1．宇宙的誕生
奇妙的宇宙
廣闊宇宙從何而來，這是一個從古至今都吸引人研究的問題。遠古時期，我國就流傳著盤古開天辟地的故事；西方則創造了一個“上帝”。《聖經》中是這樣記載的，上帝用說話的方式要來了天地萬物、光明和黑暗。因為在古代的時候，人們一遇到解釋不了的一些奇怪自然現象的時候，可能就會編出一些神話用事，借助神靈的威力，這一點也是能夠理解的。
時間過去了幾千年，曆史前進到了現在，關於宇宙的模型也有了好幾個蘊藏著科學內涵的說法，其中影響最大的就是“大爆炸宇宙學”，它也可以解釋許多的觀測事實。這個理論的內涵就是，認為“我們的宇宙”——“觀測到的宇宙”曾經有過一段從熱到冷的演化史。在這一段時間裏，宇宙體係在持續膨脹著，物質密度也可能會從密到疏進行演化。事實上，這一由熱至冷、由密至疏的過程就像一次龐大規模的爆炸。
它的具體操作過程，能夠這樣來理解：宇宙早期，如同一個“原始火球”，它具有100億度以上的高溫和很大的密度。就是由於高溫，“原始火球”非常不穩定，大概是在200億年前，它爆炸了，於是整個體係迅速膨脹著。宇宙之中實際上充滿了中子、質子、電子、光子和中微子等這些基本形態的物質。膨脹始終在繼續，但溫度能夠快速地降下來。
隻要短短幾分鍾，溫度就可以下降10億度左右，這時中子就會失去自由存在的條件，它要麼發生衰變，要麼和質子結合成重氫、氦等元素，宇宙中的化學元素就是從此時開始形成的；等溫度下降至1OO萬度後，早期形成化學元素的過程暫時結束；降至幾千度時，爆炸產生的強烈輻射繼續衰退，宇宙間遍布氣態物質。最後，氣體慢慢凝聚成氣雲，接著演化成各不相同的恒星體係，直到我們今天看到的宇宙。
在現實中，有人模仿按比例尺畫地圖的樣子，把過去的近200億年的宇宙演化曆程濃縮到一年中，得出一個非常直觀和有趣的“宇宙日曆”：1月10日，大爆炸，宇宙誕生；5月1日，浩瀚的銀河係誕生；9月9日，太陽係問世；9月14日，地球形成。9月24日，地球上原始生命出現；11月12日，綠色植物破土而出；12月26日，更高級的哺乳動物來到了這個世界。12月31日0時22分30秒，原始人類站在地球上；23分46秒，北京猿人開始用火；23分59秒，中國曆史延續到春秋……宋代；24分，全球進入了迄今仍在繼續的現代化社會……從上述列表中我們能夠看出；人類曆史其實就是宇宙歲月中非常短暫的一瞬間。
宇宙的形成果真是這樣的嗎？現在，沒有人能夠給出肯定的答複，可是比起其他宇宙模型的觀點來，大爆炸宇宙學是的確可以很好地解釋人們知道的神奇的宇宙現象，以下我們就來看看這些事實：據現在觀測到的宇宙間所有的天體年齡都沒有發現超過或者等於200億年的，原因就是它們都誕生在宇宙溫度快速下降之後，太陽隻不過是50億年前的產物。
相關觀測還發現，很多星係的光譜事實上都有“紅移”現象。天文學家們了解，若發光體朝著離開我們的方向運動之時，人們接收到的光譜線就會移到紅色的這一端。星係光譜的紅移也就意味著它們是在遠離我們而去，或者說它們正在退行。所謂退行，其實就是說明宇宙正在膨脹，這就像一個氣球上的各點，在吹氣球的時候各點的距離會因氣球脹大而增大是一個道理。在1929年的時候，美國天文學家哈勃(EdwinPowellHubble，1889～1953)了解到星係退行的速度和離人類的距離是成正比的，也就是說距離越遠，退行速度也越快。人們把這個規律稱作“哈勃定律”。
