识整个宇宙实在是太难了，以致在相当长的时间内，只是停留在哲学性的、思辨性的思考上。宇宙学真正成为一门具有现代意义的独立的学科，那还是在近100年内的事。
在半个世纪以前，大多数人对宇宙学还是抱有怀疑态度的。这半个世纪，宇宙学的发展，经历了彷徨、徘徊，经历了数据积累，经历了异军突起，经历了长足进步。时至今日，宇宙学已经成为了一门精确科学，它差不多达到了半个世纪之前粒子物理在人们心目中的地位。正是半个世纪以前，粒子物理领域新现象不断出现、新粒子不断被发现。新的发现触动了物理学的基本问题，就使物理学来了一个重大的飞跃。特别是吴健雄首次实验证明了李政道、杨振宁的理论，推翻了弱作用中的宇称守恒定律，使弱作用的正确机制很快确立。粒子物理成为了当时最前沿、也最活跃的学科。现在的宇宙学已经与半个世纪以前大不一样，它已经被普遍接受，成为了当今最前沿，最活跃的学科之一。宇宙学发展到今天，决非易事，大体上说它已经完成了如下10个里程碑。在通常意义下，里程碑是有明确时序的。我们这里讲的实际上是10件大事，当然也有次序，只是并非严格的次序。大事与大事之间可以有重叠或覆盖，因为一件大事往往有其相当长的时段。称之为里程碑，只在于强调有重要的意义。本文中，我们把宇宙轻核素原初合成、微波背景辐射和大爆炸宇宙学合在一起，作为大爆炸宇宙学的提出与检验一个里程碑，这只是为了叙述连贯，并非降低前二者的作用。事实上，前二者也十分重要，单独列为两个里程碑也完全可以。如果这样，那么总的就有十二个里程碑了。
第一个里程碑：恒星、星系和星系团的发现
人生活在地球上。在地球之外，首先看到的当推太阳，其次是月亮，此外就是众多的星星了。起初，人们弄不清楚太阳、月亮和星星之间是怎样的关系，甚至孰大孰小孰远孰近也一无所知，对宇宙的认识是极为肤浅的。中国古代关于宇宙有三种学说，即盖天说、浑天说和宣夜说。盖天说认为大地是平坦的，天就像一把伞罩着大地。浑天说认为天地像一只蛋，中心是地，周围是天。宣夜说认为天是无限的、虚空的，星辰浮在虚空中。国外，亚里士多德(Aristotle)、托勒密(C. Ptolemy)等人建立的宇宙模型是以地球为中心的(简称地心说)。直到约500年前，哥白尼(N. Copernicus)提出了以太阳为中心的日心说，才推翻了至少统治了1800多年的地心说。这一步极其艰难，哥白尼的著作《天体运行论》直到他临终之前才得以出版面世；伽利略(G. Galileo)因为支持哥白尼的观点而被罗马宗教裁判所囚禁；支持并发展哥白尼观点的布鲁诺(Giordano Bruno)更被烧死在罗马的鲜花广场。这一步却十分重要，地球也就从宇宙中心的宝座上跌了下来，成为宇宙中普通的一员。有了这个认识，地球上的人才获得了客观研究宇宙学的真正资格。
哥白尼走的这一步，十分关键。以太阳为基础来研究宇宙是正确的。有了开头的一步，也就会有接着的一步，并一步一步继续发展下去。布鲁诺进一步提出，宇宙中还有许许多多的太阳。抬头仰望晴朗的夜空，如果空气没有污染，就可以看到满天星斗，可以说这些星星每一个都是像太阳那样的恒星。太阳与地球之间的距离约有1.5亿千米，相当于光走8.3分钟的路程。我们看到的亮的恒星，其实是些离我们很近的星。比如牛郎星，离我们的距离约有16光年(即光走16 年的距离)；织女星，约有27光年。除太阳以外，离我们最近的恒星，叫比邻星，距离约为4.3光年。天上亮星的分布差不多是各向同性的，就是说，仰望天空，向各个方向看到的亮星在天上分布的密集程度都差不多。但是，如果我们只看很暗(也就是较远)的星，就会发现它们的分布不是各向同性，而是集中分布在一个带状区域内的。这个观测特征告诉我们，我们这个太阳系实际上是处在一个呈盘状分布的恒星系统内，离盘中心较远，约有2万6千光年。这个恒星系统就是银河系，它包含有一千多亿颗恒星。
