1．什么是宇宙？
宇宙是天地萬物，是廣漠空間和其中存在的各種天體以及彌漫物質(zhì)的總稱。 辨證唯物主義哲學認為，世界的本質(zhì)是物質(zhì)的，物質(zhì)可以轉(zhuǎn)換不同的存在形式，但在本質(zhì)上是永久存在，永久不滅的。宇宙是普遍永恒的物質(zhì)世界，在空間和時間上都是無限的。從空間看宇宙是無邊無際，它沒有邊界，沒有形狀，也沒有中心，如果承認宇宙以外還有什么東西，就否認了世界的物質(zhì)本性；從時間看宇宙無始無終，它沒有起源，沒有年齡，也不會終結(jié)，如果承認宇宙有起源，就會導致創(chuàng)世說，實際上也否認了世界的物質(zhì)本性。
但具體事物的有限性也不能否認。宇宙的無限與具體事物的有限并不矛盾，因為只有無數(shù)具體的有限才能構(gòu)成全部的無限。人類觀察到的宇宙是動態(tài)的，隨著科學技術(shù)的進步，人類所知的宇宙在不斷擴大。18世紀以前人類認識宇宙的范圍只限于太陽系，隨后認識到太陽系以外還有千億個恒星，它們組成了銀河系。19世紀人類又發(fā)現(xiàn)了河外星系，發(fā)現(xiàn)銀河系在宇宙大家庭中只不過是相當渺小的一員。20世紀50年代的光學望遠鏡、60年代的射電天文望遠鏡把人類對宇宙的探測距離猛增，人類可以永遠擴大自己對物質(zhì)世界的觀察視野，不會停留于某一固定的邊界上，這有力證明宇宙是無限的。
天文學上通常將天文觀測所及的整個時空范圍稱為“可觀測宇宙”，有時又叫“我們的宇宙”，或簡稱“宇宙”�，F(xiàn)代科學的基本觀念之一，就是可觀測宇宙也像其他事物一樣，有它誕生發(fā)展的歷史。據(jù)現(xiàn)代宇宙學說估算，宇宙年齡是極其漫長的，約為150億歲；可觀測的全部宇宙空間是極為龐大的，已觀測到的最遠的星系距離我們大約150億光年。
宇宙既有統(tǒng)一性又有多樣性。宇宙的統(tǒng)一性在于它的物質(zhì)性，宇宙的多樣性在于物質(zhì)的表現(xiàn)形式千差萬別，組成宇宙的物質(zhì)在存在狀態(tài)、質(zhì)量和性質(zhì)上有著極大的差異。
宇宙是由各類天體和彌漫物質(zhì)組成的。宇宙中有形形色色的天體，恒星、星云、行星、衛(wèi)星、彗星、流星等天體都是宇宙物質(zhì)的存在形式。
2．什么是恒星和星云？
宇宙中最主要的天體是恒星和星云，因為它們擁有巨大的質(zhì)量。恒星是由熾熱氣態(tài)物質(zhì)組成，能自行發(fā)熱發(fā)光的球形或接近球形的天體。恒星是像太陽一樣本身能發(fā)光的星球，晴夜用肉眼看到的許多閃閃發(fā)光的星星中，絕大多數(shù)是恒星。星云是由極其稀薄的氣體和塵埃組成的，形狀很不規(guī)則，似云霧狀的天體。
3．什么是星系？
由無數(shù)恒星和星際物質(zhì)構(gòu)成的巨大集合體稱為星系。它們的尺度可以從幾千到幾十萬光年。星系或稱恒星系，是宇宙系統(tǒng)中的重要一環(huán)。星系數(shù)量眾多。到目前為止，人們已在宇宙中觀測到了約1000億個星系。地球就處在由1000多億顆恒星以及銀河星云組成銀河系中。有的星系離銀河系較近，可以清楚地觀測到它們的結(jié)構(gòu)。離銀河系最近的星系——大麥哲倫星云和小麥哲倫星云，距離為十幾萬光年。有的非常遙遠，目前所知最遠的星系離我們有近150億光年。
人們把目前所認識到的宇宙部分，包括已觀測到的所有星系，稱為總星系。
4．人類宇宙觀的演變過程。
人類早期對宇宙的認識十分幼稚，世界上的各文明古國都有關(guān)于天地起源和結(jié)構(gòu)的種種傳說，充滿著想象。古代關(guān)于宇宙的構(gòu)造和本原也有過許多學說，最主要是亞里士多德——托勒密的地心說，認為地球是宇宙的中心，這一學說占統(tǒng)治地位的時間長達1400年之久。
