宇宙有多大的年龄
说到年龄，不同对象使用不同的尺度。
一般说到人的岁数用年；说到地质年代用百万年，说到天体年龄则用亿年。
那么，宇宙的年龄有多大呢？古人对此也有兴趣。
西方基督教有上帝创业的说法。
中国古代有盘古开天辟地之说，其中提到了盘古的岁数和他开天辟地所花的时间。
当然这都是一些神话传说。
对于宇宙年龄的测量和估算一直都是科学家们所关注的问题，但由于没有一种方法是绝对准确的，因而测量宇宙年龄通常采用多种方法。
用同位素年代法测量地球、月球和太阳年龄是一种好方法。
经测定，地球年龄为40～50亿年，月球年龄为46亿年，太阳年龄为50～60亿年。
用此法测定宇宙年龄，天文学家布查测定年结果为120亿年。
球状星团测定法是根据恒星演化理论来测算恒星年龄的一种方法，利用该法求得的宇宙年龄为80～180亿年。
人们对恒星进行观测发现，最老的恒星年龄约200亿年，因此，180亿年的年龄是不够的。
哈勃常数测定法是基于宇宙膨胀的观测事实确立的。
在一个不断膨胀的宇宙中，测定膨胀速度可通过红移量的测量来获得。
测出邻近星系与地球的距离，再由此标定红移与距离的关系，就可求得宇宙的年龄。
由此可知，关键是测出邻近星系与地球之间的距离：测量地球与邻近星系距离的方法有二，每种方法测得的结果也各有二，但最终求得的宇宙年龄都在100亿年到200亿午之间。
近年来，有人又采用一种与哈勃常数无关的方法，它测得的宇宙年龄为240亿年。
最近，德国波恩大学天体物理研究所的一个小组又提出，宇宙年龄为340亿年。
总而言之，测定宇宙年龄的工作仍在继续着。
宇宙的形状1917年，爱因斯坦发表了著名的“广义相对论”，为我们研究大尺度、大质量的宇宙提供了比牛顿“万有引力定律”更〖TPT17.TIF；％80％80；Z2；Y2，Y〗〖JP3〗爱因斯坦用广义相对论阐释宇宙〖JP〗先进的武器。
应用后，科学家解决了恒星一生的演化问题。
而宇宙是否是静止的呢？对这一问题，连爱因斯坦也犯了一个大错误。
他认为宇宙是静止的，然而1929年美国天文学家哈勒以不可辩驳的实验，证明了宇宙不是静止的，而是向外膨胀的。
正像我们吹一只大气球一样，恒星都在离我们远去。
离我们越远的恒星，远离我们的速度也就越快。
可以推想：如果存在这样的恒星，它离我们足够远以至于它离开我们的速度达到光速的时候，它发出的光就永远也不可能到达我们的地球了。
从这个意义上讲，我们可以认为它是不存在的。
因此，我们可以认为宇宙是有限的。
“宇宙到底是什么样子？”目前尚无定论。
值得一提的是史蒂芬·霍金的观点比较让人容易接受：宇宙有限而无界，只不过比地球多了几维。
比如，我们的地球就是有限而无界的。
在地球上，无论从南极走到北极，还是从北极走到南极，你始终不可能找到地球的边界，但你不能由此认为地球是无限的。
实际上，我们都知道地球是有限的。
地球如此，宇宙亦是如此。
〖TPT10.TIF；Z3；Y3，BP〗英国剑桥大学教授斯蒂芬·霍金（1942～）是继爱因斯坦之后最伟大的科学家之一。
怎么理解宇宙比地球多了几维呢？举个例子：一个小球沿地面滚动并掉进了一个小洞中，在我们看来，小球是存在的，它还在洞里面；因为我们人类是“三维”的；而对于一个动物来说，它得出的结论就会是：小球已经不存在了！它消失了。
为什么会得出这样的结论呢？因为它生活在“二维”世界里，对“三维”事件是无法清楚理解的。
同样的道理，我们人类生活在“三维”世界里，对于比我们多几维的宇宙，也是很难理解清楚的。
这也正是对于“宇宙是什么样子”这个问题无法解释清楚的原因。
（1）均匀的宇宙长期以来，人们相信地球是宇宙的中心。
哥白尼把这个观点颠倒了过来，他认为太阳才是宇宙的中心。
地球和其他行星都围绕着太阳转动，恒星则镶嵌在天球的最外层上。
布鲁诺进一步认为，宇宙没有中心，恒星都是遥远的太阳。
无论是托勒密的地心说还是哥白尼的日心说，都认为宇宙是有限的。
教会支持宇宙有限的论点。
但是，布鲁诺居然敢说宇宙是无限的，从而挑起了宇宙究竟有限还是无限的长期论战。
