一、认识宇宙

人能够认识宇宙吗

古往今来，人们为探索宇宙之谜而殚精竭虑。但是，宇宙是如此浩瀚无边，人究竟能不能认识宇宙呢？

有一种理论叫做“人的宇宙原理”，认为人所认识的宇宙只不过是产生人类的宇宙的一个时期，这个时期的宇宙是人的宇宙，即产生人的宇宙，人和宇宙是统一的，它们统一于宇宙的演化。

有人打比方说，有一种昆虫春天孵化，夏天生活，秋后产卵死亡，假设它有认识能力的话它也只能认识夏天。与此类似，人也只能认识人类生存的这个时期的宇宙，而不能认识宇宙的未来和过去。

但是大多数科学家都不同意这个观点，他们相信人能够认识宇宙。

他们的理由是，宇宙的发展有其自身固有的因果关系，现在的宇宙是过去宇宙发展的结果，未来宇宙又是现在宇宙发展的结果，如果宇宙确实是有机联系的，是有因果关系的，那么人就可以根据这一因果关系来认识宇宙发展过程中每一阶段的状态。

当然，认为可以找到一种宇宙终极真理也是不可能的，每门科学都有其适用范围，都有其限制，牛顿力学之后又有量子力学就是一个明证。

那么，人能否认识自身之外的宇宙呢？

破解宇宙之谜物质是可知的，无限宇宙是可以认识的，即使在一定阶段还不具备认识外宇宙的条件，也不能因此否认外宇宙的可知性。理论物理学的发展表明有许多宇宙存在，这种对外宇宙的确认就是对外宇宙的认识。

科学家还认为，外宇宙同人类之间如果有某种形式的信息传递，人就可以认识外宇宙，如果由于量子效应，宇宙每次并不塌缩到奇点，而是按某种几率反弹回来的话，这些不同宇宙间很可能存在某种程度的因果关系。依据这些因果关系，人就可以认识外在的宇宙。

同时，宇宙是个集合，一切有限宇宙都是其子集，其中必定包含着演化的一般规律，因此从“我们的宇宙”中所获得的一般性规律也应当是普遍适用的。

总之，宇宙可以认识。不过，对宇宙的认识能有多大范围，能到多大深度则是个具体问题，它是随时代和人类知识的发展而发展的。

宇宙的起源

大多数主要的科学理论往往与大科学家的名字紧密相连，如果某人说到“引力”，我们的脑海里马上就会联想起艾萨克·牛顿；说到“进化论”就会想起查理·达尔文；说到“相对论”就会想起阿尔伯特·爱因斯坦。但是说到“大爆炸”，似乎没有什么名字跟它对应。过去几十年间，大爆炸模型作为解释宇宙起源的标准理论已经被宇宙学家广泛接受，并出现在许多科技杂志上且被写进教科书中。尽管如此，这个理论并没有伟大的科学家与之相关，有时，一些反对者还时常对它讥讽有加。实际上，这个恰当的术语“大爆炸”还是出自反对者之口，他就是英国天文学家佛瑞德·霍伊尔，他本来是把这个他认为很愚蠢的理论嘲讽为“大爆炸”理论，没想到这个名词居然深入人心。1993年，如何给这一理论取一个恰当的名字引起了一场国际性的大讨论，科学作家蒂莫西·费里斯、天文学家卡尔·萨根和电视记者休·唐斯是这场讨论的评委。这在费里斯1997年出版的《全部家当》一书中有记载，来自41个国家的13099个名词中没有一个适合。

大爆炸理论的鼻祖是乔吉斯·勒梅特，他是一个比利时天主教堂的主教，很喜欢物理学，并于1927年他33岁的时候获得麻省理工学院哲学博士学位。同年，他根据爱因斯坦的相对论提出，宇宙在任何方向和任何地方都是均匀膨胀的。勒梅特还进一步指出，宇宙是由一个包含所有物质的原始的原子爆炸而形成的。埃德温·哈勃随后的发现支持了这一宇宙模式。哈勃发现遥远的星系都在各个方向上远离我们；并彼此分离，分离的速度和星系与银河系宇宙大爆炸之前其实不会有大爆炸“之前”，因为时间并不存在。时间和空间总是紧密地联系在阿尔伯特·爱因斯坦所称的“时空连续体”内的。一旦产生了时间，空间就开始膨胀。同样地，一旦产生了空间，时间就开始走动。

宇宙在膨胀。显然，在过去，所有的物质一定都聚集在一起。如果把今天看到的星系的运动倒退回去，就会把我们带到130亿年前的一瞬间，那时星系们都集中在一点上。这就是膨胀的起源，称作宇宙大爆炸。

大多数天文学家认为宇宙大爆炸是一次相当小的爆炸。早期宇宙的环境把能量直接转化为等量的物质和反物质，大约是1000克的原料。片刻后更大的事情发生了：宇宙膨胀。宇宙胀了起来，在几分之一秒内的时间里迅速膨胀。并膨胀释放出大量的能量。

宇宙大爆炸是万物之源，是时间、空间、和宇宙中一切物质的起始点。130亿年前，巨大的宇宙中有一个火球。这个火球极为密集，在能量释放的同时，形成了物质和反物质，于是巨大的宇宙时钟开始走动。在形成的一瞬间，宇宙的温度和密度几乎无限大。然后宇宙开始膨胀、冷却，直到今天它仍然在膨胀、冷却的距离成正比。哈勃事先并不知道勒梅特的理论，但是他在1929年发现的宇宙膨胀，促使许多科学家思考那个能产生足够的能量引发宇宙膨胀的初始爆炸。

20世纪40年代，物理学家开始对初始爆炸感兴趣。在理论上，爆炸发生后产生的等离子体的温度应该比现存的任何恒星内部温度都高，随着时间的推移，它应该慢慢冷却，到现在应该尚有余温。这一现在被称为微波背景辐射的理论，意味着离我们越远的地方（在时间上离宇宙爆炸的时间越早），宇宙背景温度越高。当时，这个理论根本不被天文学家和物理学家所重视，因为他们压根儿就没把大爆炸理论当回事，并且无论如何也没有办法测量或证实微波背景辐射的存在。

