認識宇宙
我們常說人類身處宇宙之中，那么，什么是宇宙呢？“宇宙”是個很大的概念，如果我們用搜索引擎來搜索這個詞，能夠得到很多答案。字典中對這個詞的解釋是：包括一切事物的無限空間和時間。宇宙就是一切空間、時間和物質組成的一個整體，其中包括所有的物質和它們的表現形式。
在遠古時期，原始人類在具備了思維能力后，看到天上日升月落、星象運行的情況，意識到晝夜交替的現象。他們便會思考這一切是如何發生的，思考他們所看到的天上的這些事物究竟是什么。因此，即使在當時“宇宙”這個詞還沒有被創造出來，但原始人類必定已經對此有了模糊的概念，并產生了對其一探究竟的好奇心。
宇宙包含無比廣闊的空間，其中存在著各種天體和其他宇宙物質。宇宙是如何起源的呢？這是一個復雜的問題。宇宙中的物質和它們的各種表現形式一直在不斷地運動和發展著。從古至今，科學家們都在追尋宇宙的起源，想要了解宇宙究竟是怎樣形成的。現在，大多數科學家認為，宇宙起源于137億年前的一次大爆炸。宇宙中的所有物質和能量本來是聚集在極其微小的一個點上的，這個點因為巨大的壓力而產生了爆炸。與大爆炸有關的一些原理就是物理學家們所說的量子物理。這場大爆炸使宇宙空間不斷向外擴張，物質充滿了整個空間。這些物質形成了宇宙中的所有星系和星球，也促使了生命的誕生。
一、宇宙是什么樣子的
相對于整個宇宙來說，人類只是極其微不足道的渺小塵埃，甚至是塵埃中的塵埃。但人類的好奇心并沒有局限在自己眼前，而是早已伸向宇宙深處。
在望遠鏡還沒被發明出來以前，人類只能通過肉眼看到眼前可見的一小部分宇宙。16世紀以前，人們都認為自己腳下的土地就是整個宇宙的中心，一切日月星辰都圍繞著這個中心分布。16世紀初期，波蘭天文學家哥白尼提出了日心說，認為地球并不是宇宙的中心，而是與其他行星一樣，都是圍繞著太陽旋轉的。這在當時是一種激進的言論，在社會上引起了軒然大波。宗教界批判哥白尼的說法違背了《圣經》，而意大利思想家喬爾丹諾·布魯諾卻支持日心說，并在此基礎上發展出宇宙無限說，認為宇宙是廣闊無垠的，沒有中心，也沒有邊界；地球只是圍繞太陽旋轉的一顆行星，而像太陽這樣的恒星在宇宙中有無數顆；所有星體都會誕生和死亡，只有無限的宇宙是永恒存在的。布魯諾四處宣揚他的宇宙無限說，惹怒了羅馬教廷。他最終被宗教裁判機構以“異端”的罪名燒死在羅馬鮮花廣場上。
十年后，望遠鏡剛剛誕生不久，意大利天文學家伽利略就用望遠鏡進行觀測，發現宇宙中有無數肉眼看不到的星星，因此證實了布魯諾的說法。但布魯諾提出的“無限”只是空間概念上的無限，并不包含時間概念上的無限。
1990年以前，人類只能在地面觀測宇宙。1990年4月24日，以著名天文學家、美國芝加哥大學天文學博士愛德溫·哈勃命名的太空空間望遠鏡—哈勃望遠鏡，在美國肯尼迪航天中心通過“發現者”號航天飛機發射升空，從此人類可以直接觀測太空空間。這彌補了地面觀測的不足。
哈勃望遠鏡在發射升空后進行了深空探索，將觀測到的星系區域選取一小塊放大，然后在選取的區域中再選取一小塊放大，就這樣不斷選取不斷放大，而每一次放大所得的圖片都顯示出密密麻麻的星系，由此可見宇宙的浩瀚無邊和深不可測。
目前，科學家們主要依據宇宙的背景輻射來對宇宙進行觀測。我們知道宇宙膨脹的，無論是光還是聲音，在介質中傳播都需要一定的時間。我們把時間向宇宙誕生的初期反推就會發現，當宇宙的規模還很小的時候，它內部的密度仍然是很大的，其中的電子會發生游離，就像水蒸發變為水蒸氣那樣。在碰到電子的時候光會發生偏移和散射，無法沿直線前進。這就像光在通過水蒸氣時也會發生散射，所以在霧氣中我們會看不清對面的東西。在宇宙形成的早期，因為宇宙內部充滿游離態的電子，光無法自由通過，所以這時的宇宙是不透明的。隨著宇宙不斷向外膨脹，其溫度也隨之降低，當宇宙的年齡到了約10萬年時，其溫度已經下降到3000攝氏度。這時，電子與質子發生了結合，不再對光產生阻礙，宇宙開始變得透明了。所以，我們目前能夠看到的宇宙，都是其誕生10萬年以后的景象了。宇宙中的光從誕生之日起，已經行走了137億年。宇宙在這漫長的歲月中發生的所有故事，都能從這些光里一窺究竟。