这场论战并没有因为教会烧死布鲁诺而停止下来。
主张宇宙有限的人说：“宇宙怎么可能是无限的呢？”这个问题确实不容易说清楚。
主张宇宙无限的人则反问：“宇宙怎么可能是有限的呢？”这个问题同样也不好回答。
随着天文观测技术的发展，人们看到，确实像布鲁诺所说的那样，恒星是遥远的太阳。
人们还进一步认识到，银河是由无数个太阳系组成的大星系，我们的太阳系处在银河系的边缘，围绕着银河系的中心旋转，转速大约每秒250公里，围绕银心转一圈约需2.5亿年。
太阳系的直径充其量约1光年，而银河系的直径则高达10万光年。
银河系由100多亿颗恒星组成，太阳系在银河系中的地位，真像一粒砂子处在北京城中。
后来又发现，我们的银河系还与其他银河系组成更大的星系团，星系团的直径约为107，光年（1000万光年）。
目前，望远镜观测距离已达100亿光年以上，在所见的范围内，有无数的星系团存在，这些星系团不不再组成更大的团，而是均匀各向同性地分布着。
这就是说，在107光年的尺度以下，物质是成团分布的。
卫星绕着行星转动，行星、彗星则绕着恒星转动，形成一个个太阳系。
这些太阳系分别由一个、两个、三个或更多个太阳以及它们的行星组成。
有两个太阳的称为双星系，有三个以上太阳的称为聚星系。
成千上亿个太阳系聚集在一起，形成银河系，组成银河系的恒星（太阳系）都围绕着共同的重心——银心转动：无数的银河系组成星系团，团中的各银河系同样也围绕它们共同的重心转动。
但是，星系团之间，不再有成团结构。
各个星系团均匀地分布着，无规则地运动着。
从我们地球上往四面八方看，情况都差不多。
粗略地说，星系团有点像容器中的气体分子，均匀分布着，做着无规则运动：这就是说，在10光年（一亿光年）的尺度以上，宇宙中物质的分布不再是成团的，而是均匀分布的。
由于光的传播需要时间，我们看到的距离我们一亿光年的星系，实际上是那个星系一亿年以前的样子。
所以，我们用望远镜看到的，不仅是空间距离遥远的星系，而且是它们的过去。
从望远镜看来，不管多远距离的星系团，都均匀各向同性地分布着。
因而我们可以认为，宇观尺度上（105光年以上）物质分布的均匀状态，不是现在才有的，而是早已如此。
于是，天体物理学家提出一条规律，即所谓宇宙学原理。
这条原理说，在宇观尺度上，三维空间在任何时刻都是均匀各向同性的。
现在看来，宇宙学原理是对的。
所有的星系都差不多，都有相似的演化历程。
因此我们用望远镜看到的遥远星系，既是它们过去的形象，也是我们星系过去的形象。
望远镜不仅在看空间，而且在看时间，在看我们的历史。
（2）有限而无边的宇宙爱因斯坦发表广义相对论后，考虑到万有引力比电磁力弱得多，不可能在分子、原子、原子核等研究中产生重要的影响，因而他把注意力放在了天体物理上。
他认为，宇宙才是广义相对论大有用武之地的领域。
爱因斯坦1915年发表广义相对论，1917年就提出一个建立在广义相对论基础上的宇宙模型。
这是一个人们完全意想不到的模型。
在这个模型中，宇宙的三维空间是有限无边的，而且不随时间变化。
以往人们认为，有限就是有边，无限就是无边。
爱因斯坦把有限和有边这两个概念区分开来。
一个长方形的桌面，有确定的长和宽，也有确定的面积，因而大小是有限的。
同时它有明显的四条边，因比是有边的。
如果有一个小甲虫在它上面爬，无论朝哪千方向爬，都会很快到达桌面的边缘。
所以桌面是有限有边的二维空间。
如果桌面向四面八方无限伸展，成为欧氏几何中的耳面，那么，这个欧氏平面是无限无边的二维空间。
我们再看一个篮球的表面，如果篮球的半径为γ那么球面的面积是4πγ2，大小是有限的。
但是，这个二维球面是无边的。
假如有一个小甲虫在它上面爬，永远乜不会走到尽头。
所以，篮球面是一个有限无边的二维空间。
爱因斯坦的相对论指出：宇宙中时间和空是非常复杂地纠缠在一起的。
按照宇宙学原理，在宇观尺度上，三维空间是均匀各向同性的。
爱因斯坦认为，这样的三维空间必定是常曲率空间，也就是说空间各点的弯曲程度应该相同，即应该有相同的曲率。
