前 言

设想有一天，你一觉醒来发现自己躺在一条小船上，小船慢慢悠悠地游荡在一个海图上未标明的广阔海域。周围没有任何事物可以提供线索说明你是怎样或者是为了什么事来到这条船上的。你也猜想不出不知何故会独自一人待在船上而且已有很长时间了。

你巡视了船舱，发现许多有用的东西：一副双目望远镜，储存得相当多的食物和水，淡化海水的设备以及其他航海必需的物资。巡视了一会儿， 你便拿起望远镜迈出船舱向甲板走去，开始探寻陆地的踪迹。

当你用望远镜巡视海洋时，起初看去是空旷无垠无任何特色的。但当调节望远镜的焦距后，在你周围便开始显露出一些结构的形迹。这里和那里，一块一块的礁石和珊瑚凸出于平静的蔚蓝色海面之上。这些海上奇景多姿多彩，有高而陡的悬崖，也有光滑仆伏的石头，它们的颜色从贝壳白到乌黑发亮的色调，应有尽有。

乍看起来，这些结构是杂乱无章地分布在整个水面上。但当你较细致地巡视海洋时，便会准确无误地注意到有秩序的明证。例如，一些珊瑚团块，组成了长长的起伏的暗礁。它们在大海里形成蜿蜒曲折的复杂结构。你也注意到了一些远方的岩石好像是小岛的边沿和腹地。这些暗礁和岛屿表现出来的景色代替了原先见到的大多是匀称单调的周围的风光。

当你进一步调节望远镜的焦距，延伸了仪器的视程并使其聚焦得更好时，你能看得更远并观察到早些时候遗漏掉的一些景物的特色。原先发现的暗礁的主体沿同一方向排列——由东向西而不是原来以为的由北向南。岛屿的分布也有特色，一簇一簇的岛屿形成错综复杂的群岛，散布在水面上，犹如项圈上的珍珠。

经过一个星期又一个星期不断地搜索，你观察到越来越多的结构的详情，记录了几千个孤立的岛屿、暗礁和许多邻接着的岛屿组成的岛链以及成串的岛链等等。周围的广阔海洋看来是一个比你起初想像的单调宽阔的水面远为复杂得多的场所。

最后，搜索达到极限，你没法看得更远了。但仍有许多未接触到的问题留待以后设法解决。例如，大海是不是一直往远方伸展，或者它是不是被陆地包围着？你周围错综复杂的景色是怎么产生的？为什么岛屿成群地在一起，而暗礁却主要沿同一方向排列？无疑，你会有充分的时间继续工作来发现以上这些谜的谜底。

我们的宇宙航船——地球，在广阔的空间海洋中滑翔得很快。现在， 我们被拘束在这条船上，命定地乘坐着它在引力的弯曲河流中航行。茫茫宇宙中，我们非常之孤独，因为最近的邻居——金星和火星，在几百万公里以外。而最近的可能有生命的行星更远在几千亿公里之外。

但总有一天，人类会有能力跨越恒星之间巨大的距离。直到那时以前，

关于宇宙结构的信息主要来自对天空的扫描。这是很不容易做到的。但是， 用望远镜和其他照相设备，经过一代又一代科学家们的努力，我们已了解了很多有关空间的性质。

人们对宇宙的看法在变化着。对于宇宙结构的知识随着观测仪器的改进越来越丰富。过去，曾经认为宇宙是不大的（相对而言）、静态的和可以理解的；现在，人们认为宇宙非常宽广、易变和在许多方面难以理解。这种转变如上所述是经过历代科学家们的不懈探索和反复思考才形成的。受观测仪器不断改进的影响，在天文学的发展上，经历过三次主要的

