第一章 浩渺無垠的宇宙
【宇宙是什麼】
英國著名博物學家托馬斯·赫胥黎曾說過:宇宙現在是這樣，過去是這樣，將來也永遠是這樣。隻要一想起宇宙，我們就難以平靜——我們心情激動，感歎不已，如同回憶起許久以前的一次懸崖失足那樣令人眩暈戰栗。我們知道我們在探索最深奧的秘密。
宇宙的大小和年齡不是一般人所能理解的。我們的小小行星隻不過是無限永恒的時空中的一個有限世界。從宏觀來看，大多數人類所關心的問題都可以說是無關緊要的，甚至是微不足道的。但是，我們人類朝氣蓬勃、勇敢好學、智慧無窮。幾千年來，我們對宇宙及我們在宇宙中所處的地位作出了最驚人的和出乎意料的發現。人類對宇宙的探索，回想起來是很令人興奮的。這些探索活動提醒我們：好奇是人類的習性，理解是一種樂趣，知識是生存的先決條件。因為我們在這個宇宙中隻不過是天空中飛揚的一粒塵埃。所以，我們認為，人類的未來取決於我們對這個宇宙的了解程度。
我們探索宇宙的時候，既要勇於懷疑，又要富於想象。想象經常能夠把我們帶入嶄新的境界，沒有想象，我們就會束縛自己。懷疑可以使我們擺脫幻想，還可以檢驗我們的推測。宇宙神奇非凡，它有紛繁的事實，錯綜的關係，微妙的機製。
地球是我們的家園，而地球僅是太陽係的第三顆行星；而太陽係又僅僅定居於銀河係巨大旋臂的一側；而銀河係，在宇宙所有星係中，也許很不起眼……這一切，組成了我們的宇宙——它是所有天體共同的家園。
什麼是宇宙？《淮南子?齊俗》曰：“往古來今謂之宙，四方上下謂之宇。”
宇就是空間，宙就是時間。從遠古到未來，從巨大的宇宙天體到渺小的微生物，其大無外，其小無內，萬物都包含在宇宙之中。
人類對宇宙的認識可以追溯到遠古時代。在中國有誇父追日的傳說。而按照現代的觀點，宇宙是指廣漠空間和其中存在的各種天體以及彌漫物質的總稱，並且宇宙是處於不斷的運動和發展之中的。也就是說人類目前所能及的地方以及人類還沒有看到但是仍然存在的物質都是宇宙。
人類對宇宙的認識，是從人類的家園——地球開始的，然後延伸到離我們並不太遠的太陽係，從而進入到美麗的銀河係，再擴展到河外星係、總星係。
地球，在茫茫宇宙太空，隻不過是太陽係大家庭中一個普普通通的成員。地球與其他行星“兄弟”一起日夜繞著它們的“母親”——太陽旋轉，連同60多顆“月球”般的衛星、神秘莫測的彗星、數以千計的小行星和無數的流星，組成太陽係。
盡管太陽係有這麼多成員，但它所占的宇宙空間直徑僅120億千米，距離銀河係中心約3.3萬光年。
比太陽係範圍更大的是銀河係。銀河係呈旋渦狀，有4條螺旋狀的旋臂從銀河係中心均勻對稱地延伸出來。銀河係中心和4條旋臂都是恒星密集的地方。銀河係包括1000多億顆類似於“太陽”的恒星，它們在浩瀚的宇宙中發出璀燦的亮光。從遠處看，銀河係像一個體育鍛煉用的大鐵餅，大鐵餅的直徑有10萬光年。
然而，銀河係也隻是宇宙滄海中的一粟，並不是宇宙空間的盡頭。在銀河係之外，還有許許多多星係，人們管它們叫“河外星係”。天文學家已發現10億多個河外星係，每個河外星係都包含有幾億、幾百億甚至幾千億顆恒星和大量的星雲和星際物質。所有河外星係又構成更龐大的總星係。
目前，通過射電望遠鏡和空間探測，人們已觀測到距離我們地球約200億光年的一種似星非星的天體，取名“類星體”。這種天體的發現，把今天人類視線拓展到200億光年的宇宙深空。
盡管人類對宇宙的探索在不斷地深入，對宇宙的認識也在一步步的加深，然而，對人類來說，宇宙迄今為止還是一個無限的概念，還有很多未解之謎等著我們去揭示。
【宇宙的起源】
從地球上看宇宙，宇宙在向人類視線所不能到達的更深處伸展。宇宙之大，為眾人驚歎。然而，宇宙又是從哪裏來的呢？