其实，银河系外面还有许许多多类似银河系的恒星系统(称之为星系)。银河系是我们这个地球所在的星系的特别名称。银河系外，最靠近我们的星系是大麦哲伦云和小麦哲伦云，它们离我们的距离约为16万光年。我们现在所能观测到的距离已到百亿光年的尺度。尽管还可看到一些有许多星系组成的星系团，但总的说，星系在宇宙中的分布是比较均匀的。由于星系离我们很远，得用更大的望远镜来观测它们。与恒星呈现的是一个点不同，星系呈现的是一个有限大小的斑。星系的发现使我们走出了银河系，这是走向宇宙的极其重要的一步。
粗略地说，宇宙可以看作以星系为“分子”的均匀气体。由此我们可以总结出一个原理，称作“宇宙学原理”——从大尺度来看，宇宙物质的分布是各向同性的、均匀的；宇宙既没有中心，也没有边缘；观测者从宇宙任何一个地方来看，宇宙的性质、运动和规律都是完全一样的。
观测并研究恒星、星系、星系团是天文学研究的主方向，这个领域的观测数据在不断积累，理论研究也在不断深入。在“宇宙学原理”的基础上，宇宙大尺度结构的各种偏离均匀和偏离各向同性的特征，也已经有了十分丰富的积累。
人们对恒星、星系、星系团的认识积累为宇宙学的研究奠定了第一块里程碑。其实，对恒星、星系、星系团的研究，不仅是天文学研究和宇宙学研究的基本出发点，也是工作量最大而且贯彻始终、不断改进的基础。所以，它不仅是第一块里程碑，也在以后各个里程碑的创建过程中不断起作用。
第二个里程碑：万有引力定律的发现
我们知道，万有引力是牛顿在开普勒(Johannes Kepler，1571年～1630年)对行星运动研究成果的基础上总结得到的。现在我们知道，世界上一共只有4种基本力，即强作用、电磁作用、弱作用和万有引力作用。强作用和弱作用都是短程力，只有在微观世界中才有明显的作用，它们的力程只有10-13厘米甚至更短。电磁作用和万有引力作用的强度与距离的平方成反比，两个物体之间的距离越大，相互作用的力也越弱。但它们都是长程力，而在宇宙中，距离增大，物体也增多，大尺度上总的作用强度是不能忽略的。因此，它们可以在宏观世界甚至宇观世界中起作用。电磁作用的强度比万有引力作用强很多，比如两个质子之间的电磁作用要比它们之间的万有引力作用强1万亿亿亿亿(1036)倍。但是，电荷有正、有负，从大尺度范围来看，正负电荷相消，电磁作用已基本上抵消掉了。所以，从宇宙大尺度来看，实际上只有万有引力才占绝对的支配地位。300多年前，牛顿(I. Newton)发现的万有引力定律为宇宙学的研究铺设了第二块里程碑。
第三个里程碑：广义相对论的创建
宇宙是物质世界的一个整体，宇宙学是研究这个整体的性质、结构、运动和演化规律的学问。宇宙学作为一门科学，也必须建立在观测事实的基础上，并且形成一个系统的逻辑体系。我们该怎样来建立这个体系呢？