由于有物质存在，四维时空应该是弯由的。
三维空间也应是弯的而不应是平的。
爱因斯坦觉得，这样的宇宙很可能是三维超球面。
三维超球面不是通常的球体，而是二维球面的推广。
通常的球体是有限有边的，体积是3／4πγ2，它的边就是二维球面。
三维超球面是有限无边的，生活在其中的三维生物（例如我们人类就是有长、宽、高的三维生物），无论朝哪个方向前进均碰不到边。
假如它一直朝北走，最终会从南边走回来。
宇宙学原理还认为，三维空间的均匀各向同性是在任何时刻都保持的。
爱因斯坦觉得其中最简单的情况就是静态宇宙，也就是说，不随时间变化的宇宙。
这样的宇宙只要在某一时刻均匀各向同性，就永远保持均匀各向同性。
爱因斯坦试图在三维空间均匀各向同性、且不随时间变化的假定下，求解广义相对论的场方程。
场方程非常复杂，而且需要知道初始条件（宇宙最初的情况）和边界条件（宇宙边缘处的情况）才能求解。
本来，解这样的方程是十分困难的事情，但是爱因斯坦非常聪明，他设想宇宙是有限无边的，没有边自然就不需要边界条件。
他又设想宇宙是静态的，现在和过去都一样，初始条件也就不需要了。
再加上对称性的限制（要求三维空间均匀各向同性），场方程就变得好解多了。
但还是得不出结果。
反复思考后，爱因斯坦终于明白了求不出解的原因：广义相对论可以看做万有引力定律的推广，只包含“吸引效应”不包含“排斥效应”。
而维持一个不随时间变化的宇宙，必须有排斥效应与吸引效应相平衡才行。
这就是说，从广义相对论场方程不可能得出“静态”宇宙。
要想得出静态宇宙，必须修改场方程。
于是他在方程中增加了一个“排斥项”，叫做宇宙项。
这样，爱因斯坦终于计算出了一个静态的、均匀各向同性的、有限无边的宇宙模型。
一时间大家非常兴奋，科学终于告诉我们，宇宙是不随时间变化的、是有限无边的。
看来，关于宇宙有限还是无限的争论似乎可以画上一个句号了。
（3）宇宙的“宇宙模型”之说几年之后，一个名不见经传的前苏联数学家弗利德曼，应用不加宇宙项的场方程，得到一个膨胀的、或脉动的宇宙模型。
弗利德曼宇宙在三维空间上也是均匀、各向同性的，但是，它不是静态的。
这个宇宙模型随时间变化，分三种情况。
第一种情况，三维空间的曲率是负的；第二种情况，三维空间的曲率为零，也就是说，三维空间是平直的；第三种情况，三维空间的曲率是正的。
前两种情况，宇宙不停地膨胀；第三种情况，宇宙先膨胀，达到一个极大值后开始收缩，然后再膨胀，再收缩……因此第三种宇宙是脉动的。
弗利德曼的宇宙最初发表在一个不太著名的杂志上。
后来，西欧一些数学家物理学家得到类似的宇宙模型。
爱因斯坦得知这类膨胀或脉动的宇宙模型后，十分兴奋；他认为自己的模型不好，应该放弃，弗利德曼模型才是正确的宇宙模型。
同时，爱因斯坦宣称，自己在广义相对论的场方程上加宇宙项是错误的，场方程不应该含有宇宙项，而应该是原来的老样子。
但是，宇宙项就像“天方夜谭”中从瓶子里放出的魔鬼，再也收不回去了。
后人没有理睬爱因斯坦的意见，继续讨论宇宙项的意义。
今天，广义相对论的场方程有两种，一种不含宇宙项，另一种含宇宙项，都在专家们的应用和研究中。
早在1910年前后，天文学家就发现大多数星系的光谱有红移现象，个别星系的光谱还有紫移现象。
这些现象可以用多普勒效应来解释。
远离我们而去的光源发出的光，我们收到时会感到其频率降低，波长变长，并出现光谱线红移的现象，即光谱线向长波方向移动的现象。
反之，向着我们迎面而来的光源，光谱线会向短波方向移动，出现紫移现象。
这种现象与声音的多普勒效应相似。
许多人都有过这样的感受：迎面而来的火车其呜叫声特别尖锐刺耳，远离我们而去的火车其呜叫声则明显迟钝。
这就是声波的多普勒效应，迎面而来的声源发出的声波，我们感到其频率升高，远离我们而去的声源发出的声波，我们则感到其频率降低。
如果认为星系的红移、紫移是多普勒效应，那么大多数星系都在远离我们，只有个别星系向我们靠近。