到了1992年，美國的NASA通過一顆人造衛星第一次看到了全天宇宙的模樣。這顆衛星從不同的角度測量了宇宙中古老的光子的強度，組成了120億年前宇宙的圖景。科學家們憑借這個觀測結果第一次證實了宇宙早期的形狀是扁平的，從宇宙誕生之日就在不停地膨脹，溫度也在不斷地下降。
英國著名的物理學家、研究宇宙問題的權威史蒂芬·霍金教授曾經在劍橋大學的一次演講中說，根據他和他的團隊的研究，我們所處的宇宙很可能具有一個美妙的幾何結構，與超現實主義的藝術作品有些相似。他還舉例說，這種形狀就像是荷蘭藝術家埃舍爾的作品一樣令人不可思議又令人非常著迷。霍金教授的這個說法可能會讓很多喜愛埃舍爾作品的人心生喜悅，但是，考慮到霍金教授以及他的團隊用來研究宇宙形狀的依據是弦理論，而這一理論目前還是一種未經證實的理論，所以他的說法也只能作為一種參考。
進行這個研究的團隊將首次試圖利用數學模型來解決宇宙中的空間纏繞問題。在過去，這種方法從未被考慮過進行這類研究。如果科學家們能夠建立起這個模型，我們就可以利用它來解釋宇宙大爆炸后，一個能夠自我支撐的空間是怎么形成的。在這個空間里，引力和量子力學也將能夠實現統一。參與這項研究的一位科學家說，運用弦理論搭建宇宙的模型，是一種從未嘗試過的全新途徑。
宇宙的形狀如果從語言角度來描述，可以說它是一個多重曲面鑲嵌在一起的整體。這個整體擁有無限重復的扭曲的面，每個曲面之間又緊密相連。這個結構與埃舍爾的作品“圓形極限”十分類似。這一類藝術品都反復出現了鑲嵌在一起的周期性的圖案，讓我們得以在有限的面積中得到一種無限和遞增的觀感。而且，盡管這些藝術作品都是二維的平面圖案，但是體現出了空間的曲面結構。
在一些超現實主義的藝術作品中，經常有一些環環相扣、反復出現的圖案，這些圖案首尾相連，從中心出發一直延展到邊緣，給人的感覺仿佛是無限延伸的。這些圖案在二維的平面上看起來是以固定的系數一直在無限地縮小著的。但是如果把它們放到一個雙曲空間中，每個圖案的大小將不發生變化，每個圖案都是相同的。因為在空間中無法進行平鋪，所以在一個多維空間中我們能夠看到一個扭曲的圖形，以一個固定的頻率如波浪般起伏。
二、宇宙由什么組成
宇宙都是由哪些物質組成的呢？顯而易見的答案是，宇宙是由天空中閃亮的星星組成的。但是隨著時間的推移，科學家們不斷地發現了一些證據，這些證據推翻了這個傳統的答案。科學家們認為，組成我們日常能夠見到的所有事物、星體以及星系的“普通”物質，在宇宙的全部質量中只占不到5%！據科學家們估算，還有26%是由我們沒有發現的粒子所組成的暗物質。剩下的近70%就更加神秘，他們推測，這可能就是造成宇宙不斷向外膨脹的能量—暗能量。我們目前還無法了解暗物質和暗能量究竟是什么，科學家利用空間望遠鏡和粒子加速器展開研究，想要找到關于它們的答案。
在茫茫宇宙中，有不計其數的星體。絕大多數我們能夠在太空中看到的星體都是恒星，它們在孤寂的夜空中發出的光芒看起來似乎是冰冷的，但是實際上，恒星都和我們的太陽一樣，是炎熱的火球。它們不斷地向宇宙空間釋放熱量。恒星的表面溫度非常高，至少能夠達到3000攝氏度。任何金屬碰到恒星表面的火焰都會瞬間熔解甚至直接氣化。但是，我們從距離它們十分遙遠的地球上看，這些發著幽光的星球就好像是夜空中的螢火蟲一樣。