中非有一個傳說：世界最初隻有黑暗、水和偉大的上帝。某天上帝胃痛發作，嘔吐出太陽。水的一部分被太陽蒸發，留下土地。上帝的胃痛未止，又陸續吐出了月亮和星辰，然後吐出動物，例如豹、鱷魚、烏賊，最後吐出人。
難道，我們的宇宙真是上帝從胃裏吐出來的嗎？這顯然帶有神話的色彩。
若幹世紀以來，很多科學家認為宇宙除去一些細微部分外，基本沒有什麼變化。宇宙不需要一個開端或結束。英國天文學家霍伊爾就是宇宙穩態理論的創建者之一。他認為，宇宙不斷膨脹，而同時物質也在不斷生成，從而使整個宇宙基本保持穩定不變。
穩態理論的優點之一是它的明確性。它非常肯定地預言宇宙應該是什麼樣子的。此後，科學家還根據相對論，為穩態的宇宙構築了一係列數學模型。盡管如此，結果還是遭受到宇宙觀測者的質疑或反駁，當宇宙背景輻射被發現後，這一理論基本上已被否定。
千百年來，科學家們一直在探尋宇宙是什麼時候、如何形成的。科學家們認為，宇宙是由大約150億年前發生的一次大爆炸形成的。
“大爆炸理論”是伽莫夫於1946年創建的。他認為，在爆炸發生之前，宇宙內的所存物質和能量都聚集到了一起，並濃縮成很小的體積，溫度極高，密度極大，之後發生了大爆炸。
大爆炸使物質四散噴發，宇宙空間不斷膨脹，溫度也相應下降。後來相繼出現在宇宙中的所有星係、恒星、行星乃至生命，都是在這種不斷膨脹冷卻的過程中逐漸形成的。
我們所觀察到的宇宙，在其孕育的初期，集中於一個很小、溫度極高、密度極大的原始火球。在150億～200億年前，原始火球發生大爆炸，從此開始了我們所在的宇宙的誕生史。
宇宙原始大爆炸後0.01秒，宇宙的溫度大約為1000億攝氏度。物質存在的主要形式是電子、光子、中微子。以後，物質迅速擴散，溫度迅速降低。大爆炸後1秒鍾，下降到100億攝氏度。大爆炸後14秒，溫度約為30億攝氏度。35秒後，為3億攝氏度，化學元素開始形成。溫度不斷下降，原子不斷形成。宇宙間彌漫著氣體雲。它們在引力的作用下，形成恒星係統。恒星係統又經過漫長的演化，成為今天的宇宙。
科學家還發現，大爆炸後的膨脹過程是一種引力和斥力之爭。爆炸產生的動力是一種斥力，它使宇宙中的天體不斷遠離；天體間又存在萬有引力，它會阻止天體遠離，甚至力圖使其互相靠近。引力的大小與天體的質量有關，因而大爆炸後宇宙的最終歸宿是不斷膨脹，還是最終會停止膨脹並反過來收縮變小，這完全取決於宇宙中物質密度的大小。
然而，因大爆炸而產生宇宙的理論尚不能確切地解釋這一問題，即“在所存物質和能量聚集在一點上”之前到底存在著什麼東西？
因此，霍金在1982年又提出了量子宇宙論。宇宙中的一切在原則上都可以單獨地由物理定律預言出來，而宇宙本身是從無到有而來的。這個理論建立在量子理論的基礎之上，涉及量子引力論等多種知識。
如果人們不特意對空間引入人為的拓撲結構，則宇宙空間究竟是有限有界的封閉型，還是無限無界的開放型，取決於當今宇宙中的物質密度產生的引力是否足以使宇宙的現有膨脹減緩，以至於使宇宙停止膨脹，最後再收縮回去。
然而，天文觀測包括可見的物質以及由星係動力學推斷的不可見物質，其密度總和仍然不及使宇宙停止膨脹的1/10。
迄今為止，人類還在探索之中，宇宙的起源仍然是一個謎。
【宇宙會死亡嗎】
19世紀70年代，一位英國詩人斯溫朋曾寫了一首令人感到恐怖的詩：無論是星星還是太陽都不再升起，到處是一片黑暗，沒有溪流的潺潺聲；沒有聲音，沒有景色，沒有冬天的落葉，也沒有春天的嫩芽；沒有白天，沒有勞動的歡樂，在那永恒的黑夜裏，隻有沒有盡頭的夢境。