而第三個事實就是，天文學家們得出結論，在各不相同的天體上，氦的含量都很大，比例也差不多一樣，大概占30%。如果單靠恒星本身的核反應機製是不足以說明為什麼會有這麼多氦的，而“大爆炸”早期的高溫，卻可以很好地解釋這一點。
另外一點，大爆炸理論的提出人之一，原蘇聯科學家伽莫夫(1909～1968)曾經預言，今天的宇宙很冷，隻有絕對溫度幾度。在1965年的時候，這個預言被證明了，美國的科學家發現了漫布於整個空間的“微波背景輻射”，它的溫度大概是3K，它們研究得出的這個結果在定性上和定量上都和大爆炸宇宙理論相符合。
但是，大爆炸理論也是有局限性的，宇宙中還有很多疑問解答不了。如，讓天文學家們著迷了17年之久的宇宙膨脹。這種“砰”然一聲後的自我膨脹將會有一個什麼結果呢？是膨脹到一定程度時，天體間的引力使它停止，然後收縮、升溫又回到“原始火球”，再爆炸？還是出現一個在擴張和崩潰之間實現臨界平衡的宇宙？或者最終導致一個具有“負曲線”和無限未來的宇宙呢？又如，上麵理論的提出和觀測到的事實都是建立在“我們看到的宇宙”，也就是“總星係”中的，這就是所謂狹義的宇宙，是“我們的宇宙”。除此之外，那個更為廣闊的空間又是何種模樣？這又是一個疑問了。
宇宙到底是有限還是無限的？到底有沒有中心有沒有邊？到底有沒有生老病死有沒有年齡？上述這些恐怕是自從有人類的活動以來一直被關心的問題。為了有一個更清晰的答案，讓我們先來看看它的組成和結構吧。宇宙中的天體絢麗多彩，太陽係一共有九顆大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。除去大行星以外，還有60多顆衛星、為數眾多的小行星、難以計數的彗星和流星體等。這些都是離我們地球很近的，最為人們所了解的天體。那麼，除了上麵我們所提到的這些，浩瀚宇宙空間中還有些什麼？
在晴朗的夜晚，人類用肉眼就可以看到天家中有很很多閃閃發亮的星星，他們絕大多數是恒星，恒星就是像太陽一樣本身能發光發熱的星球。我們銀河係內就有1000多億顆恒星。恒星常常愛好“群居”，有許多是“成雙成對”地緊緊靠在一起的，根據一定的規律彼此繞轉著，人們把這稱作雙星。此外，也有些是3、4顆或更多顆恒星聚在一起，稱作聚星。
若是有十顆以上，或者是幾萬顆星聚集在一起，形成一個團星，就稱作星團。在銀河係中就發現1000多個這樣的星團。在恒星世界中還有一些亮度會發生變化的星-變星。它們有的變化很有規律，有的沒有什麼規律。現在已發現了2萬多顆變星。某些時候天空中會顯現一顆亮度極高的星，並且會在很短的時間內突然增亮幾萬倍甚至幾百萬倍，這稱作新星。
另外，也有這樣一種亮度增加極快的恒星，會突然增亮幾千萬倍甚至幾億倍，這稱作超新星。除了恒星之外，還有一種雲霧似的天體，稱為星雲。星雲由極其稀薄的氣體和塵埃組成，形狀很不規則，如有名的獵戶座星雲。在沒有恒星又沒有星雲的廣闊的星際空間裏，還有些什麼呢？是絕對的真空嗎？答案是否定的。那裏其實充滿著很稀薄的星際氣體、星際塵埃、宇宙線和很微弱的星際磁場。伴隨著科技的高速發展，人類一定能夠發現更多的新天體。