在這些恒星中，有一些恒星的體積非常大，甚至相當于太陽體積的80億倍。它們是由氣體組成的，密度很小。其中密度最小的星球，只相當于地球大氣密度的幾萬分之一。這個密度比我們在一個密閉空間里用抽氣機造成的“真空”還要更小一些。同時還存在另一種恒星，它們的體積甚至還不如地球大，但是密度非常高，引力也非常大。如果人類能夠到達這種星球上，不但無法站立起來，甚至會直接被自己的重量壓碎了。這些小型恒星發出的光十分明亮，表面溫度也很高，能夠達到30000～50000攝氏度。
還有許多恒星，它們和太陽差不多大，在恒星中屬于中等體型。這些恒星的密度適中，表面溫度能夠達到幾千攝氏度。恒星有各種各樣的表現形式，但是保持一致的是，它們全部是由氣體組成的星球，十分灼熱，并且能夠發出耀眼的光芒。
通常來說，這些恒星的周圍也有像地球這樣自身無法發光發熱的行星。但是，就算我們用如今最先進的空間望遠鏡，也無法直接觀測到其他星系中的行星，因為它們無法發光，而且體積實在是太小了。但我們能夠確定，不但太陽系具有行星，其他恒星系統也具有行星。
每一顆恒星之間的距離，以我們目前掌握的空間技術，都要走上幾萬年。所以，在宇宙的尺度上，我們通常用光在一個固定時刻行走的距離來作為距離單位，比如光天、光年等。所以，盡管從我們自身的角度來說，恒星是如此巨大，但是把它們放在宇宙中，就好像是大海中的水滴一樣，甚至比水滴還要小。
在恒星與恒星之間，還存在很多宇宙塵埃和氣體，這些氣體有時會組成星云。這些星云的厚度有時會達到數億乃至數萬億千米，它們在宇宙中飄浮著，影響光線的通過。這些星云本身不會發光，它們有些會反射附近的恒星發出的光，能夠讓我們直接觀察到，我們稱之為亮星云。還有一些星云所處的宇宙空間是黯淡無光的，就成了暗星云。宇宙中的各種星體和星云以及它們組成的星系，是最常見的物質。
晴朗的夜晚我們能在夜空中看到銀河。實際上，銀河是由1000億顆恒星組成的類似鐵餅狀的星系系統，我們稱之為銀河系。太陽系就是銀河系中最普通的一個恒星系。從地球上向外看，銀河系是一個美麗的光環。它幾乎布滿了我們的整個夜空，但是在宇宙中，銀河系也只不過是成千上萬個星系中的一個。
在宇宙中，有無數個恒星系，它們像我們的銀河系一樣，都是由1000億顆以上的恒星組成的。我們在地球上通過肉眼能夠直接看到的一個星系來自仙女座。在北半球的初冬的上半夜，我們可以在天空的正中看到一個紡錘形光點，這就是一個星系。這個星系距離地球220萬光年。在星系中，光年是最普遍的距離尺度。在每個星系中，從一端到另一端都需要行走數萬乃至數十萬光年。
到目前為止，人類已經發現了數以億計的星系。但是，這離我們發現宇宙的真實模樣還有遙遠的距離。我們所能觀測到的宇宙，只占宇宙極其微小的一部分。隨著技術的發展和科學的進步，我們在未來將能夠看到更加寥廓的宇宙。
宇宙中的所有星球都是在時刻不停地運動著的。我們的地球每天在自轉，同時圍繞著太陽進行公轉。太陽帶著太陽系中的行星圍繞著銀河系的中心旋轉。宇宙是時刻變化著的，就像我們之前說的，還在不斷地向外膨脹。過去，人們曾經有三種猜測：一種是脈動說，認為宇宙膨脹到一定程度就會反向收縮，收縮到原點后又會再次爆炸，再次膨脹，然后再次收縮；一種說法認為宇宙是不會膨脹也不會收縮的，永遠保持現在的樣子；還有一種說法認為宇宙自大爆炸開始就會無休止地膨脹下去，直到解體。根據科學家們的觀測和研究，最終證實最后一種猜測是最恰當的。
50億年前，宇宙膨脹呈現出逐漸減慢的趨勢，然而從50億年這一界限開始，膨脹速度卻突然加快。這就說明，在50億年的時候，有一種神秘力量突然介入宇宙，加快了宇宙的膨脹速度，這種力量就是暗能量。它直到現在還在起作用，使得宇宙沒有任何停止膨脹的跡象。因此，宇宙很有可能將會永遠膨脹下去。
三、宇宙起源
比利時物理學家勒梅特是第一個提出宇宙大爆炸理論的科學家，他計算出宇宙正在膨脹，并推想宇宙從前的體積必定比現在更小，宇宙的初始狀態或許就是一顆球形的宇宙原子，而宇宙的形成就來源于宇宙原子的大爆炸。
