宇宙的诞生
人类探索宇宙的整个进程中，最伟大、最令人不可思议的突破，莫过于对宇宙诞生的描述。如此庞大的宇宙，怎么可能是“诞生”的呢？如果是诞生的，它是从什么地方、在什么时间诞生的呢？
从1922年天文学家A.弗里德曼提出“膨胀宇宙论”，到1929年美国天文学家哈勃发现宇宙中存在的“星云群”，初步证实了宇宙处于不断膨胀的过程中。1931年，哈勃等进一步论证指出：膨胀的宇宙不仅在空间方面是有限的，而且在时间方面也必定是有限的。他们通过测算，指出宇宙的年龄不会小于20多亿年之前，宇宙必定经历过诞生的那一瞬间。
物理学有一个著名的定律：物质和能量守恒定律。按照这个定律，世界上的物质和能量，既不可能凭空产生，也不会消灭：它们只会从一种形式，转换成为另一种形式。宇宙在时间上是有限的结论，是直接与这个物理学的定律相违背的。因此，很多人根本无法接受宇宙可以“诞生”这种观念。
可是，科学理念所以能够成立，其唯一依据应该是事实。事实有时是相当冷酷无情的。
1965年，美国天文学家A.彭茨阿斯和R.W.威尔逊发现并且证实了宇宙背景（本底）辐射的存在，测定出这一辐射的温度为3K。这一重大的天文发现，最后奠定了“宇宙大爆炸”学说的不可移易的理论地位。A.彭茨阿斯和R.W.威尔逊也因该项成就，荣获1978年度诺贝尔物理学奖。
从这一年开始，天文学家和天体物理学家，所面临的重要工作之一，就是要以宇宙大爆炸的观点，对观察到的天文现象作出解释和说明。一切都异乎寻常的顺利，只是沿着这一理论的脉络反推宇宙的发展过程时，在解释宇宙诞生最初的几秒钟发生的事件时，遇到了前所未有的理论障碍。
其后的大约30年间，理论物理学家为了解释和说明这宇宙初生的一瞬间，绞尽了脑汁。在诸多的设想中，目前，人们普遍接受的是如下的说法：
时间，大约在距今150亿年以前。在混混沌沌的虚空中（请原谅这种说法，因为在那时既没有宇宙，也没有空间），存在一个“点”。它就是原始的、未爆炸的宇宙“胚胎”。按照现代物理学的观点，在这一只有位置而没有大小的点上，物质的“温度和密度”（如果存在着所谓的温度和密度的话）大到了人们所能够想象得到的任何数值之上。就是在这样的一个点上，宇宙开始了它的“历史”。
在最初的不到百亿分之一秒，甚至是不到千亿分之一秒的时间里，宇宙的胚胎有了体积，也就是像现在我们所知道的原子核那么大吧。
经过约10亿分之一秒，宇宙以极快的速度膨胀到了像一个足球那么大。
年龄为100万分之一秒时的宇宙，半径已经有约160亿千米之大了。在极高的温度和压力之下，只有基本粒子存在，不存在任何形态的原子和分子。科学家推测，当时的基本粒子主要有质子、中子、电子，以及许多质量极其微小的中微子（1999年以前，对于中微子存在与否，还有争议。目前，已经证实了其存在。但是，对于其数量的估计有很大的差异。我们将在“神奇的中微子”中加以介绍）。
按现有的全部物理学理论框架，科学家根本无法解释最初约2秒多钟的情况：巨大的质量存在在什么地方？难道物质的密度没有极限吗？或者说物质和能量并不守恒？赞成宇宙大爆炸学说的科学家坚持认为，尽管我们对上述问题一无所知，但可以说，现存的宇宙都是从一个点“产生”的，在零秒时，按我们的观念，只有一个位置，姑且称为“奇点”，当奇点上产生了爆发时，物质和能量从那里迅急地“涌现”出来。天文学家和天体物理学家设想，宇宙诞生之后的2秒多钟之后，宇宙的体积或许已经“容纳得下”现今所知的宇宙的质量。也就是说，从那时起，宇宙的发展和变化，才开始按照“物质和能量守恒定律”的规律发展和变化。在这段时间之前，物质和能量是从哪里来的？按照现代物理学的观点，我们是一无所知。
即使在两秒多钟以后，我们仍然不清楚维持宇宙初始爆炸的能量是怎么一回事，更不要说这些能量是从什么地方产生的，以及是如何产生的了。
直到1分钟以后，也许更长一点的时间，宇宙的半径达到了1000光年左右。这时，宇宙中形成了大量的氢原子核，在极高的温度下，其外围根本没有稳定的电子存在。宇宙初始爆炸所产生的高温，使这些刚刚诞生的氢原子核，成了我们现在熟悉的热核反应的原料。极其激烈的热核反应，维持着宇宙数十亿度的高温状态。同时，这种高温，使得宇宙的爆炸或者膨胀能够继续下去。在这种膨胀的过程中，没有热核反应的区域的温度渐渐地降了下来。宇宙物质开始了自身的分化过程。