近代人類對宇宙認識的轉(zhuǎn)變始于16世紀，哥白尼倡導了日心說，他在《天體運行論》一書中提出“太陽是宇宙的中心”。發(fā)明了天文望遠鏡，他的觀察和發(fā)現(xiàn)支持了日心說。到17世紀，牛頓開辟了以力學方法研究宇宙學的途徑，建立了經(jīng)典宇宙學。20世紀愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對論，提出了“有限、無邊、靜態(tài)”的相對論宇宙模型。
20世紀以來，天文觀測的尺度大大擴展，達到上百億年和上百億光年的時空區(qū)域，宇宙膨脹的動態(tài)宇宙演化觀念進入了人類的意識。20年代，首先由前蘇聯(lián)物理學家和數(shù)學家弗里德曼提出了均勻各向同性膨脹的動態(tài)宇宙模型。特別是哈勃，發(fā)現(xiàn)了紅移定律后，到40年代形成了伽莫夫的宇宙大爆炸理論，促成了現(xiàn)代宇宙學的誕生。20世紀70年代，霍金進一步用廣義相對論推演宇宙演變，提出了宇宙起源和終結(jié)的論斷，已經(jīng)被科學界廣泛接受。
5．什么是現(xiàn)代宇宙學？
現(xiàn)代宇宙學所研究的就是現(xiàn)今直接或間接觀測所及的整個天區(qū)的大尺度時空的性質(zhì)、物質(zhì)運動的形態(tài)和規(guī)律。
6．關(guān)于大爆炸理論
“宇宙大爆炸理論” 是現(xiàn)代宇宙學中最、也是影響的一種學說，它是到目前為止關(guān)于宇宙起源最科學的一種解釋。大爆炸理論的主要觀點是認為整個宇宙最初聚集在一個“原始原子”中，然后突然發(fā)生大爆炸，使物質(zhì)密度和整體溫度發(fā)生極大的變化，宇宙從密到稀、從熱到冷、不斷膨脹，形成了我們的宇宙。最初那次無與倫比的爆發(fā)就被稱為大爆炸，這一關(guān)于宇宙起源的理論則被稱為宇宙大爆炸理論。
宇宙大爆炸的設(shè)想最早由比利時天文學家勒梅特在1932年提出的。到20世紀40年代，美籍俄國天體物理學家伽莫夫提出了熱大爆炸宇宙學模型，并計算出爆炸之初的溫度、溫度下降的快慢等，論述了演化過程。大爆炸理論在誕生之初由于缺少證據(jù)并不使人信服，但到20世紀60年代以后，越來越多的證據(jù)表明大爆炸模型在科學上有強大的說服力，特別是英國理論物理學家斯蒂芬·霍金對于宇宙起源后最初的宇宙演化圖景作了清晰的闡釋。
7．宇宙的演化過程分為哪幾個階段？
根據(jù)大爆炸宇宙學模型的觀點，宇宙150億年的演化過程分為三個階段。大爆炸的整個過程大致是這樣的：
大約150億年前，宇宙內(nèi)的所存物質(zhì)和能量都聚集到了一起，并濃縮成很小的體積，溫度極高，密度極大。突然，這個體積無限小的點在四大皆空的“無”中爆炸了，時空從這一刻開始，物質(zhì)和能量也由此產(chǎn)生，這就是宇宙創(chuàng)生的大爆炸。人們將大爆炸的瞬間定作宇宙年齡“零”時。
第一個階段是宇宙的極早期。宇宙處在這個階段的時間特別短，短到以秒來計，稱為“太初第一秒”。剛剛誕生的宇宙是極其熾熱、致密的，隨著宇宙迅速膨脹，溫度急速下降。宇宙年齡為百分之一秒時，溫度降到1000億攝氏度；宇宙年齡為1秒時，溫度繼續(xù)下降，但仍高達100億攝氏度以上，宇宙處于一種極高溫、高密的狀態(tài)，當時除氫核——質(zhì)子外，沒有任何別的化學元素，只有由質(zhì)子、中子、電子、光子等基本粒子混合而成，成為熱平衡狀態(tài)下的“宇宙湯”。
