直到1929年，美國的天文學家哈勃發表結論總結：星係譜線紅移星與星係和地球之間的距離成正比的規律。在他的這一理論中，他指出：假如認為譜線紅移是多普勒效應的結果，那麼就表示河外星係都在離開我們向遠方行走，並且距離越遠的星係飛離我們的速度越快。總結來說，這就像是一幅宇宙膨脹的圖像。
時間來到了1932年，勒梅特第一次提出了現代宇宙大爆炸理論：整個宇宙最初聚集在一個“原始原子”中，後來發生了大爆炸，碎片向四麵八方散開，形成了我們的宇宙。美籍蘇聯著名天體物理學家伽莫夫首次把廣義相對論加入到宇宙理論中，他提出了熱大爆炸宇宙學模型：最開始的時候，宇宙源自高溫、高密度的原始物質，剛開始的溫度甚至達到幾十億度，但隨後溫度開始持續下降，於是宇宙就開始膨脹。
就宇宙的形成來說，大爆炸理論是其中比較有影響力的一種說法，這一理論起源於20世紀20年代，在40年代得到補充和發展，不過始終都少為人知。直至40年代伽莫夫等人又鄭重地提出了宇宙大爆炸理論。這個理論的觀點是，宇宙在遠古時期曾處於一種超高溫和超密度的狀態，人們將這個狀態形象地稱之為“原始火球”。
這裏所說的“原始火球”實際隻是一個非常小的點，如今的宇宙也一直在繼續膨脹，也就是無限大，也許在宇宙爆炸的能量散發至最大限度之時，它就會變成一個原始火焰也就是無限小的點以後，火球爆炸，宇宙就持續膨脹，物質密度慚漸變稀，溫度也逐漸降低，直到現在的狀態。從這一理論中，就能夠說明河外天體的譜線紅移現象，同時還可能圓滿地解釋多數天體物理學問題。在50年代初期，很多人才開始廣泛關注這一理論。
到了60年代，科學家彭齊亞斯和威爾遜又找到了宇宙大爆炸理論的最新的證據，他們了解到了宇宙背景輻射，此後他們證實宇宙背景輻射是宇宙大爆炸時留下的遺跡，據此為宇宙大爆炸理論找到了關鍵的依據。兩位科學家在測定銀暈氣體射電強度時，在大約7.35cm波長處，意外地探測到一個微波噪聲。並且無論天線轉到什麼，不管白天黑夜、春夏秋冬，這種神秘的噪聲在什麼時候都能保持穩定。大約相當於三K攝氏度的黑體發出的輻射。這個意外發現使天文學家們格外激動，這跟他們的預料：當年宇宙大爆炸後，到現在一定會留下點什麼，每一個階段的平衡狀態，都必須有一個相應的等效溫度，作為時間前進的聲響。這兩位科學家最後也憑借這一點斬獲1978年的諾貝爾物理學獎。
可以說，在科學家霍金身上，20世紀科學的智慧和毅力得淋漓盡致的體現。他對於宇宙起源後10～43秒以來的宇宙演化圖景作了清晰的闡釋：宇宙的起源，最早是比原子更小的奇點，然後就是大爆炸。在大爆炸之後聚集的能量形成了一些基本粒子，這種粒子在強大的能量的作用下，慢慢形成了宇宙中的各種物質。
至此，大爆炸宇宙模型成為最有說服力的宇宙圖景理論。但是，現代的宇宙大爆炸理論依然缺乏大量實驗的支持，並且我們還不知道宇宙開始爆炸和爆炸前的圖景。
宇宙的瘋狂暴脹
現在流行的解決方案在一定程度上增加了大爆炸理論的複雜度。大多數宇宙學家們現在相信曾有一個異常短暫的快速膨脹期，稱為暴脹。在大爆炸後10-35秒到10-32秒之間，宇宙擴展了幾十億倍。在暴脹階段的最後，膨脹回到了一個比較穩定的速度，和今天觀測到的一致。
如果沒有暴脹時期，我們所看到的宇宙中相對側的區域就既沒有時間來交換熱量，也沒有可能達到充分的平衡。假設的這種快速膨脹使我們能夠認為宇宙開始時要小得多，從而可以在加速膨脹開始之前達到溫度均衡。剩餘的少量不均勻性被尺度上的巨大增加所消除。這個迷人的快速暴脹帶來的一個結果就是我們所觀測到的區域隻是整個宇宙的極小的一部分。即，我們隻能觀察到實際上是我們周圍局部的一點變化，而這注定是非常有限的。用一個日常的比喻，我們知道地球從珠穆朗瑪峰峰頂到最深的海溝的底部有很大的高度變化。暴脹的等價效果就是把你腳尖下的一小塊地方擴展到整個地球這麼大，或者等效地把我們縮小到比最小的病毒還小很多的地步，那麼在我們能夠到達和探索的範圍裏，高度的變化將是微乎其微的。對於宇宙中的溫度起伏，暴脹也帶來了同樣的效果。