1965年，贝尔实验室的阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊宣布他们探测到微波背景辐射连续的“嘶嘶”声，他们是在为第一个通信卫星开发接收机的时候偶然发现的。这一发现改变了许多宇宙学家的看法。大爆炸理论在1965年前只是一个未经验证的理论，但现在有证据表明最初的爆炸遗留下来的残余辐射确实存在。许多重要的科学家都开始研究大爆炸理论，同时，也需要更多的证据以支持这一理论。20世纪40年代和50年代，许多科学家对可能存在的微波背景辐射的性质作过预测，经计算认为微波背景辐射的温度约为3开（相当于-270．15摄氏度），是各向同性的——就像蒂莫西·费里斯指出的那样：“任何观测者在宇宙的任何地方都应该测量到宇宙任何地方的微波背景辐射的温度都是一样的。”同样，量子物理学家要求微波背景辐射是一个黑体谱，在由它的温度确定的波长处辐射出最大的热量——这个波谱应该满足特定的量子方程。

这样，微波背景辐射就变得尤为重要，为此，美国国家航空航天局发射了一颗微波卫星用于测量这种“宇宙背景”。由于没有地球大气干扰而引起的失真，微波背景辐射探测器（COBE）希望能探测到宇宙大爆炸后50万年的微波背景辐射，此时宇宙冷却到足以使物质开始形成，并辐射出光。发射于1989年的COBE带着宇宙学家的期望，证实了宇宙背景辐射确实是各向同性的，温度接近3开。另外，这种辐射以令人惊讶的精度与所期望的黑体谱相吻合。

1992年，一张根据COBE搜集的数据绘制的全天空图同时也证实了另一个预测：从大爆炸后冷却的气体形成的物质最终会聚集成团，形成包含恒星的星系，这也符合早期宇宙的微观量子波动必然扰乱物质均匀分布这一理论。用简单的话说，宇宙犹如一锅稍微有点团块的勾芡肉汤——这是因为面粉没有完全搅匀造成的，尽管团块很少，但是它们显得很突出。

1939年，美国物理学家汉斯·贝特指出，重元素（依据它们的原子量划分）能在恒星中合成。这些元素是组成恒星和我们人体的成分，但只占整个宇宙质量的2％，其余是由75％的氢和23％的氦以及少量锂元素组成的。这些轻元素是在大爆炸时形成的。为了解释氢的丰度和氢与氦在恒星中占的比率，物理学家做了计算。太阳中每时每刻都在发生由氢转化为氦的核反应，在此过程中，每秒钟释放出400万吨能量（注：根据爱因斯坦质能方程，能量和质量之间有一种换算关系，在此用质量单位“吨”来表示能量）。在宇宙大爆炸中，氢氦平衡还没有建立，这个过程将释放多得多的能量。“熔化”在恒星“熔炉”中的重元素最终将被抛入宇宙空间，可以相信，这将给宇宙播上固体物质原料的“种子”。最年老的恒星将保持很少的轻元素，因为它们向宇宙空间中抛射物质的时间最长——利用新技术已经测量到了这种结果。我们把元素在宇宙中的分布称为“宇宙元素丰度”，这是符合宇宙大爆炸理论的。

太空深处似乎正在发生一些奇特的变化。遥远的星系团正从各个方向退离地球越来越远，而且位置越远的星系，退离的速度越快。我们的银河系似乎很不受欢迎。事实上，每个星系团都在远离别的星系团，就像烤蛋糕时，里面的葡萄干都会分开一样。宇宙膨胀理论对天文学家很有用：一旦他们测定了附近星系的膨胀比率，就可以利用星系的速度得到它的距离。

宇宙在膨胀，但并不是在某个天体内部膨胀。事实上，是太空本身携带着星系团在膨胀。假想太空是一个橡皮条组织，上面附着星系团。当整个组织膨胀时，星系团也就分开了。太空的每个区域都以相同的比率膨胀，因此两个星系团离得越远，它们之间太空膨胀的速度就越快。进行了大量的验证后，这个理论可以被认为是经过证实的。大多数宇宙学家在接受大爆炸理论的同时，也认识到这个理论存在一些问题，这些问题有的是很严重的，并经常出现以至于危及到大爆炸理论本身的问题。

宇宙成长示意图佛瑞德·霍伊尔为了嘲笑大爆炸理论而创造了“大爆炸”这个词，他是大爆炸理论的主要反对者。1948年，他与赫尔曼·邦迪和托马斯·戈尔德一起，提出了他称之为“稳恒态”的理论。按照他的理论，宇宙实际年龄比天文观测到的要大得多，宇宙似乎是一直存在并且将永远存在的。随着时间的推移，星系将诞生、成长、死亡，新星系将不断从死亡的星系的“废墟”中诞生，但宇宙的总质量将保持平衡。按照这个理论，我们可以观测到的即使是最古老的星系在一个更大的范围来说实际上也是相当年轻的。许多宇宙学家并不喜欢稳恒态理论，因为它意味着我们永远无法彻底弄清事情的真相，大多数物理学家和天文学家都被“我能”的观念所驱使。霍伊尔在评论大爆炸宇宙论中表现出的无礼被年轻科学家描述为傲慢，但这于事无补，真理永远是真理。另一方面，我们也应扪心自问：是否我们自以为能弄清任何事情的真相的信念本身就是一种傲慢——争论的各方肯定都会存在这种傲慢。

霍伊尔的理论也有其本身的问题，例如，他利用了修改后的宇宙常数。宇宙常数是爱因斯坦为了证明宇宙是不变的而在他的相对论中引入的一个数学因数。1929年，埃德温·哈勃在研究中发现遥远星系的光谱向红端移动，称为“红移”，他因此得出结论：星系随着宇宙的膨胀而以很快的速度彼此分离。这表明宇宙并非不变，爱因斯坦的宇宙常数也就不是必要的了，连爱因斯坦也把引入宇宙常数视为他一生中所犯的最大的错误。

宇宙常数遭到大多数物理学家的反对，1965年微波背景辐射发现后，霍伊尔的稳恒态理论似乎该淘汰了。但是霍伊尔并不甘心他的出局，他认为可能是他的理论中出现了一些小问题，但大爆炸理论问题更大。事实上也如此，大爆炸理论遇上了新问题。有一个问题是物理学家所熟知的，那就是早期宇宙并不符合现在盛行的物理定律。至少大爆炸后50万年，宇宙还没有足够冷却以使物质形成和光的释放（称为“光子退藕”，因为光是由光子携带的）。我们现在的宇宙定律并不适合当时的情形。这种矛盾迫使大爆炸理论家求助于初始宇宙是一个奇点的思想。霍伊尔和他的追随者（他仍有一批追随者）大肆指责这种观点，他们嘲讽道：“你们与其发现一些东西把大爆炸理论弄得一团糟，不如怀疑这个理论本身的正确性。”