第二個階段是化學元素形成階段，大約經(jīng)歷了數(shù)千年。在“宇宙湯”中，原先只有中子和質(zhì)子等基本粒子，在3分鐘時中子和質(zhì)子之比為1：6。隨著整個宇宙體系不斷膨脹，溫度很快下降。當溫度降到10億度左右時，中子開始失去自由存在的條件，化學元素從這一時期開始形成。中子和質(zhì)子開始核聚變過程，所有的中子迅速合成到由兩個質(zhì)子和兩個中子構(gòu)成的氦核中，余下的質(zhì)子就成了氫原子核。這一時期還合成了其它輕元素，如氘、氚、鋰、鈹、硼等，數(shù)量較少。各種輕元素的豐度——即與氫的比例在宇宙各處都是一定的。當溫度進一步下降到100萬攝氏度時，早期形成化學元素的過程就結(jié)束了。此時宇宙間的物質(zhì)主要是這些比較輕的原子核和質(zhì)子、電子、光子等，光輻射很強，但是沒有星體存在。 第三個階段是宇宙形成的主體階段。這個階段的時間最長，至今我們?nèi)陨钤谶@一階段中。這一階段起始于溫度降到幾千攝氏度時，此時上述各種原子核開始與電子結(jié)合為中性原子，這一過程稱為復合。由于溫度的降低，輻射也逐步減弱，宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì)，這些物質(zhì)的微粒相互吸引、融合，形成越來越大的團塊。又過了幾十億年，中性原子在引力作用下逐漸聚集，先后形成了各級天體。氣體逐漸凝聚成星云，并逐漸演化成星系、恒星和行星，再進一步形成各種各樣的恒星體系，成為我們今天所看到的五彩繽紛的星空世界。在個別天體上還出現(xiàn)了生命現(xiàn)象，人類也終于在地球上誕生了。
8．支持大爆炸理論的依據(jù)有哪些？
宇宙大爆炸理論之所以能從剛提出的時候不受關(guān)注，到后來的異軍突起，是因為大爆炸理論有實際依據(jù)，在它誕生前后不斷得到了大量天文觀測事實的支持。 觀測宇宙學已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在目前觀測所及的范圍內(nèi)存在著許多重要的系統(tǒng)性特征，例如：星系紅移、微波背景輻射、宇宙元素的豐度、宇宙的年齡等，這些觀測事實都可以用大爆炸模型來論證：
1〕星系紅移
天文學家觀測到河外天體有系統(tǒng)性的譜線紅移，用多普勒效應(yīng)解釋，紅移就是宇宙膨脹的反映，這完全符合大爆炸理論。
1929年，哈勃發(fā)現(xiàn)不同距離的星系發(fā)出的光，顏色上稍稍有些差別。遠星系的光要比近星系紅一些，即波長要長一些，它說明各星系正以很高的速度彼此飛離。這一現(xiàn)象可以用火車遠離我們行駛時汽笛的聲調(diào)（即頻率）所發(fā)生的變化來比擬：當一列火車快速駛遠時，它的汽笛聲聽來會沉悶很多，因為聲波相對于我們的頻率變低、波長變長了，這就是多普勒效應(yīng)。把聲波換成光產(chǎn)生的效果就是紅移，它被解釋為是由星系系統(tǒng)地向遠離我們的方向運動時的多普勒效應(yīng)產(chǎn)主的，可見星系都在做遠離我們的運動。
哈勃總結(jié)出譜線紅移的規(guī)律是：越遠的星系它的光譜線紅移量就越大，因而遠離我們而去的速度就越大，也就是說，對遙遠星系，紅移量與星系離我們的距離成正比，這紅移叫宇宙學紅移，或稱為“哈勃紅移”，這就是的哈勃定律。此后，在紅外及整個電磁波波段都觀測到了這個規(guī)律。哈勃對眾多星系的光譜進行研究后確認紅移是一種普遍現(xiàn)象，這表明宇宙正在膨脹。這一發(fā)現(xiàn)奠定了現(xiàn)代宇宙學的基礎(chǔ)。
河外星系普遍遠離我們而去，是因為宇宙正處在宏偉的整體膨脹之中。把宇宙中的星系想象成面包中的葡萄干，有助于理解它們隨宇宙膨脹而彼此遠離的圖景：當一只嵌有許多葡萄干的巨大的面包膨脹時，其中的葡萄干就會隨之彼此遠離，其中每一顆葡萄干都會發(fā)現(xiàn)其它所有的葡萄干都在離開自己。相距越遠的葡萄干彼此分離的相對速度也越大。在任何一個星系上，都會看到同樣的情景。
此外由于萬有引力的作用，宇宙膨脹的速度會隨時間發(fā)生變化。萬有引力作用于宇宙中一切物質(zhì)與能量之間，起到剎車的作用，阻止星系往外跑，從而使膨脹速度越來越慢。在誕生初期，宇宙從高密度狀態(tài)迅速膨脹，隨著時間的推移，體積越來越大，膨脹速度則越來越小。將這個過程向回追溯到宇宙創(chuàng)生的那一刻，可以發(fā)現(xiàn)當時宇宙體積為零，而膨脹速度為無限大。這就是大爆炸。