随之进行的研究发现，那些个别向我们靠近的紫移星系，都在我们自己的本星系团中（我们银河系所在的星系团称本星系团）。
本星系团中的星系，多数红移，少数紫移；而其他星系团中的星系就全是红移了。
1929年，美国天文学家哈勃总结了，当时的一些观测数据，提出一条经验规律，河外星系（即我们银河系之外的其他银河系）的红移大小正比于它们离开我们银河系中心的距离。
由于多普勒效应的红移量与光源的速度成正比，所以，上述定律又表述为：河外星系的退行速度与它们离我们的距离成正比：V＝HD式中V是河外星系的退行速度，D是它们到我们银河系中心的距离。
这个定律称为哈勃定律，比例常数H称为哈勃常数。
按照哈勃定律，所有的河外星系都在远离我们，而且，离我们越远的河外星系，逃离得越快。
哈勃定律反映的规律与宇宙膨胀理论正好相符。
个别星系的紫移可以这样解释，本星系团内部各星系要围绕它们的共同重心转动，因此总会有少数星系在一定时间内向我们的银河系靠近。
这种紫移现象与整体的宇宙膨胀无关。
哈勃定律大大支持了弗利德曼的宇宙模型。
不过，如果查看一下当年哈勃得出定律时所用的数据图，人们会感到惊讶。
在距离与红移量的关系图中，哈勃标出的点并不集中在一条直线附近，而是比较分散的。
哈勃怎么敢于断定这些点应该描绘成一条直线呢？一个可能的答案是，哈勃抓住了规律的本质，抛开了细节。
另一个可能是，哈勃已经知道当时的宇宙膨胀理论，所以大胆认为自己的观测与该理论一致。
以后的观测数据越来越精，数据图中的点也越来越集中在直线附近，哈勃定律终于被大量实验观测所确认。
（4）宇宙到底说有限还是无限现在，我们又回到前面的话题，宇宙到底有限还是无限？有边还是无边？对此，我们从广义相对论、大爆炸宇宙模型和天文观测的角度来探讨这一问题。
满足宇宙学原理（三维空间均匀各向同性）的宇宙，肯定是无边的。
但是否有限，却要分三种情况来讨论。
如果三维空间的曲率是正的，那么宇宙将是有限无边的。
不过，它不同于爱因斯坦的有限无边的静态宇宙，这个宇宙是动态的，将随时间变化，不断地脉动，不可能静止。
这个宇宙从空间体积无限小的奇点开始爆炸、膨胀。
此奇点的物质密度无限大。
温度无限高、空间曲率无限大、四维时空曲率也无限大。
在膨胀过程中宇宙的温度逐渐降低，物质密度、空间曲率和时空曲率都逐渐减小。
体积膨胀到一个最大值后，将转为收缩。
在收缩过程中，温度重新升高、物质密度、空间曲率和时空曲率逐渐增大，最后到达一个新奇点。
许多人认为，这个宇宙在到达新奇点之后将重新开始膨胀。
显然，这个宇宙的体积是有限的，这是一个脉动的、有限无边的宇宙。
如果三维空间的曲率为零，也就是说，三维空间是平直的（宇宙中有物质存在，四维时空是弯曲的），那么这个宇宙一开始就具有无限大的三维体积，这个初始的无限大三维体积是奇异的（即“无穷大”的奇点）。
大爆炸就从这个“无穷大”奇点开始，爆炸不是发生在初始三维空间中的某一点，而是发生在初始三维空间的每一点。
即大爆炸发生在整个“无穷大”奇点上：这个“无穷大”奇点，温度无限高、密度无限大、时空曲率也无限大（三维空间曲率为零）。
爆炸发生后，整个“奇点”开始膨张。
成为正常的非奇异时空，温度、密度和时空曲率都逐渐降低。
这个过程将永远地进行下去。
这是一种不大容易理解的图像：一个无穷大的体积在不断地膨胀。
显然，这种宇宙是无限的，它是一个无限无边的宇宙。
〖TPT14.TIF，BP〗国际宇宙空间站三维空间曲率为负的情况与三维空间曲率为零的情况比较相似。
宇宙一开始就有无穷大的三维体积，这个初始体积也是奇异的，即三维“无穷大”奇点。
它的温度、密度无限高，三维、四维曲率都无限大。
大爆炸发生在整个“奇点”上，爆炸后，无限大的三维体积将永远膨胀下去，温度、密度和曲率都将逐渐降下来。
这也是一个无限的宇宙，确切地说是无限无边的宇宙。
那么，我们的宇宙到底属于上述三种情况的哪一种呢？我们宇宙的空间曲率到底为正，为负，还是为零呢？这个问题要由观测来决定。