現在，銀河係和河外星係隨著其測距能力的顯著提高，人們逐漸在越來越大的尺度上對宇宙的結構建立了立體的觀念。這裏第一個重要的發展，是認識了銀河。它包含兩重含義，一是認識了銀河的形狀，二是知道了河外天體的存在。其實，銀河係就是太陽所屬的一個巨大的恒星集團，大約包含1011顆恒星。這種恒星集團稱作星係。
在銀河係中，多數恒星分布呈扁平的盤狀。盤的直徑是25kpc（千秒差距，1秒差距＝3.26光年＝3.09億億米），厚度約為2kpc。盤的中心有一球狀隆起，稱作為核球。盤的外部由幾條旋臂構成。太陽位於其中一條旋臂上，距離銀心約7kpc。銀盤上下有球狀的延展區，其中恒星分布較稀疏，稱作銀暈。通常，暈的總質量大約占整體的10%，直徑大約是30kpc。我們每天見到的太陽，就它的光度、質量和位置講，都不過是銀河係中很普通的一員。
另外更為重要的是，並不是天穹中所有發光體都是銀河係的一部分。假設有一個類似銀河係的恒星集團，處於500kpc的距離上（銀河自身大小為30kpc）。其表觀亮度與2pc遠處一顆類似太陽的恒星是一樣的。所以，對天穹上的一個光點，必須測量它的距離，才能弄清楚它到底是銀河係內的恒星還是銀河係外的另一個星係。
其實，天穹上的大部分光點是銀河係的恒星，不過也有很大量的發光體是和銀河係類似的巨大恒星集團，曆史上曾被誤認為是星雲，我們稱作河外星係，現在已知道存在1000億個以上的星係，著名的仙女星係、大小麥哲倫星雲就是肉眼可見的河外星係。星係的普遍存在，表明它代表宇宙結構中的一個層次，從宇宙演化的角度看，它是比恒星更基本的層次。星係的質量差別很大。銀河係的質量約為1011M⊙(太陽質量單位)。在明亮的星係中，這是典型的大小。質量很小的星係太暗，不易看到。小星係的質量可低達106M⊙。星係的典型尺度為幾十千秒差距。如果對視星等在23等以內的星係作統計，星係總數在109以上。自20世紀60年代之後，天文學家又找到另外一種在銀河係以外如恒星一樣呈現為一個光點的天體，不過其實它的光度和質量又與星係一樣，我們稱作類星體。如今，已經發現的這種天體有上千個。
假設我們把觀測的尺度放大一些，那麼宇宙可看成由大量星係構成的“介質”，而恒星隻是星係內部細致結構的表現。這樣，為了了解宇宙結構，需關心星係在空間的分布規律。星係的空間分布不是無規的，它也有成團現象。上千個以上的星係構成的大集團叫星係團。大約隻有10%星係屬於這種大星係團。大部分星係隻結成十幾、幾十或上百個成員的小團。但能夠肯定的是，星係團所代表的是宇宙結構中比星係更大的一個新層次。通常這層次的尺度大小會有數百萬秒的差距，它的平均質量一般是整個星係平均質量的100倍。
現在，人們通常會把10Mpc以上的結構稱作宇宙的大尺度結構（現在觀測到的宇宙的大小是104Mpc）。迄今為止大尺度上的觀測事實並不是很準確的。有趣的是，有跡象表明，星係在大尺度上的分布呈泡沫狀。即有許多看不到星係的“空洞”區，而星係聚集在空洞的壁上，呈纖維狀或片狀結構。這一層次的結構稱作超星係團。它的一般尺度是幾十兆秒差距。如果由演化理論的角度來思考，尺度大到某種程度，就不應該再有結構存在。