宇宙整體膨脹的發(fā)現(xiàn)，乃是20世紀的科學成就之一。如今人們不斷探測到更多更遠的星系，但哈勃定律對它們依然成立。這個模型就叫做宇宙膨脹模型或大爆炸模型。
2〕微波背景輻射
微波背景輻射是150億年前發(fā)生的大爆炸在今天的宇宙結(jié)構(gòu)上留下的印跡。根據(jù)大爆炸理論，通過宇宙膨脹速度等可以具體計算宇宙每一歷史時期的溫度，伽莫夫等人在1948年就斷言，我們的宇宙從最初的高溫狀態(tài)膨脹到現(xiàn)在已經(jīng)很冷了，目前宇宙中應(yīng)到處存在著一定溫度的背景輻射，相應(yīng)的溫度大約是5K。由于它的輻射峰值在微波波段，故稱為宇宙微波背景輻射。
1964年，原初宇宙這一最重要的遺跡被發(fā)現(xiàn)了。美國貝爾電話公司工程師彭齊亞斯和威爾遜在調(diào)試巨大的喇叭形天線時，出乎意料地收到一種無線電干擾噪聲，這種噪聲在天空中的任何方向上都能接收到，各個方向上信號的強度都一樣，而且歷時數(shù)月而無變化。這種噪聲的波長在微波波段，這一發(fā)現(xiàn)正是大爆炸宇宙論預言的宇宙微波背景輻射，經(jīng)過進一步測量和計算，得出輻射溫度是2．7K，一般稱之為3K宇宙微波背景輻射。1989年，美國航空和航天局專門發(fā)射了宇宙背景探測器衛(wèi)星，對宇宙背景輻射進行更精密的測量。
宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，是繼1929年哈勃發(fā)現(xiàn)星系譜線紅移之后的又一重大的天文成就，因此它被列為20世紀60年代天文學四大發(fā)現(xiàn)之一。微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)有力地支持了宇宙大爆炸理論。
3〕宇宙元素的豐度
大爆炸模型預言宇宙應(yīng)當由大約25％的氦和75％的氫組成，這與天文測量結(jié)果極為符合。在宇宙中，氫和氦是最豐富的元素，二者豐度之和約占99％。而且氫和氦的豐度比在許多不同的天體上均約為三比一左右。
按標準宇宙模型，在熱平衡的“宇宙湯”階段，中子與質(zhì)子的數(shù)量相等。隨著宇宙的膨脹，宇宙變冷，二者比例降低。中子和質(zhì)子很容易聚合在一起，開始了形成氦核的核反應(yīng)，產(chǎn)生由兩個質(zhì)子、兩個中子組成的氦核。這個過程用完了所有的中子，形成的氦約占宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的四分之一，余下的質(zhì)子就成了氫原子核，即氦同氫的質(zhì)量分別占25％和75％。這也說明元素形成時其它元素的份量很少，宇宙中幾乎全是氫和氦。從太陽系、其它恒星、星際介質(zhì)、不同星系以及宇宙射線觀測和研究中獲得的數(shù)據(jù)表明，宇宙氦的含量在22％～25％之間，而氫與氦的質(zhì)量比約為3：1，理論值與觀測值接近。另外同一時期合成的氘、氚、鋰、鈹、硼等輕元素盡管數(shù)量比氫、氦少得多，但理論給出的豐度值與實際觀測也較接近。這些事實對“大爆炸宇宙”模型是有力的支持。因此，宇宙中99％以上的物質(zhì)是由最初形成的氫與氦構(gòu)成的；而造成行星和生命的豐富多彩的重元素還不到宇宙總質(zhì)量的l％，它們大部分是在形成恒星后產(chǎn)生的。
4〕宇宙的年齡
宇宙有開端就有年齡。根據(jù)宇宙膨脹的速率倒推，大爆炸發(fā)生在約150億年前。如果宇宙正在膨脹，星系正在彼此遠離，那宇宙過去必定比較小，星系過去必定靠得更近。如果能把宇宙史這個過程倒過來進行，勢必會發(fā)現(xiàn)在過去的某個時刻，