從1942年開始，美國宇宙學家伽莫夫就醞釀并創建了宇宙大爆炸的理論模型。到了1948年，他的研究成果已經基本成熟，于是發表論文詳細闡述了宇宙大爆炸理論。他將宇宙大爆炸的進程分為以下幾個階段：
第一階段是創生階段。首先是宇宙誕生的起點，也就是137億年前大爆炸的奇點，此時的宇宙具有極高的溫度、壓力和密度；接下來是普朗克時期，也就是大爆炸之后的10-34秒，此時宇宙的溫度降到1032開，密度降到每立方米1093千克；然后到了大統一時期，也就是10-35秒，此時宇宙溫度繼續降到1028開，引力、電磁作用力、弱作用力、強作用力這四大基本作用力統一為一體；接著進入強子時期，也就是10-6秒，此時宇宙溫度為1014開；然后是輕子時期，也就是10-2秒，此時宇宙溫度為1012開；此后，電磁作用力、弱作用力和強作用力逐漸分離，各種粒子開始出現，而原子尚未形成。
第二階段是氫、氦等簡單元素產生的階段。首先是輻射時期，也就是1～10秒，此時宇宙溫度為1010～109開；接著是氦形成時期，也就是3分鐘，此時宇宙溫度為109開，直徑為1光年左右，有將近30%的氫反應形成氦；然后是粒子豐度趨于穩定時期，也就是30分鐘，此時宇宙溫度降低到108開，粒子停止轉化，豐度變得穩定；接著是物質時期，也就是1000～2000年，此時宇宙溫度降低到105開；到10萬年，宇宙溫度降低到約5000開，物質開始從背景輻射中透明出來。
第三階段是星系、星體和生命誕生的階段。到1億年，宇宙溫度降低到100開，此時星系開始形成；到10億年，宇宙溫度降低到12開，此時類星體、恒星、行星以及生命開始誕生；到100億年，宇宙溫度降低到3開，星系溫度大約為105開，我們當前就處于這一時期。為了證明宇宙大爆炸學說，很多科學家從各個角度提出了不同的證據。
第一個證據是通過觀測計算出的宇宙年齡與大爆炸理論測算出的數值相符，科學家至今尚未發現比這一數值年齡更大的天體。
第二個證據是宇宙各處氫元素的豐度與大爆炸理論測算出的數值相符。我們知道，在氦形成時期，有將近30%的氫反應形成氦。科學家對當前宇宙的各個角落進行觀測和計算，發現所有數值都與這個比例相符。
第三個證據就是宇宙微波背景輻射，這也是大爆炸學說最關鍵的證據。美國貝爾電話實驗室的兩位工程師彭齊亞斯和威爾遜在工作中偶然用天線接收到強烈的噪聲，而且無論將天線朝向哪個方向，噪聲都無法停止下來，即使排除了一切干擾因素，噪聲依然存在。他們最終確認，這種噪聲處于微波波段大約3開等效溫度的位置，是一種來自空間且在各個方向性質均等的噪聲。他們將這一發現公布出去，很快便受到了美國物理學家迪克的重視。迪克認為，根據宇宙大爆炸理論，爆炸后產生的能量逐漸冷卻，到現在為止應該存在著一個能量遺跡，他一直在尋找這個遺跡，而彭齊亞斯和威爾遜的發現恰好證實了這個遺跡的存在。這個遺跡也就是微波背景輻射。后來，人們在深入宇宙空間進行探索時，無數次地驗證了微波背景輻射，發現整個宇宙空間都充斥著微波背景輻射，因此也就證明了宇宙大爆炸學說。
那么，大爆炸究竟是怎樣形成的？宇宙誕生之前是什么樣子的呢？
宇宙大爆炸與我們所熟知的壓力型爆炸不同，它是一種真空能量的釋放，也就是說，宇宙是從真空中誕生的，這種真空是一種“沸騰的真空”。“沸騰的真空”這一說法是英國物理學家狄拉克在1930年提出的，他認為，真空中充斥著正負電子對，當具備了一定條件，也就是“真空極化”時，負能粒子會轉變為正能粒子。因此，真空中蘊含著巨大的能量。
普朗克時期便是真空能量釋放的時期，10-34秒之后，連續的時間和空間才真正形成，在此之前，時間和空間是量子化、不連續的，是一種時空混沌的狀態，所以，“宇宙誕生之前”這種帶有經典時空概念（連續時空概念）的說法無法成立，“宇宙誕生之前是什么樣子的”這一問題也是不成立的。