以上就是科学家为我们描述的宇宙诞生的最初一两分钟的大致情形。
我们现在所认知的宇宙，就这样诞生了。以后的宇宙发展和变化，几乎为现代人所熟知。一般认为，经过初期的几十万年以后，宇宙的平均温度下降到了4000K～6000K，也就是说和现在的太阳表面温度差不多。
这时，才开始了各种类型的星系诞生的过程。
在几十亿年的时间里，宇宙大爆炸的“残骸”，在不断的膨胀过程中，逐步摆脱了高温排斥力的绝对控制，在一定的范围内，它们遵循着万有引力定律，互相吸引和积聚，生成一片一片的原始星云。在每一片星云中，物质进一步的积聚，形成了一个个的恒星和数以亿计的恒星系统。
100多亿年的时间过去了，宇宙的膨胀还没有任何停止的迹象。正好像宇宙的诞生是一个难解的谜一样，宇宙的未来也是一个巨大的谜。
天文学家为了解开这些谜，在进行着不懈的努力。哲学家则用最聪明的语言不了了之地解释了这一切：宇宙的层次是无穷尽的，在两个层次交界处发生的一切，对我们来讲是难以理解和不可想象的，但它正好反映了宇宙结构的一般规律。要认识这些规律，有永远走不完的路。无论你走了多远，前面剩下的还是无穷远。
神奇的中微子
它们与宇宙同时诞生，无所不在。它们是至今我们所知道的最稳定、不与任何其他物质发生“关系”的粒子，它们几乎是不受任何阻挡的“独往独来”于浩瀚的苍穹之中。然而，也许正是它们决定着我们宇宙未来的命运，它们的名字就叫做中微子。
物理学家、化学家都在苦苦地追索构成世界的基本粒子。在这个追索的进程中，中微子是理论物理学家所设想的、人类的认识能力所能够发现的最小的基本粒子之一。从设想存在中微子，到开始捕捉中微子的“踪迹”，诞生了中微子天文学，大约经过半个世纪的岁月。
100多年以前，1895年，正好50岁的德国物理学家威廉·康德拉·伦琴发现了“X射线”，人们为了纪念这一划时代的发现，又将这种射线称之为“伦琴射线”。1901年，伦琴因为这项发现荣获诺贝尔物理学奖。从那时开始的一系列的对物质和放射性的研究，使得物理学家在认识了α、β和γ等射线的同时，还确信，存在着一系列更小的基本粒子，其中一种应该是不带任何电荷的、中性的微小粒子——中微子。
物理学家深知，就算是真的存在着这些基本粒子，它们的质量之小，运动速度之快，都会给直接发现它们带来极大的困难。科学家设想，找到基本粒子的运动所留下的痕迹，要比找到基本粒子本身容易得多。循着这样的思路，科学家设计了诸如“气雾计数装置”和“液体计数装置”等一系列捕捉基本粒子行踪的科学仪器。任何有质量的粒子的运动，就会受到重力场的影响；任何带电的粒子的运动则会受到电场或者磁场的干扰。科学家设想的中微子，应该是没有质量，也不带电荷的基本粒子。因此，假如它们真的存在，其运动的轨迹应该是一种独特的、永远不受任何干扰和影响的直线。
1955年，为了寻找基本粒子，美国科学家在一个实验性原子反应堆的距离地表1600米的地下，使用40万升的液体计数装置，进行追寻中微子踪迹的实验性研究。该项研究，揭开了中微子天文学的序幕。
1956年，经过几百个日日夜夜的观察，科学家终于发现了一种前所未见的粒子运动的轨迹。这种轨迹，不受任何重力场、电场和磁场的影响。据此，科学家深信，尽管谁也没有看到中微子，但是，中微子一定是一种真实的存在。对神奇的中微子的研究就从这时正式开始了。
我们说中微子神奇，主要指以下几个方面。
首先，从理论上说，中微子多得数不胜数。可是，从美国科学家证实它的存在至今，40多年过去了，人类所直接捕捉到的中微子的踪迹，不过几十例而已。至今还没有人真正直接地观测到中微子的存在。
第二，最初，科学家设想，中微子近乎没有质量。或者较准确地说，中微子的静止质量为零。近年的研究表明，中微子虽然不带任何电荷，却是有质量。它的质量约为电子的两万分之一；而每个电子的质量，仅为一个质子的约两千分之一！
第三，天文学家估计，在“宇宙大爆炸”的时候，同时诞生的中微子约有1090个！它们纵横于天地之间，自由地“飞来飞去”。它们可以极为轻易地穿过整个地球，整个银河系……