所有的星辰都是聚合在一起的。也就是說，較早時代的宇宙，物質(zhì)密度會更高。繼續(xù)這一推理就意味著過去必定存在一個有限的時刻，那時宇宙中的物質(zhì)被壓縮為極其高密的狀態(tài)。按照哈勃定律將星系的距離除以各自的速度，就可估計出那一時刻距今約150億年。
這段時間對所有星系來說是共同的。根據(jù)大爆炸理論，宇宙中一切天體都是在溫度下降后產(chǎn)生的，因而任何天體的年齡都應(yīng)比自溫度降至今天這一段時間為短，所有恒星的年齡都不應(yīng)超過由宇宙年齡所確定的上限。各種天體年齡的測量證明了這一點。利用放射性同位素含量測定年代的方法，人們測量了地球上最古老的巖石，測量了宇航員從月球上帶回的土壤、巖石樣品，測量了來自行星際空間的隕石，發(fā)現(xiàn)它們的年齡均不超過47億年。恒星的年齡可從它們的發(fā)光速率與能源儲備來估算，根據(jù)熱核反應(yīng)提供恒星能源的理論，人們估計出銀河系中最老恒星的年齡為100－150億年。用這兩種完全不同的方法得到的天體年齡與“宇宙齡”是協(xié)調(diào)一致的，這對大爆炸宇宙模型是十分有力的支持。
上述天文觀測事實極大地支持了大爆炸模型。當然大爆炸宇宙論也還存在許多未解決的難題，還有待于深入研究和取得更多的觀測資料，才能得到進一步的結(jié)論。
9．宇宙的未來是怎樣的？
大爆炸宇宙論指出150億年之前的大爆炸是空間、時間、物質(zhì)與能量的起源，這一學說是有關(guān)宇宙起源和演化的種種學說中最有說服力，觀測事實最為豐富，因而也最廣泛地為人們所采納。但我們的宇宙是否會永遠膨脹下去？宇宙今后的圖景和未來的命運又是怎樣的呢？大爆炸宇宙論并沒有給出明確的答復。
按照大爆炸模型，宇宙在誕生后不斷膨脹，與此同時，物質(zhì)間的萬有引力對膨脹過程進行牽制。這里有兩種可能：
一種可能是宇宙膨脹將永遠繼續(xù)下去。如果宇宙總質(zhì)量小于某一特定數(shù)值，則引力不足以阻止膨脹，宇宙就將一直膨脹下去。在這個系統(tǒng)里，引力雖不足以使膨脹停止，但會不斷地消耗著系統(tǒng)的能量，使宇宙緩慢地走向衰亡。宇宙越來越稀薄和寒冷，直至物質(zhì)本身最后衰亡，只剩下宇宙背景輻射。到非常遙遠的將來，所有的恒星燃盡熄滅，茫茫黑暗中潛伏著一些黑洞、中子星等天體。黑洞釋放出微弱的輻射，最終全都以熱和光的形式蒸發(fā)掉。足夠長的時間之后，連質(zhì)子這樣穩(wěn)定的基本粒子也衰變、消亡了，宇宙最終變成一鍋稀得難以置信的湯，其中有光子、中微子，越來越少的電子和正電子。所有這些粒子都在緩慢地運動，彼此越來越遠，不會再有任何基本物理過程出現(xiàn)，出現(xiàn)寒冷、黑暗、荒涼而又空虛的宇宙，它已經(jīng)走完了自己的歷程，達到了“熱寂”的狀態(tài)。
另一種可能是膨脹停止而代之以收縮。如果宇宙的總質(zhì)量大于某一特定數(shù)值，那么總有一天宇宙將在自身引力的作用下收縮，造成與大爆炸相反的“大坍塌”。收縮過程與大爆炸后的膨脹是對稱的，像一場倒放的電影。收縮的過程起初很緩慢，隨后越來越快。宇宙的體積開始縮小，背景輻射溫度上升。漆黑寒冷的宇宙變成一個越來越熱的熔爐，行星、恒星也毀滅了，分布在如今浩瀚空間中的物質(zhì)被擠進一個很小的體積內(nèi)，任何天體都在劫難逃。最后三分鐘來臨了，溫度變得如此之高，連原子核也被撕毀，宇宙又成了一鍋基本粒子湯。然而這種狀態(tài)也只能生存幾秒鐘的時間。隨后，質(zhì)子和中子也無法區(qū)分，擠成一堆等離子體。在最后的時刻實現(xiàn)“大緊縮”，宇宙逆轉(zhuǎn)回到出發(fā)點。引力成為占絕對優(yōu)勢的作用力，所有的物質(zhì)都因擠壓不復存在，一切有形的東西，包括空間和時間本身，都被消滅，成為一切事物的末日。宇宙在大爆炸中誕生于無，此刻也歸于無。
宇宙是膨脹還是收縮這兩種可能主要取決于宇宙物質(zhì)的總量。根據(jù)目前的估算，