1990年，霍伊尔开始在他自己的领域取得一些新进展。他的一个追随者——德国马克斯·普朗克工学院的美国宇宙学家霍尔顿·网尔普指出，有许多红移的观测值与它们的实际距离并不相符。这是一个很严肃的问题，如果红移并非是宇宙膨胀速度的可靠的指示器，这将给宇宙大爆炸理论带来致命的一击。也许星系并没有分离得那么快，那么，将没有必要用大爆炸来解释驱使它们运动的力量。阿尔普在1991年更进一步说：“这泄露了一个大秘密，那就是这些具有决定性作用的天体被人故意忽略了，争论受到了压制。”忽略证据？压制争论？大爆炸理论学家震怒了。此时，正如约翰·波斯洛在他的著作《时间的主人》中指出的那样，一些物理学家指责大爆炸支持者既忽略证据又凭空臆断。1986年，谢尔登·格拉斯哥（于1979年获得诺贝尔物理学奖）与他的哈佛同事保罗·金斯帕格警告物理学家不要卷入这种无谓的争执。

关于宇宙大爆炸理论，有一个无法验证但也是最重要的新观点是暴涨，这是艾伦·古斯于1981年提出来的。他指出，在宇宙大爆炸后的最初一秒钟内，宇宙经历过一次突然膨胀，膨胀的速度远远大于现在宇宙的膨胀速度，就像一个针尖大小的东西在一段极其微小的时间内突然膨胀成一个橘子或一个垒球大小。这听起来没什么可大惊小怪的，但在数学上是难以置信的：增长的体积是1050，也就是1的后面接50个零。经历这个暴涨后，宇宙开始以正常速度膨胀。换句话说，在宇宙之初，宇宙的行为在一瞬间像一个超人，但在宇宙史的其余时间就像克拉克·肯特一样悠闲。

对一般读者来说，这听起来有点滑稽，当时暴涨的思想驱散了漂浮在宇宙大爆炸理论上空的乌云，它因而广受欢迎。它解决了很多问题，其中有一个问题是关于平直宇宙的。物理学家认为宇宙要么开放，即它将沿着一定的曲面永远膨胀，要么封闭，即引力最终会把它拉回来，也许终结于一种产生大爆炸的原始原子。不幸的是，没有可观测的信息证明它是开放的还是封闭的，似乎正好在这两种可能性之间平衡。这种状况被描述为平直宇宙，因为平均时空曲率为零，是一个平射轨道。

使事情更为复杂的是，宇宙的实际密度（产生引力的物质量）与产生引力塌缩的宇宙密度之比为1。希腊字母n被赋予这个比率，数学上，开放宇宙意味着比率小于n，封闭宇宙意味着比率大于n。无论指曲率（其值为零）还是指密度比率（其值为1），结果总是平直宇宙，艾伦·古斯的暴涨理论首次获得了可信的结果、不要老是把暴涨描述成针尖变成橘子，应该把暴涨想象成吹气球。气球膨胀得越大，其表面就越平坦。因为在一瞬间发生了宇宙暴涨，实际上造成了平坦效应。

当艾伦·古斯在建立他的暴涨理论时碰到一个问题，使他推迟了两年才发表他的理论。按照他的理论预测，这种快速膨胀必然会产生许多单独的“泡泡”，这些“泡泡”的壁应该是很明显的，但实际上并非如此。最后，古斯还是发表了他的理论，他希望全世界的其他宇宙学家应该有足够的兴趣去解决这个问题。俄罗斯物理学家安德烈·林德是第一个给出答案的，随后其他人也得到了答案。他从数学上证明“泡泡”（后被重新命名为“区域”）能单独产生。更有甚者，我们已知的宇宙仅仅占据一个“区域”的10亿甚至万亿分之一。“泡泡”之间相距如此遥远以至于我们永远别想观测得到。就像暴涨理论一样，泡泡域理论在大多数宇宙学家中受到狂热的支持，包括，斯蒂芬·霍金，他被人们公认为是当代最伟大的物理学家。泡泡域理论尽管无法验证，但是它解决了暴涨理论（同样无法验证）的一些问题，暴涨理论不仅解释了宇宙的平直问题而且克服了大爆炸理论的一些困难，包括宇宙中物质分布的各向同性——暴涨的瞬间就像一种宇宙搅拌器的行为。对一些像霍尔顿·阿尔普和佛瑞德·霍伊尔之类的批评家来说，这远远不能令人满意，不管数学上是如何优雅，理论与理论的吻合是如此天衣无缝。但是批评者毕竟是少数，尽管更多的物理学家接受大爆炸理论和暴涨理论的方方面面有困难，但是他们愿意去挑战一些小问题而不是嘲笑整个理论。

宇宙的起源问题，仍然值得人类探究目前，大爆炸理论成为解释我们的宇宙起源的最好理论。对“我们”应该强调，别忘了别的永远位于我们视野之外的“区域”，法国物理学家TrinhXuanThuan在他1995年出版的《秘密的旋律》一书中写道：“我们的宇宙只是一个迷失在另一个比我们宇宙大千万亿乃至亿万亿倍的可称为元宇宙或超宇宙的泡泡中的小泡泡，所有这些都是在暴涨期间从一个无限小的空间中创生出来的，所有的泡泡都彼此不相通。”他所描写的这个图景是很诱人但令人难以置信的。有人发现这很令人害怕，也有人认为这有点像宗教思想，将使人安心或使人悲伤，关键取决于人的信仰。一些评论家竭力指出乔吉斯·勒梅特作为大爆炸理论的启蒙者，首先是一个天主教主教，其次才是一个物理学家，而佛瑞德·霍伊尔作为稳恒态理论的斗士是一个无神论者，而一些大爆炸理论的拥护者如斯蒂芬·霍金的工作最终排除了对上帝的需要。