但是為什麼在嬰兒期宇宙膨脹速度會如此突然地急劇增加？看起來需要引入一種新型的力，它和引力起的作用相反，來對這種巨大的加速負責。科學家已經開始研究這種力應該具備什麼樣的屬性，但還沒有得出明確的結論。就我們所知，暴脹發生前的宇宙環境並沒有任何特別之處，故而這種加速力的突然出現和消失顯得多少有些隨意。但是它的存在確實使我們能夠處理宇宙同謀的問題。
引入暴脹之後還能為我們解決哪些問題呢？暴脹還能解釋我們今天觀察到的宇宙中的另兩種現象。沒有暴脹，那麼這兩種現象根本無從解釋。首先，根據粒子物理的標準理論，一種被稱作“磁單極子”的粒子應該能夠偶爾被探測到。但實際上，我們從未探測到磁單極子。這無疑需要某種解釋。暴脹理論使我們能夠爭辯，因為這種粒子分布得太稀疏了，所以探測不到並不令人驚訝。比如，為了辯論我們假設在大爆炸中產生了100萬億個這種粒子，那麼我們會感到奇怪為什麼一個都沒有發現。但是如果同樣數目的粒子被散布在比暴脹之前大幾十億倍的宇宙中，那麼在我們可觀測的宇宙範圍內找不到這種粒子就很有可能了。暴脹的力度是如此之大，就在它起作用的短暫時間裏，它所產生的宇宙也比傳統大爆炸理論所預計的大了不知道多少倍。暴脹為這些失蹤的粒子提供了一個解釋：它們被過度稀釋了。
宇宙膨脹越大越冷
在第一個普朗克時間之後，微小而熾熱的宇宙不可思議地開始膨脹，也開始逐漸冷卻下來。宇宙是一個沸騰的誇克的海洋，每個誇克攜帶著巨大的能量以極高的速度在運動，結果是當時沒有我們現在看到的這些原子和分子的形態，因為這些複雜的結構是不可能抵禦極高溫度的分裂力的。誇克的能量太高，無法被捕獲和限製在質子和中子內。事實上在宇宙的嬰兒期，誇克可以自由飛馳直到與一個鄰居相撞。除了誇克，這種早期的亞原子粒子的漿汁中還含有反誇克--除了帶有相反的電荷，和誇克完全相同。現在人們相信每種粒子都有對應的反粒子，除了所帶電荷外其他特性完全一致。電子對應的反物質粒子是正電子，帶有正電荷，其他方麵和電子相同。在科幻小說裏反物質的概念很常見，它們是無數極為先進的星際飛船發動機的基礎，所有這些都來自一個實驗事實：當一個粒子和對應的反粒子相撞時，兩個粒子都會湮滅，同時釋放出巨大的能量。如果在原始宇宙中一個誇克與一個反誇克相遇，它們就會消失，同時發出輻射閃光。反向的進程也會發生，足夠高能的輻射（當然是在宇宙演化的早期階段的能量水平）可以同時產生一對粒子，包含粒子和它的反粒子。這個時期的宇宙充滿了輻射，輻射產生粒子對，粒子又極快地在互相碰撞中湮滅，並把能量轉移回背景輻射。
貫穿整個時期，宇宙持續地膨脹和冷卻。經過第一個1微秒（僅僅10萬億億億億個普朗克時間），當溫度降低到約10萬億度的臨界值以下時，誇克的運動速度降低到能夠被它們之間的相互引力（強力）所捕獲的程度。三個一組誇克聚集到一起形成了我們熟悉的質子和中子，總稱重子；而反誇克聚集成反質子和反中子，總稱反重子。如果重子和反重子的數量是相等的，那麼極有可能它們之間的碰撞會使得重子全部湮滅。而當宇宙膨脹時，輻射的能量被稀釋，不再能夠產生新的粒子，這樣宇宙中的物質就不可能留存到現在。
僅僅由於從一開始就存在的一點微弱的不平衡挽救了物質，使得我們今天得以存在，使我們能夠在這裏思考很久以前發生過什麼。出於我們至今尚未知曉的原因，每十億個反重子會對應十億零一個重子，所以在最初的混戰結束後，幾乎所有的反重子都消失了，留下的殘餘的質子和中子形成了今天的原子核。