人们首先想到用牛顿力学和牛顿时空观来建立这个体系。但是，人们很快发现，不论宇宙有限还是无限，牛顿力学和牛顿时空观均不能作为研究宇宙的一个正确的科学框架。
如果宇宙是有限的，按照牛顿的时空观，它应当占有一个有限的空间。这样一个宇宙，必然有一个中心，也有一个边界。既然有边界，那么，边界之外又是什么？边界之内还是个整体吗？既然有中心，那么，在万有引力作用的支配下，周围物质就会掉向中心附近，物质分布就不会均匀，就无法解释观测支持的“宇宙学原理”。
如果宇宙是无限的，甚至无法解释“夜里为什么天黑”这样一个人人都知道的事实。白天为什么亮？那是因为有太阳。夜里为什么天黑？那是因为没有太阳。可是，夜里还是可以看到许多恒星。太阳也是一颗恒星，只是与其它恒星远近不同。按一颗恒星来讲，因为亮度与距离平方成反比，远的恒星自然看起来暗。但是，远处的恒星数目要多得多，所有星提供的总亮度未必低。特别是，按照宇宙学原理，如果考虑同一距离上的恒星，那么，一个星的亮度与距离平方成反比，而同一距离上的总星数却与距离平方成正比，正比、反比正好相消。因此，每个距离上所有星提供的总亮度是与距离无关的。如果宇宙无限，按照牛顿的时空观，所有距离上的星加起来，亮度应是无限的。夜里天黑的事实与牛顿框架下的宇宙无限相冲突，这就是著名的奥伯斯(Heinrich Olbers)悖论。
奥伯斯悖论来源于亮度与距离的反平方关系。万有引力也有反平方关系，也会出现类似的悖论，如希立格(Hugo von Seeliger)悖论：宇宙中任何一个天体都会对某一物体产生万有引力作用，如果宇宙无限，那么任何方向上的总作用力都是无限大的，这与事实也不符。
1915年，爱因斯坦(A. Einstein)发表了广义相对论，对万有引力理论作出了划时代的变革。牛顿把万有引力看作两个物体之间的超距作用。在爱因斯坦看来，一个物体受另一个物体的万有引力作用而运动，是因为另一个物体由于其质量而改变了周围的空间，使空间弯曲，而这个物体由于处在弯曲空间中才导致了运动。因此，在广义相对论看来，其实没有力，运动只是由于空间弯曲。两年以后，在1917年，爱因斯坦将广义相对论用来研究宇宙，为现代宇宙学提供了正确的研究框架。
那个时候的传统观点是认为宇宙是静止的。但是，爱因斯坦在他的广义相对论引力场方程中却找不到静态的解。道理很简单，因为爱因斯坦的引力场方程也只有引力，没有斥力，在这个情况下是不可能有静态解的。为了得到静态解，爱因斯坦在他的方程中人为地加进了一个具有等效斥力作用的宇宙常数(记作∧) 项，以抗衡引力，从而获得了一个有限而无边，也没有中心的均匀的静态宇宙解。这是第一个具有现代科学意义的宇宙学解，称为爱因斯坦静态宇宙模型。
爱因斯坦模型有个缺点——不稳定。即使爱因斯坦得到了一个在某个时刻处于静止状态的宇宙，它也经不起扰动。设想某个时刻宇宙有一个扰动，使它稍微膨胀了一点儿，那么，它的所有天体与天体之间的距离就略有增大，导致万有引力减小而更有利于膨胀；如果使它稍微收缩了一点儿，那么，它的所有天体之间的距离就略有减小，导致万有引力增大而更有利于收缩，因而不可能保持静止状态。为了解决这个问题，1922年，弗利德曼(A. Friedmann)放弃了爱因斯坦的静态假设，考虑一个动态的宇宙。假设宇宙原本就处在膨胀状态或者收缩状态，这时就没有静态宇宙的那种不稳定性。宇宙究竟在膨胀还是在收缩，得由观测来确定。