当望远镜技术和计算机技术发展到使我们有能力观测或模拟宇宙这个更大样本的时候，当量子物理实验更深入到亚原子粒子的奇异世界的时候，我们所得到的附加知识似乎在不时地支持大爆炸理论。2000年6月，《纽约时报》的头版报道了澳大利亚的一台自动巡天望远镜产生了一张大范围的星系集团图，这些星系集团可以称为宇宙大陆。尽管这些宇宙大陆是如此巨大，但是它们的尺度并没有超出大爆炸理论关于这种结构的预测。这篇报道的标题是“自动巡天望远镜确定了关于宇宙诞生的假设”。过去，《纽约时报》曾经刊登过许多挑战别的大爆炸假设的文章。一些乐观者，包括斯蒂芬·霍金相信我们正在接近对整个宇宙的了解，大统一理论出现的时候也许为期不远了。但是即使是大爆炸理论的拥护者当中，也有许多人怀疑我们对宇宙的了解还仅仅是开始，也许我们永远也无法解开宇宙之谜。现在，大爆炸理论已经成为标准理论，但它还不是一个真理。

宇宙的大小及年龄

宇宙在空间是无限大的，也就是说它无边无际，充满了无限的奥秘。

目前，天文学家使用最先进的天文望远镜，已观测到距我们大约200亿光年的格外明亮的个别天体，但它们并不是宇宙的边际，它的边缘在哪里，为什么那么遥远而且还那么明亮呢？这些都将永远是宇宙中的奥秘，有待于我们去探讨。

宇宙的无限性有两方面的含义，即空间上的无限性和时间上的无限性。宇宙在空间上是无边无际的。它没有边界，没有形状，也没有中心，在任何一个方向上，宇宙都没有终点。但是，任何具体的东西都有边界，形状和中心，也就是有限的。宇宙在时间上是无终无始的。无论是过去或者未来都是无穷无尽的。但是，任何具体的东西，都有起源，有年龄和寿命，都是有限的。

所谓“宇宙的年龄”，就是宇宙诞生至今的时间。可是谁知道宇宙诞生在什么时候呢？我们不能重现它的过去，但却可以从它的现在秘光波一光年为94605亿千米，这个距离应该算很长了，但与宇宙中恒星之间的距离相比，只不过是微不足道的数字罢了推知它的过去。美国天文学家哈勃发现：宇宙诞生以来一直在急剧地膨胀着，这就使天体间都在相互退行，并且其退行的速度还与距离成正比。这个比例常数就叫“哈勃常数”。而它的倒数就是宇宙年龄。只要测出了天体的退行速度和距离，就测出了哈勃常数。显然，测得的哈勃常数越大，宇宙年龄就越小。

原则是简单的，但得出的结果却相去甚远，大致在100～200亿年的范围内众说不一。为什么？这是因为天体退行速度的测定通常由红移取得，比较一致，而天体距离的测定就各显神通了。

通常是以测定某个星系中“造父变星”来推知星系的距离的，但它只适用于近距星系。用此法测得宇宙年龄约200亿年。而这种方法对遥远星系却不适用，但要精确地测定退行速度，遥远星系则更合适。如何测定它们的距离呢？一是利用比“造父变星”更亮的“行星状星云”，或者利用超新星爆炸。用这些方法得出的宇宙年龄为80～120亿年。有人认为早期的宇宙膨胀比现在快，这样推得的宇宙年龄只有60～70亿年。但低值宇宙年龄的正确性值得怀疑，因为作为宇宙组成部分的球状星团的年龄至少已有130亿年。宇宙年龄的最高推测值竟有340亿年，其根据是宇宙膨胀的不均衡性。

宇宙的组成

我们居住的地球是太阳系的一颗大行星。太阳系一共有9颗大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。除了大行星以外，还有60多颗卫星、为数众多的小行星、难以计数的彗星和流星体等。它们都离我们地球较近，是人们了解得较多的天体。那么，除了这些以外，茫茫宇宙空间还有一些什么呢？

晴夜，我们用肉眼可以看到许多闪闪发光的星星，它们绝大多数是恒星，恒星就是像太阳一样本身能发光的星球。我们银河系就有1000多亿颗恒星。

恒星常常爱好“群居”，有许多是“成双成对”地紧密靠在一起的，按照一定的规律互相绕转着，这称为双星。还有一些是3颗、4颗或更多颗恒星聚集在一起，称为聚星。如果是10颗以上，甚至成千上万颗星聚集在一起，形成一团星，这就是星团。银河系里就已发现1000多个这样的星团。

在恒星世界中还有一些亮度会发生变化的星——变星。它们有的变化很有规律，有的没有什么规律。现在已发现了2万多颗变星。有时候，天空中会突然出现一颗很亮的星，在两三天内，会突然变亮几万倍甚至几百万倍，我们称它们为新星。还有一种亮度增加得更厉害的恒星，会突然变亮几千万倍甚至几亿倍，这就是超新星。

除了恒星之外，还有一种云雾似的天体，称为星云。不过，只有极少数星云在我们银河系内，这种星云由极其稀薄的气体和尘埃组成，形状很不规则，我们称它们为银河星云，如有名的猎户座星云。极大部分星云，实际上并不是云，它们是一些同我们银河系一样的星系，只因为离我们太远了，所以看上去像云雾般的形状，我们称它们为河外星系，现在已发现1000亿个以上的星系，著名的仙女座星系、大小麦哲伦星云就是肉眼可见的河外星系。星系也爱好“群居”，常常几个、十几个聚集在一起，我们称它们为双重星系或多重星系，更多的星系聚集在一起，则构成了星系团。20世纪60年代以来，天文学家还找到一种在银河系之外的像恒星一样的天体，但它的光度和质量又和星系一样，我们叫它类星体，现在也已发现了数千个这种天体。

在没有恒星又没有星云的广阔的星际空间里，还有些什么呢？是绝对的真空吗？当然不是。那里充满着非常稀薄的星际气体、星际尘埃、宇宙线和极其微弱的星际磁场。随着科学技术的发展，人们必定可以发现越来越多的新天体。

宇宙是否有中心点

太阳是太阳系的中心，太阳系中所有的行星都绕着太阳旋转。银河也有中心，它周围所有的恒星也都绕着银河的中心旋转。那么宇宙有中心吗？有没有一个让所有的星系包围在中间的中心点？