平坦宇宙
看似荒唐的暴脹觀點的第三根支柱，可能也是最有說服力的一個，涉及宇宙的幾何學。大多數人都很熟悉我們在學校可能還有點不情願學習的歐幾裏得幾何學，我們被告知三角形內角和等於180度。但事情並不總是這樣。比如想象畫一條線，從北極出發沿格林尼治子午線到赤道，再沿赤道向東轉過90度，最後沿子午線穿過俄羅斯回到北極完成一個三角形。那麼我們就經過了2個90度的轉角，90+90=180度。而我們還需要加上兩條子午線之間的那個頂角。歐幾裏得幾何學僅適用於平麵。
而宇宙中的幾何學又會是一種什麼樣的形式呢？事情要複雜得多，因為我們麵對的是一個四維空間（三個熟知的空間坐標，加上時間），而非一個二維的表麵。讓我們考慮最大的尺度，而忽略物質造成的局部畸變。宇宙有無數種可能的幾何學，而我們的宇宙似乎精心地選擇了一個特殊的類型。觀測表明（見第三章中宇宙微波背景輻射），我們生活在一個平坦的宇宙中，在這裏，歐幾裏得幾何學即使在最大的尺度上也成立。為什麼事情會這樣？要達到一個平坦的宇宙，宇宙中必須具有確切數量的物質，差異僅在幾個原子之間。換句話說，要是我們的宇宙中少了或多了幾個原子，那麼它的幾何特性就會變得遠非平坦。
重申一下，我們所掌握的觀測事實，固然可以歸因於支配大爆炸自身的早期物理學的某些特殊性質，而暴脹理論指出了另一條途徑，並獲得了更加令人滿意的解釋。它們之間的分歧在於暴脹可以得出一個比簡單大爆炸大得多的宇宙。
下麵通過一個三維情形的類比來幫助我們理解四維空間。任何一個站在保齡球上的人，當他掉下來時馬上就會意識到這是一個球麵。那麼對於一個很大的球，比如我們幸福地生活其上的地球，又會如何呢。即便不是一目了然，我們也很容易發現自己是站在一個曲麵上。超出我們印象的是，遠在古希臘時期人們就已經知道地球是個球體，他們甚至還成功地測量出了它的直徑。而看到一艘船消失在地平線下提醒人們地球表麵是彎曲的。現在想象我們正在一個比地球大上萬億倍的球麵上，那麼所有的實驗都會顯示這是一個真正的平麵。球麵的曲率是如此之小，根本測量不出來。出行的船隻似乎永遠也走不到地平線下。
宇宙暴脹之後
經過暴脹之後的宇宙就像上麵最後的球麵一樣，因為它膨脹到了如此巨大的地步，我們所能觀察到的宇宙僅僅是整體的極其微小的一部分，所以隻能夠測量出它的局部性質。因此可以得出這樣的結論，即我們看到的宇宙是平坦的。在這個巨大的宇宙中我們無法獲知自己觀測範圍之外的幾何學是什麼樣子的。不管在宇宙中可能存在多少種幾何學，暴脹說明了為什麼我們看到的宇宙是平坦的。
上麵的三個問題被暴脹設想利落地解決了，其代價是引入了一個我們知之甚少的、神秘的、暫時的加速，也許當我們對大爆炸本身有了更為深入的了解之後會有其他的答案，但在目前階段暴脹不失為一個很好的解釋。
在暴脹之後，宇宙以一個較低的速度繼續膨脹和冷卻。大爆炸後3秒，溫度降低到約10億開。宇宙中3/4的物質是氫，其餘幾乎都是氦。氦原子有2個電子，環繞著由2個質子和2個中子組成的原子核。
大爆炸理論預言每有10個質子，即10個氫原子核，就會相應地產生1個氦原子核。現在氫和氦的比例依然是10比1。這可能是對大爆炸理論最為簡明有力的驗證。恒星將氫轉化為氦，所以我們可以預料氦的比例會有所提高。如果我們在宇宙某處發現了一個孤立的物體，其中氦的含量比預計的低，那就必須開始徹底地重新考慮我們的理論。到目前為止還沒有發現這種情形。