第四个里程碑：宇宙膨胀的发现
1929年，哈勃(E. Hubble)发现，远处星系的每一条光谱谱线的波长都比实验室内测得的同一条谱线的标准波长要长，即光显得偏红了，而且这种波长变长的程度(指波长增长量与标准波长之比，称作红移)正比于星系离我们的距离。红移与距离的比例系数通常记为H0/c，H0为哈勃常数(它对不同距离是常数，但对不同时间却不是常数)，c为光速。这个关系给我们提供了一个利用测量红移来确定遥远星系离我们的距离的有效方法。
如果把这个红移看作由多普勒效应引起，那么红移表示的是星系在离我们远去，而且，愈远的星系离我们而去的退行速度愈大。哈勃非常敏锐地指出，“ 愈远的星系离我们而去的退行速度愈大”正好表现了宇宙正在膨胀，因为波长增长正是波长随着宇宙空间尺度膨胀而被拉长的自然表现。值得指出的是，宇宙膨胀并不是只指各个星系在离我们而远去。这种膨胀在宇宙各处都是一样的，各处的星系都在均匀地相互远去。这是天文学上头等重大的发现。这个发现支持了弗里德曼动态宇宙的观点。
应当注意，多普勒效应和宇宙膨胀是对红移的两种完全不同的解释，是两种完全不同的物理机制。究竟哪一个对，需要由观测来检验。事实上，宇宙膨胀现在已经被确认。天体在宇宙中参与了两种完全不同的运动：一种是天体在空间中的运动，即天体相对于空间在作运动；另一种是空间本身的膨胀运动，此时天体即使相对于空间并无运动，它也会随着空间膨胀而被带动。多普勒效应描写的是前者，宇宙膨胀描写的是后者。前者是通常的力学运动，受到狭义相对论的约束，运动速度不能超光速；后者不代表天体在空间中的运动，是可以超光速的。对于宇宙大尺度上的星系运动，星系在空间中的本动速度一般是很小的，星系基本上可以看作静止在空间中，因此星系主要是随着宇宙膨胀而运动，这种运动也叫作哈勃流。所以，宇宙学红移不是多普勒效应所致，而是来源于宇宙膨胀。多普勒效应只能描述在哈勃流背景上微小的本动起伏。
虽然哈勃的发现仍然没有确定宇宙在空间上究竟有限还是无限，但却可以确定在时间上是有限的，即宇宙有个诞生的时刻。假定宇宙膨胀是等速的，我们就可以按此速度倒算回去，总有一天宇宙会收缩到密度、温度都是无穷大的状态，那就是宇宙诞生的时刻。有了生日，就可以求出每个时期的年龄，通常把这样求得的宇宙年龄称为“哈勃年龄”。它是以宇宙等速膨胀为假设前提的，当然，宇宙膨胀不可能是等速的。由于膨胀会使星系与星系之间的距离增大，而万有引力使星系与星系之间相互拉住，它对膨胀起阻力作用，因此宇宙的膨胀只能是减速的。就是说，倒算回去时，宇宙将越来越快地收缩到起点。因此，“哈勃年龄”虽然不是宇宙的真正年龄，却可以看作是宇宙真正年龄的上限。它等于1/H0。
当然，哈勃那时只测得了一些低红移(即不太远)的星系，对应的退行速度也远小于光速。如果按多普勒效应作解释，那么当红移趋于无穷时，退行速度应趋于光速(不能超过光速)。如果按宇宙膨胀作解释，那么退行速度将不受光速的限制，可以存在超光速的膨胀速度。定量地说，在膨胀宇宙中，当星系退行速度达到光速时，红移还只有约1.5，而今天的天文学家观测到红移超过1.5的星系(它们都是以超光速退行的)恐怕已在1000个以上。