那麼，這個分析是不是符合客觀事實，以及這尺度多大，都是很關鍵的，並需要有大尺度觀測來回答的問題。今天對宇宙在50Mpc以上是否還有顯著的結構現象存在，可以說正是人們熱烈爭論中的焦點。總而言之，如果把星係看成宇宙物質的基本單元，那麼星係的分布狀況就是宇宙結構的表現。分析一下，直到50Mpc的尺度為止，星係的分布表現出有層次的結構。以上這些觀點，就是我們對宇宙麵貌的基本認識。
從量天尺看宇宙的大小
要想聊宇宙航行這一話題，首先必須要了解宇宙。宇宙是什麼？按古人的注解就是空間和時間的總和，假如用現代物理學解釋就是四維時空（三維空間加一維時間）。
所謂時空，其實就是在物質的變化和運動中體現出來的。現代宇宙觀認為，宇宙是在100～200億年前的一次大爆炸中誕生的，並且隨之誕生了時間、空間和物質。其實，愛因斯坦廣義相對論就是研究時間、空間和物質之間相互關係的學說。他得出了這樣的結論：物質能夠使時空彎曲、且彎曲時空告訴物質怎樣運動。
宇宙包容萬象，內涵極為豐富，這裏無法說清其萬一，僅就與宇宙航行密不可分的宇宙的大小、宇宙的結構和宇宙的形狀稍作說明。但是，宇宙的大小可以說始終是一個說不清楚的、令人茫然的問題。為了便於大家理解，我們不妨從科學家訂立的“量天尺”來看宇宙的大小。
在地球上，人類通常會用“千米”來測量距離和長度，從北京到上海的航線距離是1178千米，地球的半徑是6378千米。但是，離開地球到太陽係空間，“千米”這把尺子用起來就非常不方便，比如冥王星到太陽的平均距離是5900224000千米，以彗星活動範圍計算太陽係的半徑是34410000000000千米，這的確就是個天文數字。在這種情況下，科學家不得不采用另一把尺子來量天，稱之為“天文單位”，他的計數方法是以地球到太陽的平均距離149600000千米為1天文單位。這樣一算，得出冥王星至太陽的距離是39.44天文單位，另外，如果以彗星的活動範圍計算出來的太陽係半徑是23萬天文單位。
不過，衝出太陽係來到銀河係的地盤，“天文單位”這把尺子用起來就沒有那麼方便了，比如離太陽最近的恒星比鄰星的距離大概也有約265600天文單位，而銀河係的直徑達6324000萬天文單位。在這種情況下，科學家隻得又啟用一把新的量天尺，叫做“光年”，也就是說光行進1年的距離。大家應該都了解，光行進的速度是30萬千米/秒，那麼，1光年的距離大約是94608億千米或63240天文單位。按照光年來計算，太陽與比鄰星的距離是4.2光年，銀河係的直徑大約是10萬光年。
那麼，如果用光年來計算，宇宙的尺度究竟是有多大？現在還沒有人能準確地說出來，但是如果從理論上來說，我們假設宇宙是在100～200億年前的大爆炸中誕生的，空間從零以光速擴展，而光是以球形傳播的。那麼，今天的宇宙半徑尺度應該是100～200億光年。但現實情況是不是真是這樣，還不得而知。
2．宇宙的命運
神奇的宇宙
把宇宙當作一個整體來認真研究的宇宙哲學，可能對於我們這些生活在地球上的平凡人而言，還是一門嶄新的科學，而在這門博大精深的科學中，我們對宇宙的最終命運之謎了解得最少。不過，人類現在已經發現了幾條能夠揭示宇宙命運的線索，這其中有一些線索能夠給人帶來希望，但另一些線索卻讓人感覺沮喪。
兩條線索
好消息告訴我們，在短時間內人類是不會被宇宙“掃地出門”。宇宙非常至少能夠把現在這種適於生命存在的狀態再維持l000億年。這相當於地球曆史的2O培，或者相當於智人(現代人的學名)曆史的5O0萬倍。假如人類在公元1000億年的新年到來之前就突然滅亡，並且不能放焰火慶祝新年的來臨，那一定不能說是宇宙本身的錯。