所以我們是否相信大爆炸？它的主要競爭對手--穩恒態理論看上去已經壽終正寢了。現在，大爆炸占據了舞台。必須記住，理論是無法證明的。我們隻能夠盡力使其與所有的已知事實相符。帶有暴脹的大爆炸理論看起來滿足這個要求。但是，任何時候都有可能冒出新的發現，使我們看到原有理論的致命裂痕。不過在一個新的牛頓或者另一個愛因斯坦變出另一套更好的理論之前，我們還要和大爆炸待在一起。
大爆炸的回聲
電子捕獲進程對於宇宙的溫度相當敏感，一旦溫度降低到上述臨界值之下，捕獲過程就以驚人的速度發生。由於暴脹的原因，宇宙溫度在整個空間範圍內幾乎完全一樣，這意味著這一過程幾乎在整個宇宙內同時發生，其結果是光線可以不受阻礙地穿越宇宙，使我們在134億年後仍然能夠看到這幅我們宇宙演化的特殊時刻的快照。這種觀察過去某個特定時刻的景象的能力是天文學所獨有的。通常當我們試圖觀察比較遙遠的宇宙區域時，視線會被鄰近的星係所遮擋，它們發出的光線還是比較近期的。宇宙變得透明這個不可思議的事件現在可以不受遮擋地觀測到，我們稱之為宇宙微波背景，或CMB。
無論有意無意，我們的很多讀者都曾親身感受過這種伴隨大爆炸的“大火球”熄滅時的微弱回聲。把電視天線拔掉或者調諧到沒有頻道的地方，你會看到黑白的天電幹擾。這種幹擾中的1%來自宇宙微波背景。在它最初發出134億年後，仍能幹擾你的電視圖像。
現在，這種微波輻射的頻率等效為一個平均溫度僅比絕對零度高2.7K的發射機。如果這個輻射真是大爆炸自己的回聲，那為什麼會如此之冷？其原因是很直接的。這些輻射在發出時，宇宙的溫度是3000度，在它傳向我們的過程中，它所穿過的空間一直在膨脹，使得光的波長越來越長，於是表觀溫度越來越低。這是我們首次遇到這種叫做紅移的現象，它具有極端的重要性。
宇宙微波背景的發現為大爆炸理論的若幹預言提供了強有力的支持。例如，發出的輻射與一個黑體的特征相符合。黑體是一個假設能吸收所有進入它的輻射的物體，如果被加熱，則它的輻射能譜中任意頻率上的強度隻取決於它的溫度。在實際應用中，我們可以據此得知發射體的性質。例如，它應該與外界的影響相隔絕。在大爆炸和30萬年後的透明期之間的那個熾熱、高密度和不透明的宇宙正是這樣的一個發射體。理論和觀測結果之間符合得是如此之好，在大多數數據曲線上，表示預測值的線寬要大於測量的不確定量。這在科學上是很少見的情況，在觀測天文學中更是獨一無二。
最初，輻射似乎是絕對均勻的，與方向無關。即使把我們自己的星係所發出的微波輻射造成的前景輝光減去，在宇宙微波背景上較亮的天區看上去也和其他部分幾無二致。但我們今日看到的宇宙卻是明顯“結塊”的。星係組成星係團，星係團又構成超星係團，而它們之間隔著巨大的距離。這些地方正由諸如英澳2度視場巡天計劃和斯隆（Sloan）巡天計劃進行詳盡的檢查，而且已經延伸到距離地球10億光年之遙的地方。無論從這些觀測結果中我們繪製出怎樣的宇宙畫像，毋庸置疑的是它絕不是均勻的，所以很清楚有什麼地方搞錯了。在看上去均勻的早期宇宙裏，一定隱藏著生成我們今天看到的不均勻結構的原因。
宇宙背景輻射是當今天體物理學最集中研究的對象，它還能告訴我們很多東西。它標誌著宇宙中最早結構的景象。最近對於宇宙微波背景更為細致的研究揭示出小於萬分之一度的溫度起伏。這個差異很微小，但正是形成我們今天看到的周圍結構的起因。通過溫度來測量物質密度差異的想法聽上去有些奇怪，卻有充分的理由。就像宇宙背景探測（COBE）衛星顯示的那樣，在發出宇宙微波背景時的物質密度不是絕對均勻的。在比平均值更為密集的區域內，引力會吸引更多的物質，這種擠壓會把這個區域略微地加熱，這就是我們去探測並測量到的溫度起伏。