看起来应该存在这样的中心，但是实际上它并不存在。因为宇宙的膨胀一般不发生在三维空间内，而是发生在四维空间内的，它不仅包括普通三维空间（长度、宽度和高度），还包括第四维空间——时间。描述四维空间的膨胀是非常困难的，但是我们也许可以通过推断气球的膨胀来解释它。

我们可以假设宇宙是一个正在膨胀的气球，而星系是气球表面上的点，我们就住在这些点上。我们还可以假设星系不会离开气球的表面，只能沿着表面移动而不能进入气球内部或向外运动。在某种意义上可以说我们把自己描述为一个二维空间的人。

如果宇宙不断膨胀，也就是说气球的表面不断地向外膨胀，则表面上的每个点彼此离得越来越远。其中，某一点上的某个人将会看到其他所有的点都在退行，而且离得越远的点退行速度越快。

现在，假设我们要寻找气球表面上的点开始退行的地方，那么我们就会发现它已经不在气球表面上的二维空间内了。气球的膨胀实际上是从内部的中心开始的，是在三维空间内的，而我们是在二维空间上，所以我们不可能探测到三维空间内的事物。

同样的，宇宙的膨胀不是在三维空间内开始的，而我们只能在宇宙的三维空间内运动。宇宙开始膨胀的地方是在过去的某个时间，即亿万年以前，虽然我们可以获得有关的信息，而我们却无法回到那个时代。

宇宙中的黑洞

什么是“黑洞”呢？让我们从万有引力谈起。

根据万有引力定律，地球和宇宙间的一切天体（当然包括太阳和月亮），都具有强大的吸引力，它们能把附近的一切物体紧紧地“抱”在怀里。比如地球引力使地表的物质不能任意飞向空中；人们为了把人造卫星送上围绕地球运行的轨道，发射的火箭至少要有每秒钟8公里的速度，否则，人造卫星也会被地球的引力拉回地面，这个速度叫做第一宇宙速度；如果我们进一步要把一只飞船送到火星上去，那就要完全摆脱地球的引力控制，这时，火箭的速度就要达到每秒11公里，这叫做第二宇宙速度，也叫天体的表面脱离速度。天体不同，天体的表面脱离速度也不同。例如，月球的质量小，表面脱离速度就比地球的表面脱离速度小得多；而太阳的质量大，表面脱离速度又要比地球表面脱离速度大许多倍。总之，宇宙中的任何一个天体，都有它自己固定的表面脱离速度，达不到这个速度，任何东西都不可能从它那里飞出来。

宇宙中有没有这样一些天体，它们的表面脱离速度，比每秒30万公里的光速都大，以至它所发射出来的光，也要被自己的引力拉住而跑不出来呢？科学家认为从理论上说，恐怕是有的。

早在1798年，法国天文学家拉普拉斯就以牛顿力学为基础，预言了宇宙中存在着诸如此类的天体。“宇宙中最明亮的天体，对于我们来说，很可能是不可见的”。他认为，假如有一个天体，它的密度或质量达到一定的限度，我们就会看不到它了，因为光没有能力逃离开它的表面，也就是说光无法到达我们这里。这其实就是一种“黑洞”理论。

近代以后，又有更多的科学家，根据牛顿力学和爱因斯坦的广义相对论，预言了“黑洞”的存在。牛顿提出的万有引力理论认为，一个球形的天体，在它的质量大于太阳质量的2倍时，它就可能收缩成为体积无限小，质量无限大的质点，这种现象称为“引力崩溃”。爱因斯坦的广义相对论诞生后，德国科学家史瓦西计算出了一个天体半径，并且认为，在具备这样大小的半径的球内，就有无限大的引力，任何物质只能被它吸引进去，而不能从它那儿解脱出来；连速度极快的光线，也“在劫难逃”。这个有去无回的地方，人们叫它“黑洞”。“黑洞”在理论上得到了颇有分量的证明。

如今，人们又给黑洞下了更加确切的定义：黑洞是广义相对论预言的一种特殊天体，其基本特征是它具有一个封闭的边界——视界，外界的物质和辐射可以进入视界，视界内的一切都不能跑到外面去。

通俗点讲，“黑洞”之“黑”，表明它不向外界发射和反射任何光线，因此人们根本无法看见它；它是一个“洞”，则表明任何东西一旦进入其中，便休想再出来。黑洞其实是个“无底洞”，它似乎处于饥饿的状态，永远也填不饱。因此有人又把它叫做“星坟”。

“黑洞”何以有如此奇特的禀性？其实这并不神秘。它具有极其强大的引力场，以至于任何东西——甚至包括光在内——都不能从中逃逸。不仅如此，黑洞强大的引力场还足以摧垮其内部的一切物体，故黑洞内部不具备现在所知的任何类型的物质结构——这就是著名的“黑洞无毛定理”。

理论研究表明，宇宙间的黑洞有各种不同的大小和质量。太阳半径为70万公里，如果从太阳表面发射一艘宇宙飞船，那么它发射的初速度至少要达到每秒618公里——即太阳的逃逸速度，才能彻底摆脱太阳引力的羁绊。如果太阳不断地收缩，它的物质密度便不断增大，其半径则不断地缩小。这时，太阳表面的引力场就不断增强，其逃逸速度自然也随之增大。倘若太阳缩成一个半径仅为3公里的球体，其引力强度就会大得使其逃逸速度达到乃至超过每秒30万公里的光速。这样，就连光也无法越出它的引力桎梏，于是太阳就变成了一个黑洞。