广义相对论的研究表明，宇宙中的物质存在一个临界密度pc，大约是每立方米三个核子（质子或中子）。
如果我们宇宙中物质的密度p大于pc，则三维空间曲率为正，宇宙是有限无边的；如果p小于pc，则三维空间曲率为负，宇宙也是无限无边的。
因此，观测宇宙中物质的平均密度，可以判定我们的宇宙究竟属于哪一种，究竟有限还是无限。
此外，还有另一个判据，那就是减速因子。
河外星系的红移，反映的膨胀是减速膨胀，也就是说，河外星系远离我们的速度在不断减小。
从减速的快慢，也可以判定宇宙的类型。
如果减速因子q大于1／2，三维空间曲率将是正的，宇宙膨胀到一定程度将收缩；如果q等于1／2，三维空间曲率为零，宇宙将永远膨胀下去；如果q小于1／2，三维空间曲率将是负的，宇宙也将永远膨胀下去。
下表列出了有关的情况：〖HT5”SS〗〖BG（〗〖BHDWG2，WK7*2。
2，WK7，WK4*2。
2W〗宇宙中物质密度〖〗红移的减速因子〖〗三维空间曲率〖〗宇宙类型〖〗膨胀特点〖BHDWG2〗p＜pc〖〗q＞l／2〖〗正〖〗有限无边〖〗脉动〖BH〗p＝pc〖〗q＝1／2〖〗零〖〗无限无边〖〗永远膨胀〖BH〗p＜pc〖〗q＜l／2〖〗负〖〗有限无边〖〗永远膨胀〖BG）W〗我们有了两个判据，可以决定我们的宇宙究竟属于哪一种了。
观测结果表明，p＜pc，我们宇宙的空可曲率为负，是无限无边的宇宙，将永远膨胀下去！不幸的是，减速因子观测给出了相反的结果，q＞1／2，这表明我们宇宙的空间曲率为正，宇宙是有限无边的，脉动的，膨胀到一定程度会收缩回来。
哪一种结论正确呢？有些人倾向于认为减速因子的观测更可靠，推测宇宙中可能有某些暗物质被忽略了，如果找到这些暗物质，就会发现p实际上是大于pc的。
另一些人则持相反的看法。
还有一些人认为，两种观测方式虽然结论相反，但得到的空间曲率都与零相差不大，可能宇宙的空间曲率就是零。
然而，要统一大家的认识，还需要进一步的实验观测和理论推敲。
今天，我们仍然肯定不了宇宙究竟有限还是无限，只能肯定宇宙无边，而且现在正在膨胀！此外，还知道膨胀大约开始于100亿～200亿年以前，这就是说，我们的宇宙大约起源于100亿—200亿年之前。
（5）宇宙巨壁和宇宙巨洞20世纪70年代以前，人们普遍认为大尺度宇宙物质分布是均匀的，星系团均匀地散布在宇宙空间。
然而，近年来天文研究的进步改变了人们的认识。
人们发现，宇宙在大尺度范围内也是有结构的。
20世纪50年代，沃库勒首先提出包括我们银河系所属的本星系群在内的本超星系团。
近年来，己先后发现十几个超星系团。
星系团像一些珠子，被一些孤立的星系串在一起，形成超星系团。
最大的超星系团的长度超过10亿光年。
1978年，发现后发—A1367超星系团的同时发现了一个巨洞，其中几乎没有星系。
不久，又在牧夫座发现一个直径达25亿光年的巨洞，巨洞里有一些暗的矮星系。
巨洞和超星系团的存在表明，宇宙的结构好像肥皂泡沫那样由许多巨洞组成。
星系、星系团和超星系团位于“泡沫巨洞”的“璧”上，把巨洞隔离开来。
1986年，美国天文学家的研究结果表明，这些星系似乎拥挤在一条杂乱相连的不规则的环形周界上，像是附着在巨大的泡沫壁上，周界的跨度约50兆秒差距。
后来他们的研究又得到进一步的发展。
他们指出：宇宙存在着尺度约达5兆秒差距的低密度的宇宙巨洞，及高密度的星系巨壁，在他们所研究的天区存在一个星系巨壁，巨壁长为170兆秒差距，高为60兆秒差距，宽度仅为5兆秒差距。
星系巨壁（也称宇宙长城或宇宙巨壁）和宇宙巨洞是怎样产生的呢？人们认为应从宇宙早期去找原因，在宇宙诞生后不长时期内，虽然宇宙是均匀的，但各种尺度的密度起伏仍然是存在的，有的起伏被抑制了，有的起伏得到发现，被引力放大成现在所观测到的大尺度结构。
（6）暗地质之谜不少天文学家认为宇宙中有90％以上的物质是以暗物质的形式隐蔽着的。
有些什么事实和现象表示宇宙中存在暗物质呢？早在20世纪30年代荷兰天文学家奥尔特就注意到，为了说明恒星来回穿越银道面的运动，银河系圆盘中必须有占银河系总质量的一半的暗物质存在。