如果沒有這些漲落來讓引力發揮作用，那麼從一個在產生宇宙微波背景時完全均勻的宇宙中形成現在看到的這種非均勻的、有疏有密的宇宙的曆程就不可能完成。但是，空間中漲落的尺度也十分重要。對宇宙微波背景的觀測得到的全天圖中可以看出，每個藍色（略冷）和紅色（略熱）的區域大小是很相似的，平均起來是1度寬，就是滿月視角的兩倍。根據以上事實經過縝密思考，宇宙學家們確定宇宙是平坦的。其理由是，我們的理論能夠預言早期宇宙中漲落的實際物理尺寸，將期望值與實際值相比較，可以告訴我們光線自從源頭發出後被彎折了多少，這取決於宇宙中物質的數量：物質越多，光線彎曲得越厲害。在封閉宇宙中，光線彎曲較顯著，造成漲落區域看上去比預計的要大；而在開放的宇宙中，物質較少，所以漲落區看上去會小很多。事實上，將仿真結果與實際情況比較後發現宇宙恰恰含有臨界數量的物質，因而是平坦的。
這種討論既讓宇宙學家們興奮也令他們沮喪。興奮的是，對微波背景的研究不僅能夠告訴我們輻射發出的那個極早時刻的情況，還能揭示此後宇宙的整個曆史。但問題是要想對早期宇宙得出確切的結論，就必須排除後期各種因素的影響，而這是很難做到的。
4．宇宙的昏暗時代
這種聚合是什麼樣子的？我們什麼都看不到，因為正處在被第15任皇家天文學家馬丁·裏斯所稱的“黑暗年代”。這個時代緊接著產生微波背景輻射的時刻，當時還沒有任何恒星在宇宙中發光。
當然那裏還充斥著在宇宙開始透明時產生的、還沒有多久的回聲。這種輻射（此時應稱為宇宙電磁背景輻射，而非微波背景輻射）在3000度時開始出現，這個溫度和乙炔焊焰的溫度差不多。因而在此期間實際上存在著逐漸變暗、逐漸變紅的彌漫的輝光。所以宇宙並未徹底黑暗過，隻是昏暗而已。
隨著宇宙的冷卻，在愈來愈微弱的輝光中，物質的引力收縮將最終形成星係。於是一個劇烈的變化發生了，大量的恒星爆發，昏暗的宇宙忽然被照亮，宇宙中充滿了耀眼的光芒。這一刻來得有多突然還有爭議，但無論如何，我們已經進入了開始形成最早的恒星的新紀元。
在大爆炸中，實際上隻有3種元素被創造出來：氫、氦和少量的鋰，其他元素的含量可以忽略。我們已知的所有其他元素都是在恒星內部形成的。人們常說：我們是星塵，這是十分貼切的。我們太陽和太陽係的物質很可能已經經曆過兩次恒星形成的循環。其後可以看到，很多恒星在其火爆的生命史中將氫和氦轉化成較重的元素。例如金元素的出現就清晰地表明它是來自超新星的爆炸。相比之下，第一批恒星在形成時隻含有最輕的3種元素。
要形成星係，氣體團必須收縮。而氣體要收縮，溫度必須降低。在現在的宇宙中，氣團收縮釋放的能量可以被碳和氧原子發出的輻射帶走。但在我們描述的這個時代，除了通過氫分子外沒有其他的途徑進行冷卻。而氫分子冷卻過程的效率是很低的。其結果是，隻有大團的氣體才能收縮，而從中形成的恒星也特別巨大。第一批恒星的質量可能有太陽質量的數百倍。既然儲存了這麼多燃料，那麼這些巨無霸的發光時間一定比太陽壽命長很多吧？恰恰相反，這些早期恒星來也匆匆，去也匆匆，僅能存在幾百萬年。相比之下，太陽的整個活躍期可達90億年。
5．恒星能量的源泉
要理解這點，就要考慮恒星中心深處的情形。隻有一顆恒星允許我們做近距離研究，那就是太陽。太陽，像所有普通恒星一樣，是個白熱的大氣體球，是可以吞沒100萬個地球這麼大的球體。它的表麵溫度有5600℃，而在核心產生能量的地方，溫度高達1500萬攝氏度。我們無法看到太陽內部較深的地方，但可以檢測它的構成。我們建立的數學模型可以做到符合觀測結果，所以才確信對於核心溫度的預測。占太陽質量70％的物質是氫，這也是它的燃料，和原始恒星的情況一樣。