尽管关于黑洞的理论是正确的，但是科学家一直在寻找黑洞存在的证据。

“黑洞”究竟存在不存在呢？这却仍然是一个谜！黑洞本身虽然不能直接观测到，其强大的引力场却可以影响附近天体的运动，于是人们可以由后者的行为推测前者的存在。另外，当物质落向黑洞，在接近而尚未抵达其视界时，将围绕着黑洞外围高速旋转，形成盘状或喇叭状，而且这些高速旋转的物质，因摩擦而产生高温，会释放出强大的高能X射线，而X射线人们用仪器是可以探测到的，所以这类高能辐射也是搜寻黑洞的重要线索。天文学家就根据这一点，在浩瀚的宇宙中“大海捞针”。例如，人们在天鹅座附近发现了奇特的强X射线源，称之为“天鹅X—1射线源”；它与一颗比太阳大20倍的亮星彼此围绕着旋转，估计这个黑洞具有8倍太阳的质量。在一个名叫M87的椭圆星系的核心，则很可能有一个质量高达90亿倍太阳质量的巨大黑洞。黑洞利用它巨大的引力将其他天体吸引到自己周围，然后将它们吞噬掉。由此，某些科学家甚至作了更为大胆的设想，即在整个宇宙中，“黑洞”不仅普遍地存在，而且很可能是组成宇宙的关键天体。持有这种观点的天文学家推测，在我们的银河系的中心，很可能隐藏着一个质量是500万个太阳质量的巨大“黑洞”，由于引力巨大，它将成千上万颗恒星吸引住，这些恒星和气体以极高的速度绕着银河系中心旋转，组成了一个庞大的整体，从而构成了气势磅礴的银河系。

那么，宇宙中的黑洞是如何形成的呢？有人认为是由于恒星在其晚年，因核燃料被全部耗尽，便在自身引力下开始坍缩。如果坍缩物质的质量大于太阳质量的3倍，则坍缩的产物便是黑洞。此类黑洞的质量一般不超过太阳质量的50倍。还有人认为，由于在星系或球状星团的中心部分恒星很密集，而星体之间容易发生大规模的碰撞，由此产生的超大质量天体坍缩后就形成了质量超过太阳1亿倍的黑洞。也有人认为是在宇宙大爆炸时，大爆炸异乎寻常的力量，把一些物质挤压得非常紧密，于是形成了“原生黑洞”。

由此看来，对于“黑洞”的研究，就不单单是这个神秘的天体存在不存在的问题，而是一个关系到宇宙的结构，天体的起源的大问题。

时至今日，虽然黑洞还没有被真正地捕捉到，但人们对黑洞的存在却是确信无疑的。也许一些星团的中心就是黑洞，大概银河系中心就是一个大质量的黑洞。除了大黑洞外，很可能还存在着比小行星还要小的黑洞。甚至还有人认为，地球上也存在着黑洞。当然，这些还都属于假说。

当某些恒星走向衰老后，将会爆炸而形成黑洞。关于黑洞，最后可以总结如下：第一，天文学历史表明，正确的科学理论在天文发现上具有很大促进作用。在经过严肃周密的思考和计算后，并没有人否定黑洞的“理论存在”；人们已经提出许多黑洞的“候选天体”，设想出多种黑洞模型，经常用黑洞来解释各种难解的天文现象。第二，尽管理论研究一再指出，宇宙中应该存在这种奇异的天体，但由于它给出的信息如此之少，以至至今没有一个人敢于宣称，他已经确凿地找到一个黑洞。第三，应该承认理论的指导意义，但天文学是一门以观测为基础的科学；只要观测中没有找到可靠的证据，就不能过于匆忙地下结论。

既然很多人认为，找到和证实黑洞只是时间问题，而不是能否问题，就让我们期待伟大的时间揭晓黑洞之谜吧。

宇宙中的白洞

宇宙空间存在黑洞，这是20世纪科学上最引人入胜的预言之一。

有正必有反。科学家根据广义相对论提出了另一个预言——白洞。

白洞是一种致密天体，其性质与黑洞相反，它不是吸收外部物质，而是不断地向外喷射物质和能量，成为宇宙中的喷射源。

白洞也有一个封闭的世界，在其势力范围之内的物质只能由中心向外运动，而中心则是宇宙中的白洞具有和黑洞相反的特征：黑洞吸收天体，白洞吐出天体。正是由于黑洞和白洞同时的存在才使得宇宙能够平稳并和谐地发展下去。一种超密态物质，这些物质可以流出边界。

那么，白洞从哪里获得如此多的物质和能量呢？它又是通过什么方式获得了的呢？

有一种理论认为，白洞源于黑洞。根据量子力学理论，“虚无”的空间并不完全是空的，而是充满了大量的不断产生而又瞬时消亡的正、反粒子对。正反粒子对相遇会发生“湮灭”，放出大量的能量，而这一过程也是可逆的，即正反粒子能从能量中产生。

设想在黑洞以外，粒子对中的一个落入黑洞，另一粒子可能会逃离黑洞的引力场而成为真粒子，以黑洞辐射的粒子形式出现，这种辐射是有能量的。现在已经证明，能量是来源于黑洞质量。这个过程就是黑洞“蒸发”，这种蒸发如果越演越烈，最后以喷发形式结束，就可以认为是喷射物质的白洞了。

另一种看法是，宇宙是从爆炸开始的。如果原来爆炸时，致密得难以想像的爆炸“奇点”中的某一块因特殊原因而存留下来，那么，当它再度膨胀时，就具有白洞的全部特征了，这就是所谓的“迟核”理论。

还有一种说法是，在不止一个宇宙的前提下，一颗在我们宇宙中形成黑洞的恒星将从另一个宇宙中以白洞的形式出现。这并不是空想，也有其理论基础。

由于白洞包含超高密度的物质并有巨大的能量，科学家常把它与宇宙射线爆发、类星体、超新星爆发等联系起来研究。当然，找到白洞的谜底尚须时日。

宇宙间的第五种力

物理学告诉我们，宇宙间存在着四种基本相互作用的力，即万有引力、电磁力、强核作用力和弱核作用力。这是主导物理学的基本理论。

但是，有人却对此表示怀疑。

20世纪80年代中期，一位美国科学家提出了一个令人吃惊的观点。他认为，宇宙间存在第五种力，这种力的作用距离是几百米到几千米，比强核作用力和弱核作用力的半径大，但比牛顿万有引力和电磁力的作用半径小。这种力的作用大小可能与质量无关，而依赖于物质所含的质子和中子的多少。

判定在宇宙间是否存在四种基本作用力之外的相互作用，在人类科学技术的发展中占据了相当重要的地位。

100多年以前，有科学家提出了七大宇宙之谜：物质和力的本质、运动的起源、意志的自由问题、生命的起源、理性思维及语言的起源等。在七个谜中，物质和力的本质排在第一位，可见其重要性。看来，第五种力存在与否对人类探索宇宙之谜是非常有意义的。