20世纪70年代，一些天文学家的研究证明星系的质量主要并不集中在星系的核心，而是均匀地分布在整个星系中。
这就暗示人们，在星系晕中一定存在着大量看不见的暗物质。
这些睹物质是些什么呢？科学家们认为，暗物质中有少量是所谓的重子物质，如极暗的褐矮星，质量为木星30—80倍的大行星，恒星残骸，小黑洞，星系际物质等。
它们与可见物质一样，虽也是由质子、中子和电子等组成的物质，但很难用一般光学望远镜观测到它们。
相对而言，绝大部分暗物质是非重子物质，它们都是些具有特异性能的、质量很小的基丰粒子，如中微子、轴子及探讨中的引力微子、希格斯微子、光微子等。
怎样才能探测到这些暗物质呢？科学家作了许多努力。
对于重子暗物质，他们重点探测存在于星系其中的暗天体，它们被叫做大质量致密晕天体。
1993年，由美澳等国天文学家组成的三个天文研究小组开始了寻找致密晕天体的研究工作。
到1996年，他们报告说，已找到7个这样的天体。
它们的质量从1／10太阳质量到1个太阳质量不等。
有的6天文学家认为这些天体可能是白矮星、红矮星、褐矮星、木星大小的天体、中子星以及小黑洞，也有人认为银河系中50％的暗物质可能是核燃料耗尽的死星。
关于非重子物质，现在尚未观测到这些幽灵般的粒子存在的证据。
近年来对中微子质量的测量取得了一些新结果。
1994年美国物理学家怀特领导的物理学小组测量出中微子质量在05—5电子伏（1电子伏等于17827×10－36，千克）之间。
在每一立方米的空间中约有360亿个中微子。
如果是这样的话，那么宇宙中全部中微子的总质量要比所有已知星系质量的总和还要大。
到目前为止，宇宙中暗物质的问题仍是未解之谜。
宇宙岛之谜在宇宙大爆炸之后的膨胀过程中，分布不均匀的物质因引力的作用而收缩成一个个“岛屿”，这就是星系，人们将其形象地称作“宇宙岛”或“岛宇宙”。
提起宇宙岛，可追溯到意大利布鲁诺关于宇宙中恒星世界的构想。
1755年，德国哲学家康德认为宇宙中有无限多的星系，这就是宇宙岛假说的渊源。
天文学家通过观测，看到许多雾状的云团，便猜测可能是由很多恒星构成的，只是离得太远，人们无法一一分辨出。
英国天文学家赫歇尔首先发现许多星云可分解成恒星群，后来又发现一些星云无法分解，于是他提出了星系并非宇宙岛的观点。
到了19世纪，人们借助更大的望远镜进行更仔细的观测，特别是分光术的应用，使人们对星云的观测有了极大的进步。
只是囿于赫歇尔的影响，人们对宇宙岛与星云的关系仍然缺乏正确的认识。
进入20世纪，在美国引起了关于宇宙岛的争论。
天文学家柯帝斯认为宇宙岛是河外星系，否则它们就是银河系的成员。
另一位天文学家沙普利提出与柯蒂斯不同的观点。
在20年代，他们展开激烈的争论。
后来，哈勃进行了更精确的测量，证明了河外星系的存在。
这样，关于宇宙岛的争论才告结束。
德国天文学家西蒙·马里乌斯于1612年从望远镜中看到仙女座中的一颗“恒星”有些异样，它不像别的星星那样呈现一个明锐的光点，而是一小块雾状的亮斑。
后来，人们将它称作“仙女座大星云”。
本图是它的照片，它是侧着身子对着我们的。
哲学家康德早就猜想它是像我们银河系一样的巨大的恒星集团，他将仙女座大星云一类的天体比喻为漂泊在无限宇宙中的岛屿，叫它们为“宇宙岛”。
现在人们观测到的河外星系已达上万个，最远者距银河系达70亿光年。
估计河外星系数目大得惊人，若画一个半径达20亿光年的圆球，其内含有约30亿个星系，每个星系都包含着数以千亿计的恒星。
关于宇宙中的宇宙岛是从何处漂移过来的问题，目前仍有很多的争论。
关于星系起源的理论更有很多，有代表性的是引力不稳定性假说和宇宙湍流假说。
前者认为，在30亿年间，星系团物质由于引力的不稳定而形成原星系，并进一步形成星系或恒星；后者认为，宇宙膨胀时形成旋涡，它可以阻止膨胀，并在旋涡处形成原星系。
二者都认为星系形成了100亿年。
但是两种观点都不成熟，还存在很多的问题。
此外，还有一些关于星系起源的理论，也有较大影响。