我們知道氫是最簡單的原子，由一個質子和一個環繞的電子組成。恒星內部是如此之熱，電子被從原子核邊剝離走，剩下不完整的原子稱為“電離”。在恒星核心，壓力和溫度都極端地高，這些原子核的速度是如此之大，當它們互相碰撞時核反應就會發生。氫原子核結合成次輕的元素，即氦原子核。大家公認這一過程是間接而曲折地發生的，其最終效果是4個氫原子核結合成1個氦原子核。這個過程除了產生我們看到的恒星發出的光芒外，同時還產生另一個叫做中微子的副產品，這種奇特的粒子以後還要談到。在形成氦的過程中要損失點質量，同時釋放出很多能量。正是這些釋放出的能量使得恒星發光。而對太陽來說，每秒鍾要損失400萬噸的質量。現在太陽的質量已經比你剛開始閱讀這段話時少了許多。氫燃料不可能永遠地提供下去，但目前還沒有危險。太陽大約在50億年前誕生，以恒星的標準來看正值壯年。當所有的氫耗盡後，太陽並不是簡單地暗淡下去，而是會發生另一段故事，這在以後的章節中會講到。
所以至少在太陽中，能量來源於在4個氫原子核結合成為1個略輕的氦原子核時損失的質量。自然界中最著名的公式E＝mc2告訴我們質量（m）等效於能量（E），而換算係數c2是光速的平方，非常大。所以很小的一點質量消耗就會產生出巨大的能量，而太陽每秒鍾要損失400萬噸的物質並轉化成能量！
這些消失的質量從何而來？氫原子是最簡單的原子，隻有1個電子環繞1個質子。所以4個氫核中的每個都是1個單獨的質子；氦核則由2個質子和2個中子組成。但是，中子比質子稍微重一點，所以如果把這些粒子的質量直接加起來就會發現，1個氦核比4個氫核要重，質量反而增加了！但實際上，盡管氦原子核由重一些的粒子構成，然而其總質量卻確實比4個質子要小。要記住這一領域是由量子力學和其關聯效應所主宰的，答案也就在這裏。如果我們測量單個質子的質量，那麼它確實比中子輕。但這些亞原子粒子不是自由的。在氦原子核中它們被強核力束縛在一起，無法自由運動。在亞原子粒子形成這種束縛時會釋放出能量，我們測量到的結果就是質量的降低。
為什麼產生的原子核要有2個質子和2個中子？如果2個單獨的質子之間能形成穩定的約束關係，那麼天體物理學家們對於核反應的研究就會變得簡單得多。因為那樣的話兩個質子迎頭相撞就能結合成這種“輕氦核”，並釋放出電磁波。然而，兩個質子帶有相同的正電荷，電磁力使它們互相排斥，而它們之間的作用力不足以將它們約束在一起。因此，與這種簡單的結合質子的方式所不同的是，在太陽和其他恒星內部，這一過程相當錯綜複雜而且驚人地緩慢。
由於無法把兩個質子簡單地結合到一塊，我們必須繞過這一阻礙形成更複雜的原子核的狀態。在下麵的討論中隻需要考慮原子核，而非整個原子。因為在恒星內部這樣的高溫下，環繞原子核並組成原子的電子早已因能量過高而無法捕獲。唯一起作用的是弱核力，它會造成質子自發地衰變成中子，並釋放出1個正電子和1個中微子。新產生的中子可以被一個經過的質子捕獲，形成一個氘核。氘實際上就是重的氫，等於1個中子加上1個質子。弱力真是名副其實，這一步驟會耗費很長時間。在太陽中心，一個質子可能平均要等上50億年才會形成一個氘核，而此後的一切就進行得快多了。
在平均1秒左右的時間裏，氘核就會抓獲另一個質子結合成一種有2個質子和1個中子的穩定的原子核，即氦-3，氦的一種較輕的形式。經過約50萬年，這個原子核會撞上另外一個，形成我們更為熟悉的有2個質子和2個中子的氦核，同時釋放出2個質子，它們會參與到下一個循環中。這個步驟要把兩個帶正電的原子核結合到一起，難度較大因而較為緩慢。隻在極近的距離內才起作用的強力把兩個原子核吸引到一起，而電磁力又抵抗強力使它們互相遠離。最後原子核會靠近到使強力發揮作用的地步。這樣我們最終獲得了輻射形式的能量，一個正電子--它會和它的反粒子結合釋放出能量--及一個中微子。