宇宙间存在着4种基本力，即引力、电磁力、强核力和弱相互作用力。如果没有这些力的相互作用，宇宙间的天体会偏离自己的运动轨道，相互碰撞导致宇宙灭亡。第五种力的提出不是毫无根据的空想。在一些实验中，科学家已经找到了支持第五种力的证据。在澳大利亚一口深1000米的矿井里、在美国一座高600米的电视墙上、在格陵兰岛上深2000米的冰洞中所做的引力实验探测到了反平方律的变化。

依据牛顿万有引力定律，物质间的引力与它们的质量成正比，与距离的平方成反比，也即反平方。但是，一旦第五种力的存在得到证实，那么在这种新型的力的作用距离内，牛顿的反平方律可能是不正确的，而且这种力的强弱将不由物质质量决定。

当然，还有许多科学家持不同意见。总而言之，现在肯定或否定宇宙间存在第五种力还为时过早。不过有一点可以肯定，如果实验结果确实显示了牛顿定律的异常，那么必然存在着第五种力。

中微子有质量吗

前面已提到过中微子，其实它是宇宙大爆炸后留下的一种亚原子微粒。

在宇宙中，中微子是数量最多的亚原子微粒，但也是非常最难以被发现的。通常，科学家们认为中微子没有质量，也很少与别的粒子起反应。

根据粒子物理学的标准模型，中微子可以分成三种，即电子中微子、μ子中微子和τ子中微子，每一种中微子还有一种反物质配对物，也就是反中微子。

宇宙中充满了各种各样的粒子，而中微子又构成了宇宙间粒子的绝大部分，搞清中微子的性质和特点对了解宇宙的成分以及宇宙的演化过程有特别重要的意义。所以，科学家对中微子的研究在进一步深入，并取得了一些成果。

美国科学家用洛斯阿拉莫斯国立实验室液态闪烁体中微子探测器记录下的实验资料表明，中微子并非没有质量，而是有质量的，虽然其质量非常非常小。

洛斯阿拉莫斯实验室的实验是将高能量的质子射到水靶上，产生叫做π介子的亚原子微粒，π介子衰变成μ子中微子和μ子，μ子又接着转变为正电子、电子中微子和μ子反中微子。一小部分中微子与附近探测器中的原子核（由排列在光电探测器周围的一大箱矿物油组成）发生冲撞，这些罕见的冲撞产生了电子及其他带电粒子，从而在液质中留下了一束束光迹。

科学家对3年的实验资料进行了仔细的分析后，发现出现电子反中微子的束体有22次。通过理论家们称做中微子振荡的假设过程，μ子反中微子可以转变为电子中微子。而根据理论，只有当中微子具有质量，这样的转变才会发生。

科学家根据实验间接地进行推算，μ子反中微子和电子反中微子的质量很小，比一个电子的质量还要小很多很多，但是，中微子的数量太大，所以宇宙中中微子的总质量还是大得惊人。

如果这一实验是正确的，那么这一发现就表明，在推测宇宙质量时，电子中微子的存在可能象征着宇宙的质量有很大的增加，虽然还不足以阻止宇宙进一步膨胀。

宇宙中的反物质

量子理论的早期成就之一就是预言了反粒子的存在。粒子和反粒子的质量相同，而其他一些性质，如电荷等正好相反。

研究表明，在比原子更小的基本粒子尺度上，粒子和反粒子是高度对称的，就像人和影子一样，不会分离。一旦大于这个尺度，就会出现强烈的不对称性。我们的地球、太阳系以至银河系都是“正”粒子组成的“正”物质。那么，与之相对应的反物质在何处呢？

在银河系中，科学家们断言不存在反物质构成的恒星，否则的话，星际介质就会与反物质发生湮灭，从而产生数量远远超过观测值的γ射线。

然而，在银河系以外的星系际空间深处，却有可能存在反物质，甚至存在由反物质构成的反恒星组成的反星系。

不过，银河系以外的星系究竟是由物质还是反物质组成的，现在我们还不能断定。因为光子的反粒子正是它本身，而我们对遥远星系的了解完全来源于它们发现的光子，因此即使是由反物质组成的星系，其光学性质也不会有异常之处。

著名的物理学家温伯格等人把大爆炸宇宙理论和基本粒子统一理论合在一起对反物质问题进行了探讨。

他们认为，在极早期宇宙中，物质和反物质的数量必定是相等的。辐射场产生大量的粒子——反粒子时，偶尔也有极少数的质子和电子掺杂在这个灼热的环境中，每1亿个光子和粒子对只多出一个质子。

然而，随着辐射的冷却和粒子对的湮灭，每个光子的能量减少，原子构成了现在物质质量的主体。

宇宙在形成的最初一瞬间，曾经是高度对称的，物质大致等于反物质的数量，正反粒子基本相等。也就是说，早期宇宙只有一点儿不对称。那么，为什么早期宇宙的一点儿不对称却导致了今天反物质如此之少呢？这是大爆炸理论的未解之谜。不过，或许也正是由于这样，由物质构成的我们才得以来到这个世界吧，这真是宇宙的神妙之处。

宇宙是几维空间

对于这个问题，有人会马上反应：不就是三维吗？不错，几千年以来，我们一直是这样认为的。

但到了20世纪，这一观点发生了变化。爱因斯坦首先提出宇宙是四维的，甚至提出宇宙不止四维，应该是多维的。甚至还有人认为宇宙是无穷维空间。但是，时至今日，除了有人提出第五维可能是质量外，其余的额外维究竟是什么仍未弄清楚，人们也不能看到它们的存在。

那么，宇宙是不是多维的呢？这些额外的维又该如何理解呢？

人们长期以来是以三维的欧几里德空间为基础来研究无限广漠又极其复杂的宇宙的，由于它是以刚体的普通力学运动作为基础，没有建立时间和空间之间的内在联系，把时间绝对化了。因此用它来描绘充满了相对性运动和弯曲时空的宇宙显然是不够的。

爱因斯坦根据每一运动物质都有其空间位置对时间的依赖性这一普遍规律，确立了空间和时间的相互关系，建立了四维空间结构。

同三维空间一样，它在描述宇宙运动时仅谈其整体的宏观运动特征，而置质点自身的结构、性质以及内部的物质运动于不顾。显然，不涉及物质的内部空间性质的四维空间结构所描绘的宇宙也是不完整的。