星系退行速度低于光速时，距离的一个上界是哈勃距离，它是哈勃年龄与光速的乘积。只要距离足够大，超过了哈勃距离，星系退行速度就会超光速。我们真的能观测到遥远的以超光速退行的星系吗？我们真的能观测到比哈勃距离还远的星系吗？不妨设想一个比哈勃距离远的星系发出了一个光子，朝向观测者运动。这个光子相对于它所在的空间以光速朝向观测者运动，但是它所在的空间却以超过光速的速度退行，这个光子不可能跟上空间的膨胀，作为光源的星系也就无法被观测到。但是，哈勃常数随时间变化，哈勃距离随时间而增大。所以，这个光子所到的位置有朝一日会进入哈勃距离以内，相应位置的退行速度便降到光速以下，于是这个光子便可以到达观测者，因而那个星系就可以被观测到。
我们所能观测到的最大距离究竟有多大呢？下面将会看到，今天的宇宙年龄约为137亿年。那么，宇宙刚诞生时发出的光，到今天应当走了约137亿光年。这是不是说，我们所能观测到的最大距离就是137亿光年呢？不是的。在这期间，宇宙还在不断膨胀，我们所能观测到的最大距离应当比这大得多。可以估算出，这个最大距离达400多亿光年。
爱因斯坦在得知哈勃的发现后，非常后悔地说，添加宇宙常数项是他毕生最大的错误。本来爱因斯坦的引力场方程是非常简洁的，它没有静态解正好表明，他的方程本该自然预言宇宙膨胀。引入宇宙常数项，不仅画蛇添足，破坏了他的方程的自然美，而且白白丢掉了“已经到手的”预言宇宙膨胀的历史性成果。
第五个里程碑：大爆炸宇宙学的提出与检验
哈勃的发现表明，宇宙是从高温、高密状态膨胀演化而来。这引发了伽莫夫(G. Gamow)在1946年提出宇宙大爆炸学说。从今天看到的宇宙几乎是以星系为“分子”的均匀气体，追溯到密度很高、温度很高的宇宙早期，那时，宇宙便真正成为了粒子的均匀气体。因此，早期宇宙应该是真正简单的物理体系，可以预期，早期宇宙的研究会提供更为简洁、可靠的成果。
随着宇宙的膨胀，密度、温度(因而粒子的热运动能量)就逐渐下降，宇宙将经历从高能到低能的极为丰富的物理过程的演化，粒子物理、核物理、等离子体物理、原子、分子乃至流体力学等各种物理过程在宇宙演化的各个阶段相继扮演重要角色。？？表中给出了大爆炸宇宙学各个演化阶段以及相应的主要物理过程。下面将选择几个主要阶段作些讨论。
顺便指出，宇宙大爆炸学说经常被误认为宇宙是从高温高密的一个点向四面八方爆炸开来而成，好像真的像一团物质在一个无限空间中的某处爆炸那样。其实并非如此。大爆炸的含意实际上就是“膨胀”二字。物质与空间不可分，它们一起膨胀。这里，宇宙仍然可以有限，也可以无限，视宇宙平均物质密度大小而定。当宇宙平均密度大于某个值(称临界密度),宇宙就是封闭的；小于那个值，就是开放的；而恰好等于那个值，宇宙就是平直的。在通常条件下，封闭意味着有限，开放意味着无限，而平直介于两者之间，空间也是无限的。临界密度可以从哈勃常数计算出来。今天的宇宙临界密度大体相当于每立方米内只有约5个质子。
在宇宙早期很高的温度下，质子和中子固然可以复合成氘核并放出一个光子，但很高能量的光子碰撞氘核也会使它又分裂为质子和中子。氘核的结合能为 2.2兆电子伏特，只要供给2.2兆电子伏特以上的能量，就可将氘核分裂为质子和中子。由于宇宙早期的光子数密度比质子、中子数密度要高几十亿倍，氘核是积累不起来的。但当宇宙膨胀降温到约109K时(相当于宇宙年龄为3分钟)，光子的平均能量就降低到约为100千电子伏特，这时能使氘核分解为质子、中子的高能光子已经为数不多，氘核就可以显著地积累起来，并进一步反应生成氦4，核合成过程便可快速进行。核合成产生的轻核素中有四种是稳定的，即氦4、氘 (即氢2)、氦3、锂7，而氚(即氢3)和铍7是放射性的，它们最终会衰变成氦3和锂7。