中微子是以高速運動的微小粒子，幾乎不與其他粒子發生作用。所以在從太陽中心發出後相對不受周圍氣體的阻礙。它們中的一些會到達地球，被我們建造的大型探測器所發現。許多年以來都有這樣一個問題，就是我們預計每一次產生氦核的碰撞過程中都會產生一個中微子，而探測到的中微子太少。不過中微子有一個驚人的本領，就是在途中改變“味道”或者類型。粒子物理學家發現存在3種中微子，而且它們能夠隨著時間互相轉化。原來的實驗都隻對其中一個特定類型的中微子敏感，而無法探測到其他類型。總之，這些實驗告訴我們，在太陽中心，這一比地球上進行的任何實驗都高得多的溫度下所發生的反應，我們對它的認識是基本正確的。這些實驗也首次提供了可靠的證據，證明中微子具有有限（雖然很小）的質量。因為如果它們像以前認為的那樣不具有質量，那麼就不可能從一種粒子類型轉化成另一種類型。
6．宇宙的大小和結構
宇宙星空
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。
泡沫狀結構宇宙
上路開車，必須要先熟悉路況；在江河湖海上航行，必須要先了解航線情況；同樣的，宇宙航行也一樣要先了解宇宙中物質的分布狀況。
據相關研究顯示，在宇宙大爆炸中形成的物質，主要是氫和氦，它們一般彌漫在宇宙中。隨著宇宙的膨脹和溫度的漸漸降低，在重力作用下收縮成一大團一大團氫氦雲。重力作用下的持續收縮，大雲團慢慢分裂成很小的雲團，物質密度漸漸增加，雲團因相互之間的重力作用而旋轉。就這樣，通常持續的分裂——收縮，在氫氦雲團的內部，因為物質重力作用的相互擠壓，溫度不斷升高，當溫度升高到能使氫發生聚變反應時，它就變成一顆恒星。個別恒星在空中旋轉甩出一些物質，並逐漸集合成行星和衛星。我們能夠看到的宇宙中的可見物質，就包括這些恒星，及由它演變而來的其他天體，比如黑洞等。天長日久，宇宙中的物質經過發展，就會形成宇宙的這種泡沫狀大結構。
那麼，如果要是從探測的角度，倒著來說宇宙的泡沫狀大結構。太陽是顆單星，但宇宙中的多數恒星往往是兩顆、三四顆、十幾顆到幾十萬顆聚集在一起，分別稱雙星、聚星和星團。因此，恒星並不是均勻在宇宙中分布的。
事實上，所謂單星、雙星、聚星和星團也並不是均勻分布的，它們分別聚集在一起形成星係，就算宇宙怎麼膨脹都不散開。太陽位於銀河紗之中，它共有1000多億顆恒星，其中還包括大約1000個星團。在宇宙之中，共有1000多億個像銀河係這樣的星係，另外還有一些獨立的星團和星雲。並且星係和獨立的星團、星雲並不是呈均勻分布的，它們則是分別聚集成星係群或星係團。此外，銀河係所在的叫本星係群，半徑大約是300萬光年。
通常，星係群和星係團也不是均勻分布的，它們又分別聚集成超星係團。本星係群屬本超星係團，半徑大約是3億光年。據相關探測表明，超星係團並不是最大的群體。在距離銀河係大約2億光年的地方，有一個非常強大的引力源在牽引著本超星係團。根據分析推測，這個大牽引者極有可能是由很多超星係團組成的超星係團集團。
由上述可知，不均勻分布形成了宇宙的所謂泡沫狀大結構。星係集中的地方就是泡沫壁，也就是星係膜或星係纖維，它們形成“星係長城”。而幾乎沒有星係的地方是泡沫結構中的大泡泡，被稱作“宇宙空洞”，宇宙空洞的直徑能夠達到1～3億光年。
宇宙中所謂的泡沫狀大結構，並不能說明宇宙中的物質分布不均勻。如果就整個宇宙來說，它在每個方向上物質分布的均勻速度達到十萬分之一。
7．膨脹或脈動的宇宙