這首詩是斯溫朋根據一位著名物理學家的“理論”，對人類和宇宙的未來作的一番描述。這位著名的物理學家是德國人克勞修斯，他主要因為他的熱力學和氣體分子運動論而著名。他的主要貢獻是熱力學第二定律——“熱不能自動地從較冷的物體傳到較熱的物體”。這一定律說明自然界中的一切熱現象有關的過程都是不可逆的。克勞修斯建立的熱力學第二定律有著極深刻的物理意義，它提出了自然界的過程都是有方向的，並把這個定律外推到無限的宇宙。1867年，他在德國自然科學家和醫生的集會上發表演說：“宇宙會進入一個死寂的永恒狀態。”不久，這一說法就被人們遺忘了。
作為自然界不可抗拒的客觀規律，人們不禁要問，宇宙真的會死亡嗎？
科學家認為，宇宙會逐漸耗盡所有能量並慢慢地停止膨脹。恒星、星係、行星和所有原子都會開始坍縮，緊縮成針尖大小。
多年來一個眾所周知的事實是，宇宙正在迅速膨脹，而且這種膨脹速度即便還不足以撕碎宇宙，也足以使遙遠的星係以超光速的速度遠離我們。銀河係以外的任何星係都有可能在1000億年內消亡。
宇宙在向外膨脹時，“光高”會變長、減弱。科學家認為，盡管光的波長能達到我們星係大小的長度，但也會慢慢被吸收掉。
剛剛誕生的宇宙是熾熱而且致密的，隨著宇宙的迅速膨脹，其溫度迅速下降。最初的1秒鍾過後，宇宙的溫度降到約100億攝氏度，這時的宇宙是由質子、中子和電子形成的。隨著溫度繼續變冷，核反應開始發生，生成各種元素。這些物質的微粒相互吸引、融合，形成越來越大的團塊，並逐漸演化成星係、恒星和行星，在個別天體上還出現了生命現象。
宇宙死亡和重生的循環是很可能的，或者說，當宇宙的真空突然變成某種完全不同的物質時,宇宙可能會有一個非常奇特的結局。
宇宙可能在一次大坍塌中向內坍縮，或者我們將迎來另外一種結局，它被稱為大撕裂，慢慢陷入黑暗。但是恐懼卻不必：漫長的黑夜將會比你想象的有趣一些。
宇宙中的支配性的力量是恒星和其他物質之間的引力，這就意味著宇宙的未來隻有兩種可能，要麼宇宙的密度大到使引力能夠克服大爆炸以來的膨脹並且把所有的物質在一次大坍塌中重新拉到一起，成為“大坍塌”；要麼宇宙的密度不足夠大，膨脹將會永遠持續下去。
要了解宇宙是否會發生坍塌，就必須先弄清宇宙是否仍在膨脹，或膨脹的速度是否正在減慢。科學家研究發現，兩顆恒星在重力的作用下互相繞行，其中一顆是縮小的高密度恒星，發出高熱和白光，它就是白矮星。另一顆恒星則膨脹成龐然大物，它就是紅巨星，它的燃料即將耗盡。這兩顆恒星互相繞行時，白矮星會吸取伴星的氣體，開始年複一年地長大。白矮星的質量達到一定量時，就會崩潰、坍縮，接著爆炸，釋放出耀眼的光線和能量。而且，宇宙各處都有相同的亮度和可見度。
通過比較不同時空的超巨星的位置和年代，可以計算出宇宙的膨脹是否在變慢。天體物理學家發現，宇宙的膨脹速度不但沒有減緩，反而是正在加速。
大約在1000億年後，太陽燃燒殆盡，所有的星係都會瓦解。宇宙中將隻剩下孤立的恒星，這些恒星的能量也將用盡。有些恒星會變成白矮星或褐矮星，有些會坍縮成中子星或黑洞。大爆炸之後數千萬億年，就連黑洞也會消失。所有的物質都會分解成最基本的成分，原子也會分解。最後，連構成原子的質子也會發生衰變。
宇宙的未來很可能非常淒涼，成為寒冷、黑暗和空虛的地方。隨著宇宙的不斷膨脹，星係也開始互相遠離。太空會變成一片空虛，死一般寂靜。我們的星係團將以超越光速的速度遠離我們，並消失在黑暗中。最後，一切都會陷入停頓，這就是宇宙的結局。宇宙最後也許會死亡，剩下的隻有冰冷、黑暗、死氣沉沉的空虛。
宇宙到底會不會死亡呢？是最後緊縮成針尖大小，還是最終解體消失得無影無蹤呢？迄今為止還沒有誰能說清楚。