各学派目前都还拿不出一套能完整科学地解释宇宙岛的理论。
银河系核心之谜古希腊人认为，人类居住的地球是宇宙中心。
16世纪，哥白尼把地球降为一颗普通行星，把太阳作为宇宙中心天体。
18世纪，赫歇尔认为，太阳是银河系中心。
20世纪，沙普利把太阳“流放”到银河系的旋臂上，离银河系中心有几万光年之遥。
在太阳离开“银心”之后，谁坐镇“银心”便成为天文学家关注的大问题。
而且“银心”离我们的距离并不算远，理应把它的“主人”搞清楚。
然而，对“银心”观测并不容易，原因是“银心”到处充满了尘埃。
这层厚厚的“面纱”，让人难以窥视其中的奥秘。
〖TPT25.TIF，BP＃〗银河系剖面图随着观测手段的不断改进，人们对“银心”的了解也在不断增加。
这主要是靠接收尘埃无法遮挡的红外线和射电波。
美国贝尔实验室的工程师央斯基是最先接收到“银心”射电波的。
由于“银心”核球的红外线和射电波信号很强，人们推测它可能是质量极大的矮星群。
1971年，英国天文学家认为，核球中心部有一个大质量的致密核，或许还是一个黑洞，其质量约为太阳质量的100万倍。
如果真是一个黑洞，“银心”应有一个强大的射电源。
20世纪80年代，美国天文学家探测到以每秒200千米的速度围绕“银心”运动的气体流，它离“银心”越远，速度越慢。
他们估计这是“银心”黑洞影响的结果。
另一些美国天文学家也宣布探测到“银心”的射电源，这一结果说明“银心”可能是一个黑洞。
前苏联的一些天文学家则认为，证明“银心”是黑洞的证据不足。
他们认为，“银心”可能是恒星的诞生地，因为其中心有大量的分子云，总质量为太阳质量的10万倍，温度为200～300K。
天文学家很关心“银心”是否为一黑洞，为此，美国天文学家海尔斯提出了一个判据，即一对质量与太阳相当的双星从黑洞旁掠过时，其中一颗被黑洞吸进后，另一颗则以极高速度被抛射出去。
经过计算，这样的机会并不大。
海尔斯的判据虽不能最终解决问题，但不失为一条新思路。
然而，要最终搞清楚“银心”的构成，有有许多工作要做。
宇宙“泡沫”之谜前些年，美国哈佛一斯密森天体物理研究中心的科学家玛格特·盖勒和约翰·赫奇勒曾经宣布，他们首创的三度空间图像表明，宇宙建立在许多巨太空间的四周。
这些空间看起来就像洗脸盆上的肥皂泡，而大大小小的星系就依附在“泡沫”上。
有的“肥皂泡”相当大，直径达到15亿光年。
但是，这些“肥皂泡”是怎样产生的？构成星系的物质是如何空出这么巨大的区域来的？诸如此类的问题，在科学界引起激烈争论。
有人认为，是大爆炸将物质从空间中心推向四周，从而形成“泡状”。
这种说法存在着很大问题，因为它无法解释物质怎么能跑完这么长的路程，形成这么巨大的空间。
最近，有人又发现了横跨天穹的一个狭长星系。
这个星系长约5亿光年，宽约2亿光年，厚约1500光年。
这是天文学家迄今为止发现的最庞大的宇宙结构。
美国《科学》杂志详细报道了这一发现，并将其命名为“长城”。
这道肉眼看不见的呈曲线形的“长城”，离地球大约2亿～3亿光年。
由于距离遥远，它在一般的天文摄影照片上显示不出来。
在这一新发现之前，宇宙中最大的发光结构被认为是银河系超星系团。
“长城”的发现，又增加了问题的神秘性，在太空中很可能还有更巨大的结构体在等待人们去发现。
天河的来历夏夜的晴空，银河高悬，像一条天上的河流，故此有“天河”、“河汉”之称。
西方人称它为“牛奶路”。
在中国境内，可以看到银河自天蝎座起，经人马座特别明亮的部分，达盾牌座而止。
银河那烟霭茫茫的景象引发诗人无穷的遐想，但是天文学家却一直难见其庐山真面目。
17世纪，伽利略首先用望远镜观察银河。
他发现，这是一个恒星密集的区域。
后来英国人赖特提出了银河系的猜想，并具体描绘出了银河系的形状。
他假定，银河系像个“透镜”，连同太阳系在内的众星位于其中。
18世纪，英国天文学家赫歇尔父子对赖特的猜想进行了验证—他们发现银河系中心处恒星很多，而离中心越远恒星越少。