在這一年，一個默默無聞的前蘇聯數學家弗利德曼，應用不加宇宙項的場方程，得到一個膨脹的、或脈動的宇宙模型。弗利德曼宇宙在三維空間上也是均勻、各向同性的，不過，它不是靜態的。這個宇宙模型隨時間變化，分三種情況。第一種情況，三維空間的曲率是負的；第二種情況，三維空間的曲率為零，也就是說，三維空間是平直的；第三種情況，三維空間的曲率是正的。前兩種情況，宇宙不停地膨脹；第三種情況，宇宙先膨脹，達到一個極大值後開始收縮，然後再膨脹，再收縮……因此第三種宇宙是脈動的。弗利德曼的宇宙最初發表在一個不太著名的雜誌上。後來，西歐一些數學家物理學家得到類似的宇宙模型。著名科學家愛因斯坦知道這些膨脹或脈動的宇宙模型後，很激動。相比之下，他覺得這比自己的模型做得好，應該放棄，而弗利德曼的模型才是準確的宇宙模型。
並且，愛因斯坦還作出聲明，稱自己在廣義相對論的場方程上加宇宙項是很錯誤的，場方程不應該包含宇宙項，而更應該是原來的老樣子。不過，宇宙項就像“天方夜譚”中從瓶子裏放出的魔鬼，再也收不回去了。後人並沒有聽取愛因斯坦的意見，而是繼續討論宇宙項的意義。因此，現在的廣義相對論的場方程分為兩種，其中一種不含宇宙項，而另一種含宇宙項，這些都在專家們的應用和研究中。
大約是在1910年左右，有些天文學家就發現很多星係的光譜有紅移現象，個別星係的光譜還有紫移現象。這些現象可以用多譜勒效應來解釋。遠離我們而去的光源發出的光，我們收到時會感到其頻率降低，波長變長，並出現光譜線紅移的現象，也就是光譜線向長波方向移動的現象。反之，向著我們迎麵而來的光源，光譜線會向短波方向移動，出現紫移現象。這種現象與聲音的多普勒效應相似。很多人可能都有過這樣的感覺：迎麵而來的火車，它的鳴叫聲特別尖銳刺耳，遠離我們而去的火車其鳴叫聲則明顯遲鈍。這就是所謂聲波的多普勒效應，麵對撲麵而來的聲源發出的聲波，人會感到它的頻率增高，而漸漸遠離我們的聲源發出的聲波，人則會感到它的率下降。
假如現在認為所謂星係的紅移、紫移，都是多普勒效應，那麼大部分星係都是在遠離我們，隻有個別星係向我們靠近。隨後進行的研究中我們發現，那些個別向我們靠近的紫移星係，都在我們自己的本星係團中(我們銀河係所在的星係團稱本星係團)。其實本星係團中的星係，大部分紅移，小部分紫移；但是其他星係團中的星係就全部是紅移了。
在1929年的時候，美國的天文學家哈勃對當時的一些觀測數據進行了總結，提出一條經驗規律，河外星係(即我們銀河係之外的其他銀河係)的紅移大小正比於它們離開我們銀河係中心的距離。因為多普勒效應的紅移量和光源的速度是成正比的，因此，上麵所說的定律也可以表述為：河外星係的退行速度和它們離我們的距離成正比：
V＝HD
在這個公式中，V是河外星係的退行速度，D是它們到我們銀河係中心的距離。這個定律稱為哈勃定律，比例常數H稱為哈勃常數。根據哈勃定律來分析，全部的河外星係都在逐漸遠離我們，並且離我們越遙遠的河外星係，離開得速度也會更快。在哈勃定律所反映的規律和宇宙膨脹理論正好相符。個別星係的紫移也能夠這樣來說明，本星係團內部各星係要圍繞它們的共同重心轉動。所以，一定會有一少部分星係在某些時間內向我們的銀河係靠近。不過，此種紫移現象和宇宙整體的膨脹沒有關係。
分析一下就可以知道，哈勃定律在很大程度上支持了弗利德曼的宇宙模型。但是，假如查看一下當年哈勃得出定律時所用的數據圖，人們會感到驚訝。在距離與紅移量的關係圖中，哈勃標出的點並不集中在一條直線附近，而是比較分散的。哈勃怎麼敢於斷定這些點應該描繪成一條直線呢？一個可能的答案是，哈勃抓住了規律的本質，拋開了細節。另外一個可能性就是，哈勃已經知道當時的宇宙膨脹理論，因此大膽認為自己的觀測與該理論一致。以後的觀測數據也更加精確，數據圖中的點也越來越集中在直線附近，哈勃定律最終被大量實驗觀測所確認。
8．探究宇宙的有限和無限
宇宙飛船
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。