壞消息告訴我們，這世界上沒有什麼東西是能夠永遠存在的。宇宙可能不會消失，可是隨著時間推移，它可能會讓人覺得越來越“不舒服”，並且最終變得不再適於生命存在。計算這種情況何時會出現以及將會怎樣出現確實是一門令人心情抑鬱的科學，但是我們也不得不承認這項研究本身也有一種冷酷的魅力。從天文學家埃德溫·哈勃1929年發現宇宙正在膨脹以來，經典的“創世大爆炸”理論經過了幾十年的不斷修改。根據這一理論，宇宙的最終命運將取決於兩種相反力量之間的“拔河比賽”的結果。一種力量是宇宙的膨脹，在已經過去的10O多億年的時間內，宇宙的擴張始終在使星係之間的距離拉大。還有一種力量就是這些星係與宇宙中全部其他物質間的萬有引力：它好像一個製動器，可以使宇宙擴張的速度漸漸放慢。
其實，這個問題很簡單，就像萬有引力足夠使擴張最終停止，那麼宇宙就注定會發生坍縮，並最終變成一個大火球——同創業大爆炸相當，不過過程正好相反的“大崩墜”。假如萬有引力不足以阻止宇宙的待續膨脹，那麼它最終將變成一個令人感到“不快”的黑暗和寒冷的世界。恒星是通過使氫原子核（主要是氫和氦）發生聚變反應形成較重的原子核來產生能量的。如果恒星內部儲存的氫和氦全部消耗完畢之時，而日漸衰老的恒星上燃燒的火焰會因為沒有新的原子來替代將近消亡的原子而熄滅。與此同時，宇宙會慢慢衰變為一個一團漆黑的空間。
一個結局
由上述分析來說，每一種結局看起來都像在預示生命的死亡。假如宇宙的最終命運是熊熊大火，“大崩墜”就能熔化一切，甚至亞原子粒子也難逃厄運。另一方麵，假如宇宙以無邊的寒冷和黑暗而告終的話，宇宙中的生命形式就有可能存在很長一段時間——例如，智慧生命可以通過從洞中提取引力能來獲得能源從而維持自己的生存。不過，在全部的物體都已經衰退到幾乎相同溫度(略高於絕對零度)的情況下，再想辦法來保持生存，就好比是要用—池死水來推動水磨一樣難辦。
但是，人類的最終命運到現在還不能判定，原因就是我們還無法判斷擴張和有行引力這兩者究竟誰能取得最後的勝利。很多天文學觀測的結果支持前者，但是目前仍然存在著許多不確定的因素。其中之一是令人大傷腦筋的“暗物質”問題。科學家們對星係運動方式的研究顯示，星係中蘊藏著極大的非星係內部引力。從上述分析中，說明人類可以看到的恒星和星雲不過隻占宇宙物質總量的1%至10%。還有很多物質是看不到的，並且這些物質是不發光的。
現在，還無人能知道宇宙中這些暗物質究竟是什麼。但一種可能性是它是由弱相互作用大質量粒子(wIMp)構成的。在我們能夠確定暗物質的成分並用數學方法對其進行計算之前，以我們目前能夠看到的一切為基礎對宇宙的未來進行預測是絕對靠不住的，這就像是首先在鄉村俱樂部對幾個打高爾夫球的人進行民意測驗，然後根據測驗結果來預測全國大選的結果一樣缺乏可信性。同時，諷刺文學作家和宿命論者對於這種“火或冰”的結局也感到了一種帶有苦澀意味的滿足，這充分反映出人類，思維意識的精髓：沒有人可以活著脫離中活的苦海。而這正是使我對這一宇宙的最終命運產生懷疑的原因。人類在用科學方法研究宇宙哲學的過程中總出了很多重要經驗：很多時候，宇宙的發展變化並不會跟著人業已確立的思維方式——來認識宇宙，人類需要轉變新的思維方式。