20世纪70年代发展起来的超弦理论突破了爱因斯坦的四维空间，从数学上论证了宇宙应该是大于四维的多维空间。这在实质上是把宏观宇宙和微观宇宙在一定程度上结合起来了。

超弦理论所刻划的额外的维都是描绘微观宇宙的，例如原子、基本粒子、强力和弱力以及真空要点等。从这一点出发，也就容易理解那些额外维的物理度量，并能够进一步探讨决定微观宇宙的维究竟有多少。

看来，宇宙是四维的还是多维的，似乎取决于我们所描述的质点达到多深的层次，取决于我们对宇宙的认识深度和我们对宇宙描绘的详细程度。

什么是暗物质

在茫茫的宇宙中，恒星间相互作用而形成许多有规则的轨道运动，但是，有些运动却找不到对其作用的相应物质。

于是，人们就设想，在宇宙中或许存在着我们看不见的物质，就像穿上了隐身衣的人一样，他虽然在做一些动作，比如拿起凳子，放下架子，但是我们却找不到他的踪影。这种人们看不见但又确实存在的物质就是所谓的暗物质。

科学家们很早已指出，为了说明恒星的运动，需要假定在恒星附近存在着暗物质。一些科学家的理论分析也表明，在太阳附近确实存在着与发光物质几乎同等数量的看不见的物质，星系团中也存在着大量的暗物质。

那么这些暗物质究竟是些什么东西呢？

天文学家认为，它们也许是一般光学望远镜观测不到的某种非常暗弱的矮星或者是质量为木星30～80倍的大行星，因为天文学家已在望远镜所拍摄的天空照片上发现质量不足半个太阳的M型矮星。

从探测到的M型矮星的数目可推断出，它们的质量只相当于在银河系应有的失踪质量的一半，并且每一颗M型矮星发光期最多只能有几万年，所以人们认为银河系中一定存在许许多多的这些小恒星燃烧后的“尸体”，这才足以提供理论计算所需的全部暗物质。

大量的观测结果和理论分析表明，漩涡星系外围也存在着大质量的暗晕。对于这些暗晕的组成成分，英国天文学家认为有三种可能：第一种就是上面讲的小质量恒星或大行星；第二种是很早以前由超大质量恒星坍缩而成的相当于200个太阳质量的大质量黑洞；第三种是奇异粒子，比如总质量很大的中微子等。

同时，欧洲核子研究中心的粒子物理学家认为，星系晕及星系团中最佳的暗物质候选者是相对称理论所要求的S粒子，即每个存在着的与已知的基本粒子配对的粒子。

至今，已有不少天文学家认为，宇宙中绝大多数的物质是以“暗物质”的方式隐藏着的。但是，这些暗物质到底是什么东西？它们究竟势力有多大？我们能利用它们做些什么？还有待人们进一步观测和研究。

宇宙的归宿

广袤无垠的星空，一望无际的银河，在我们的头顶上有一个尽一切可能也望不到边缘的天体，这就是宇宙。一切生物都是有生命的，生生不息，周而复始。可是作为一切生物生存之地的宇宙有没有生命呢？它会不会终结呢？它的归宿何在？

要想探讨宇宙的归宿，首先就必须了解宇宙的来源。从人类文明诞生之日起，就有人在思考这个问题。今天，虽然科学技术已经有了重大进步，但关于宇宙的来源，仍处在假说阶段。归纳起来，大致有以下几种理论：“宇宙爆炸”理论、“宇宙永恒”理论和“宇宙层次”理论。

天文工作者的理论表明，宇宙既有可能是开放式的，又有可能是收缩型的。如果现今这种膨胀速度几乎没有什么变化的话，宇宙就是一个开放的宇宙，将会一直蔓延，直至无穷；如果膨胀最终冷却下来的话，那么宇宙就是一个闭合的宇宙。根据天文工作者的观测，宇宙膨胀的速度已经有减慢的趋势了。按照这种理论，综合天文学家们观察的种种结果，宇宙已经开始收缩了，也就是说宇宙应该是闭合的宇宙。

另外，依据宇宙的平均密度临界值可以确定宇宙是开放型的还是闭合型的，这个临界值是5．10g／cm3。目前，宇宙的平均密度是1．10克／cm3，小于临界值，因此，从这一点来看，宇宙是开放的。但是考虑到宇宙中存在大量的暗物质，宇宙还有可能是闭合的。

评判宇宙是开放还是闭合还有一个标准，那就是看恒星燃尽之后的剩余物质。如果宇宙是开放的，那么一般来说，恒星燃尽之后的结局有三种：白矮星、中子星和黑洞。究竟是哪一种，主要取决于恒星燃尽之后的剩余物质。

天文观察结果表明，宇宙中很多恒星也如人类一样在进行着生与死的更替轮回，不过因为形成新恒星的氢物质正在渐渐减少，所以，从总体上看，死星的数量是多于新生恒星的。天文学家计算表明，再过100万亿年，所有的恒星都有可能进入生命晚期，那时，茫茫宇宙中将只能见到点点星光了，恒星仍然在散发着自己的余热，不过这种散发余热的过程并不能持续多久，到时候，宇宙中将不会再有生命了。

但是没有生命并不就代表物质运动会终止，宇宙中的物质还会继续运动。

据计算，任何恒星在100万亿年以后都会与另一颗恒星接近一次，那么若是经过1亿亿年，每一颗恒星都会发生100次这样的接近。这样，在这颗恒星周围的行星就会被撞得流离失所。

恒星与恒星之间还会发生碰撞事件，但机会比较小。相撞的时候，一颗恒星的能量会被另一颗恒星获取，而获取能量的恒星就会脱离星系。假如是这样的话，100亿亿年以后，90％的恒星将会逃离星系，剩余的将会形成一个大黑洞。这样，宇宙的最终结局就是收缩。

新的粒子理论正好与这种结果吻合，这种理论认为，原子核内的质子可能不是永恒的物质，它的寿命只有1亿亿亿亿年，1亿亿亿亿年以后，质子将会死亡，只剩下几种基本粒子和黑洞。在经过10的100次方年后，连黑洞都会被“蒸发”干净，就剩下几种粒子了。

当然，这只不过是其中的一种理论推测出来的结果，关于宇宙的命运，还有很多种理论的描述。我们目前能够做到的也仅仅是一种推测，真正的结果就像一团巨大的永恒的谜语出现在我们的眼前。