原初核合成的这4种轻核素的观测数据与大爆炸理论的预言符合得很好。粗略地说，氢占宇宙总质量的四分之三，氦4占四分之一，而所有其它元素质量的总和只占不足1%，氦3、氘、锂7的丰度都非常小。4种轻核素丰度的观测值均与理论计算值相符合，尽管丰度跨越了9个量级。
原初氦4是在宇宙年龄只有3分钟时形成的，而氦4又是宇宙间丰度极高，仅次于氕(即氢1)的第二号核素，在宇宙演化中有非凡的重要意义。要知道，自由中子的寿命只有一刻钟，如果中子不能在远短于一刻钟的时间内成功躲进氦4而成为稳定中子，世界上将不再有中子，氢以外的所有其它一切元素均无法形成。可见，理论算出来的“3分钟年龄”和“四分之一丰度”这两个数字是多么的重要，也多么的合理。正是这两个数字，保证了宇宙演化过程中有氦4为我们的宇宙保存了足够多的中子可以利用。元素周期表中除氕和那四个原初轻核素以外的各种元素就是在以后的恒星过程中由质子和氦4中的中子通过各种各样的核过程合成的。
轻核素原初合成给宇宙大爆炸学说提供了强有力的证据。不仅丰度的观测值与理论值符合得很好，而且我们可借此确定宇宙重子物质(看得见的物质)的密度。
类似地，质子(以及氘核、氦核)与电子可以复合成中性氢(氘、氦)原子而放出光子。如果光子能量高于电离能(对氢是13.6电子伏特)，它就可以又把氢原子电离成质子和电子，因而氢原子积累不起来。同样因为光子数十分巨大，只有当宇宙继续膨胀而降温到约3×103K时(相当于宇宙年龄为38万岁)，能电离氢原子的光子已经为数不多，宇宙便从等离子体状态转变为中性原子气体状态。由于中性原子不与光子发生作用，此后宇宙对于光子便变成透明的，光子在其中运动将不受碰撞改变而一直保持到今天。因此，大爆炸宇宙学又作出了一个精确定量的重要预言：今天应当仍然存在一种无处不在的保持着宇宙38万岁时脱胎出来的呈黑体辐射谱型的宇宙背景辐射。唯一的变化是，随着宇宙的膨胀，辐射波长从3000K的黑体谱红移成了2.725K的黑体谱。因为2.725K 的辐射已在微波波段，所以常被称为宇宙微波背景辐射。
1964年～1965年，彭齐亚斯(A. A. Penzias)和威尔逊(R. W. Wilson)两位工程师在研究他们的微波天线性能时，无意中发现了一种噪声性辐射，它其实就是宇宙微波背景辐射。人们在看电视时，如果没有节目，屏幕上就会出现雪花噪声，其中约1%就是来自宇宙微波背景辐射。彭齐亚斯和威尔逊当初只在一个固定波长(7.3厘米)上作了测量，定出相当于黑体辐射温度为 3.5K(±1K)。后来，全世界许多人在各种各样的波长上进行测量，均符合黑体辐射谱。特别是在马塞(J. Mather)的领导下，利用1989年发射升空的宇宙背景探测者(COBE)卫星上的仪器(FIRAS)精确地测得了宇宙微波背景辐射谱，它是温度为 2.725K的极好的黑体谱，与大爆炸宇宙学的理论预言精确一致。他们测得这种辐射是高度各向同性的(各个方向测得的等效温度相同)。这一点也与在宇宙学原理条件下得到的预言一致。因为发现宇宙微波背景辐射，彭齐亚斯和威尔逊获得了1978年度的诺贝尔物理学奖。