在20世紀裏誕生的概念，像愛因斯坦的彎曲空間、海森伯格的不確定原理等使我們的思維方式發生了重大改變，同時人們也認識到每時每刻都有數以萬億計的亞原子粒子在我們的身體裏快速運動但卻並未造成任何損害，這些都是現代宇宙哲學不可或缺的組成部分，所以我認為我們有理由假設在即將到來的新世紀裏；人們將敞開大門接受一些更加奇異的概念。所以，我們也許可以從還沒有打開的大門下麵窺見門後放出的幾道光線，但在這道光線的輔助下我們可能就會對宇宙的未來作出進一步的準確預測了
不確定因素
說到和宇宙終結命運有關係的一個不確定因素和膨脹理論有關，根據這一理論，宇宙始於—個像氣泡一樣的虛無空間，這個空間最初的膨脹速度要比光速快得多，宇宙學家之所以相當重視膨脹理論是因為這一理論解決了一些創世大爆炸理論的早期版本所無法解決的問題，此外，膨脹理論對於研究宇宙的最終命運也有—些啟示作用。其中包括：最初推動宇宙高速膨脹的力量(有時根據它在愛因斯坦的廣義相對論方程式中的代號用希臘字母入表示)在宇宙像“打嗝”一樣膨脹結束之後也許並沒有完全消退。它也許還存在於宇宙中，潛伏於虛無的空間，持續推動宇宙不斷擴張，就像引導員在幕間休息結束後有禮貌地引導觀眾回到劇場一樣。
科學家們通常對遙遠的星係中正在爆發的恒星所做的觀測證明，這種正在發揮作用的膨脹推動力有可能確實存在。假如果真如此，決定宇宙未來命運的拔河比賽”就不但涉及宇宙的擴張和萬有引力的製動作用，而且還和微妙的徘徊不去的膨脹推動力所產生的能夠使宇宙無限擴張下去的渦輪增壓作用有關。
不過，最能激發起人們興趣的未知數可能是智慧生命本身在宇宙中所扮演的角色。就像物理學家弗田曼·戴森所說：“如果不將生命和智慧的作用考慮在內，對遙遠的未來進行詳細的預測是不可能的。”在這裏，我們暫且不去評論它的好壞，地球很大的一部分的確已經被—種有實力為了自己的利益而操縱它的生存環境的智能物種所改變。
和這個比較相似，存在於遙遠未來的先進文明也許有能力熔化很多恒星甚至整個星係，從而生起一堆巨人的“營火”，或者使宇宙的長期發展朝著對這—文明有利的方向前進。在宇宙逐漸衰亡的沒落時期，生活可能會變得很枯燥乏味，不過這種生活也許會持續很長時間。試想一下我們能夠看到的宇宙在未來1萬億年時間裏可以動用多少天然智能和人工智能資源吧。分析一下，那種極速發展的智慧和以19世紀的熱力學知識為基礎、認為人類遲早會滅亡的觀點到底誰能勝出呢？
因此，就讓我們都拭目以待吧，就像愛因斯坦在寫給一個對世界的命運感到憂慮的孩子的信中所說的：“至於談到世界末日的問題，我的意見是：等著瞧吧！”
3．宇宙中的“黑色騎士”
在太陽係中，還存在有來自地球之外的人造天體。這已不是什麼奇聞的事情了。
1961年，巴黎天文觀測工作者雅克·瓦萊發現了一顆運行方向與其他衛星相反的地球衛星。對於這顆來曆不明的衛星，人們將它命為“黑色騎士”。隨後，世界上有許多天文學家按瓦萊提供的精確數據，也發現了這顆環繞地球逆向旋轉的獨特衛星。1981年，前蘇聯的一家天文台也證實了“黑色騎士”的存在。天文學家發現這個“黑色騎士”的特征如下，它在地球高空的軌道上，循著極大的橢圓軌道運行，體積很小，但十分耀眼，像一個金屬球體。