变革。第一次，以伽利略（Galileo Galilei）为首的一些学者，在 17 世纪否定了自古代以来认为地球是天国中心的宇宙观。伽利略将他早年自制的望远镜指向恒星及行星，把它们画出来并证明我们的世界只占据了空间的一小部分。18 及 19 世纪的天文学家们，在用望远镜巡视天空的基础上绘制出了众多恒星点缀着天空的详细天图，从而使人们坚信了伽利略的发现。

到 20 世纪初期，另一个里程碑式的变化发生了，这是由于在靠近洛杉矶的威尔逊山上安装了聚光本领更强的胡克（Hooker）望远镜而开始的。一些天文学家猜想宇宙中存在着由众多恒星集合起来的大得多的天体—— 星系。哈勃（EdwinHubble）用胡克望远镜证实了这一猜想。我们所在的星系——银河系，只不过是众多星系中的一个。哈勃还发现宇宙中的大多数星系看起来正以较大速度互相分开。

后来，科学家们从哈勃的发现和其他观测事实得出结论：宇宙曾经聚集在空间的一个点上，在一次叫做大爆炸的“爆破”声中，宇宙从这一点向外膨胀。大多数天文学家认为这一爆发事件大约发生在 150 亿或 200 亿年前，这一宇宙年龄大于我们观测到的最老的星的年龄。

今天，在即将跨入 21 世纪的时候，天文学的第三次重大变革在酝酿中

——一个前沿课题可能是要重新考虑大爆炸模型。现在的探空仪器规模之大、种类之多，与过去相比，不可同日而语。从安装在夏威夷岛莫纳克亚山顶的巨大的凯克（Keck）望远镜，到新的火箭发射的装置如哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope，以下简称 HST），探空气球，射电望远镜以及大群大群的其他新奇仪器。

这些记录光波①的设备不断传来有关宇宙的使人惊奇、有时看上去互相矛盾的信息。1994 年，卡内基研究所（位于加利福尼亚州帕萨迪纳）的弗里德曼女士（Wendy Freedman）和她的同事们用 HST 测量宇宙的年龄。他们应用的技术包括测量地球到一群星系（叫做室女座星系团）的距离，然后用此数据估计目前宇宙膨胀的速率。再从此膨胀速率计算出从大爆炸开

① 光波，泛指全波段。从波长最长的无线电波（在天文学中常称为射电波），经过红外光、可见光、紫外光直到波长最短的 X 射线和γ射线。

始的时刻到今天经历了多长时间。使他们惊奇的是所得结果表明宇宙相当年轻，在 80～120 亿年之间，这比一些古老恒星的年龄要小。现在，一些研究人员正在争先恐后地发展能够解释这一矛盾的宇宙模型。年龄问题—

—需要协调的看似有矛盾的天文时间尺度问题——是现代宇宙学中一个有争议的前沿课题。

已被发现但尚需深入研究的问题还有很多：横跨天空的庞大结构—— 宇宙气泡、宇宙巨壁及巨洞；天空有一个区域，隐藏着一个叫做大吸引体的巨大天体系统，它吸引着该天区的众多星系向它奔去；星系中心的黑洞被记录在案；不清楚其确实内涵的大质量致密晕天体（MAssive Compact HaloObjects，简称 MACHOs）已初步在我们银河系的外围被探测到；科学家们估计的宇宙中星系的数目近来增长了 5 倍，从 100 亿个增加到 500 亿个。而且，宇宙的大部分是由探测不到的不发光的物质所组成，这个问题是前几年才搞清楚的。如果古人曾经知道宇宙中的大部分物质是看不见 的，他们会说些什么呢？对此，我们只好猜测了。

诚然，从巴比伦的占星术到现代宇宙学，从星盘到哈勃空间望远镜， 以及从古希腊的毕达哥拉斯（Pythagoras）到弗里德曼女士，所走过的道路是漫长而又曲折的。沿途有许多迂回、死胡同和众多歧路。因此，在讨论现代科学对宇宙本质的见解之前，让我们从宇宙历史的源头说起，并看看一开始我们的祖先是怎样描绘宇宙的。