让我们一起来想象一下中微子的存在的状况吧。就在你看这几行书的时候，千千万万颗中微子，正在从你的头部穿过，横七竖八地穿过了你的眼球……这种景象是不是太“可怕”了呢？其实，一点也不可怕。因为，在中微子的“立场上”来看我们的宇宙，实在是太过于“空空荡荡”了。你设想一下，在太阳系中飞翔着一个“高尔夫球”的景象吧！中微子在任何密度巨大的物质中，就好像这只高尔夫球在太阳系中差不多。
有些科学家比喻说，如果能够制造出一块厚度达到几十光年的铅板（通常的核电站中的防护层的铅板厚度只有几米），中微子穿过这块铅板时，也不会撞上任何一个原子！
中微子是不是太微小了？可是，千万别小看了这些中微子。把上面的第二条和第三条的内容，作一个简单的计算，就会叫你大吃一惊。
1090个中微子是什么概念？尽管每个中微子的质量只有质子或中子质量的四千万分之一，可是它们的总质量，却大约相当于25×1082个质子的质量。这个质量，相当于4×1042亿吨，即相当于25×1023个太阳系的质量，或1012个银河系的质量。
粗略地说，中微子的总质量，很可能是我们全部可见宇宙质量的几十倍左右！
换句话说，有些天文学家估计，宇宙中我们地球人无法看见的“黑暗物质”，极可能占去了宇宙总质量的99％，而中微子则是黑暗物质的主要构成成分。
这种估计如果正确，那么整个宇宙发展的进程就会是另一种样子：迄今为止，我们看见的美妙和谐的宇宙，将由于这些黑暗物质的吸引作用，停止其无休止的膨胀的过程。随后，在宏观的范围内，引力重新占据了主导的地位。由“大爆炸”而诞生的宇宙，在经历了大膨胀的过程之后，缓慢地，同时又是无可避免地开始了“大收缩”的进程。
质量最为密集的空间区域，形成了所谓的“黑洞”——一种巨大的引力所控制的球状空间，在这个空间范围内，引力达到了如此的强度：进入该区域的一切物质，即使以光速运动，也无法逃离引力中心的强大作用力。于是，一切物质都将坠入这个神秘而不可测的中心，从地球人的所有观测工具的视野中消失掉。
在宇宙中，形成了无数的黑洞，黑洞之间也由于引力场的作用互相靠近。最后，整个现今所看见的半径约150亿光年的宇宙完全坠入到一个黑洞之中。强大的引力场扭曲了我们所知道的意义上的时间和空间，我们曾经描述过的诞生了的宇宙于是彻底的“毁灭”，它重新又回归为“一个点”。
有些科学家设想，宇宙也许就是这样“周而复始”地由一个点“大爆炸”而诞生，然后大膨胀，当膨胀终止了后，开始“大收缩”，最后回归为一个点。再从这个点上，重新开始另一个（次）宇宙生命的途程。
正因为中微子在实验天文学和理论天文学中，都占据着极其重要的位置，所以世界的天文学家正在协力，从天上到海底，追寻中微子的诡秘的“行踪”。中国、美国等国的科学家经过共同的努力，使用航天飞机，将一个中微子探测器，带到了航天飞机的飞行轨道上……日本的科学家决定在地下的深处，建造“捕捉”中微子的实验室。欧洲的科学家则选择大西洋的海底来建造同类的实验室。它们都是利用同一个原理：厚厚的海水层和地壳，将屏蔽住除了中微子之外的其他宇宙射线。因此，在那里的特殊的水介质中，能够激发出光亮的运动轨迹的，就非中微子莫属了。
2005年9月，由中日美法四国科学家组成的联合研究小组，利用日本东北大学位于岐阜県的地下装置“KamLAND”，首次捕捉到产生于地球内部的这种物质——中微子。这一发现结束了过去无法检测地球中微子的历史，将有可能开创地球科学研究的新局面。
希望21世纪的天文学家，能够告诉我们更多有关中微子的秘密。希望读者中，将有人成为这些科学家中的成员。
宇宙中的“黑洞”
爱因斯坦，这位人类历史上罕见的怪才，20世纪全世界的人们景仰的科学巨匠，他创立的“狭义相对论”和“广义相对论”，引导天体物理学作出了许多重大的发现。其中，最为引人入胜的项目，可以说是使许多杰出的天文学家，耗费毕生的精力，在宇宙空间探索“宇宙之洞”——黑洞和虫洞。其成果之大和它的魅力之大，同样都使人叹为观止。
“黑洞”，已经被天文学家找到，并且在最近一二十年间得到了人们普遍的认同。茫茫宇宙，黑暗的空间占据了它的绝大部分，怎么又提出一个黑洞的概念？
为了弄清楚这个问题，让我们先来简单回顾一下人类认识黑洞的过程吧。