他们的观测表明，银河系确是一个恒星体系，并且其范围是有限的，太阳靠近银河系中心。
他们估计，银河系中有3亿颗恒星，其直径为8000光年，厚1500光年。
荷兰天文学家卡普亭的观测进一步证实了赫歇尔父子关于银河系形状的观测结果。
1906年，他估计银河系直径23000光年、厚6000光年；1920年，他测算的银河系直径为55000光年，厚110000光年。
这一结果比赫歇尔父子的测算结果大了400倍。
1915年，美国天文学家卡普利研究了许多球状星团的变星，发现太阳并不在银河系中心，而距那里约5万光年，并朝向人马座，银河系直径有30万光年。
20世纪80年代，人们测得的银河系数据是，质量相当于2000亿个太阳的质量，直径10万光年，厚2000光年，太阳距银河系中心25万光年。
银河系到底有多大呢？宇宙物质的秘密要想弄明白宇宙中有没有反物质，首先要弄明白什么是反物质。
反物质是和物质相对立的一个概念。
众所周知，原子是构成化学元素的最小粒子，它由原子核和电子组成。
原子的中心是原子核，原子核由质子和中子组成，电子围绕原子核旋转。
原子核里的质子带正电荷，电子带负电荷。
从它们的质量看，质子是电子的l鼬0暗，形成了强烈的不对称性。
因此，20世纪初有一些科学家就提出疑问，二者相差这么悬殊，会不会存在另外一种粒子，它们的电量相等而极性相反，比如，一个同质子质量相等的粒子，可带的是负电荷，另一个同电子质量相等的粒子，可带的正电荷。
1928年，英国青年物理学家狄拉克从理论上提出了带正电荷“电子”的可能性。
这种粒子，除电荷同电子相反外，其他都一样。
1932年，美国物理学家安德逊经过实验，把狄拉克的预言变成了现实。
他把一束Y射线变成了一对粒子，其中一个是电子，而另一个同电子质量相同的粒子，带的就是正电荷。
1955年：美国物理学家西格雷等人在高能质子同步加速器中，用人工方法获得了反质子，它的质量同质子相等，却带负电荷。
1978年8月，欧洲一些物理学家又成功地分离并储存了300个反质子。
1979年，美国新墨西哥州立大学的科学家把一个有60层楼高的巨大氦气球，放到离地面35千米的高空，飞行了8个小时，捕获了28个质子。
从此，人们知道了每种粒子都有相应的反粒子。
〖TPT15.TIF；％80％80，BP〗气体尘埃星云人们根据反粒子，自然联想到反原子的存在。
一个质子和一个带负电荷的电子结构，便形成，了原子。
那么，一个反质子和一个带正电荷的“电子”结合，不就形成了一个反原子了吗？类推下去，岂不会形成一个反物质世界吗？于是有人认为，宇宙是自等量的物质和反物质构成的。
从理论上看，宇宙中应该存在二个反物质世界。
可事实并不这么简单。
经研究发现，粒子和反粒子一旦相遇，他们就会“同归于尽”，从而转化成高能量的V光子辐射。
可这种光子辐射人们至今还没有发现。
在我们地球上很难找到反物质，因为它一旦遇到无处不在的普通物质就会湮灭。
那么，宇宙中存在着反物质吗？存在着一个反物质世界吗？按照对称宇宙学的观点，它们是存在的。
这一学派认为，我们所看到的全部河外星系（包括银河系在内），原本不过是个庞大而又稀薄的气体云，由等离子体构成。
等离子体既包含粒子，又包含反粒子。
当气体云在万有引力作用下开始收缩时，粒子和反粒子接触的机会就多了起来，便产生了湮灭效应，同时释放出巨大能量，收缩的气体云开始膨胀。
这就是说，等离子体云的膨胀，是由正、反粒子的湮灭引起的。
按照这种说法推论，在宇宙中的某个地方，一定存在着反物质世界。
如果反物质世界真的存在的话，那么，它只有不与物质会合才能存在。
可物质和反物质怎样才能不会合呢？为什么宇宙中的反物质会这么少呢？这些都是待解之谜。
“太阳系”是如何发现的茫茫无际的宇宙，深藏着无数奥秘。
有人曾设想，除我们的太阳系以外，还应有第二个、第三个太阳系。
可是另外的“太阳系”具体在哪里？这个长期以来争论不休的问题，随着织女星周围发现行星系，有人认为已经找到了宇宙中的第二个“太阳系”，为寻找宇宙中其他许多“太阳系”提供了例证。
宇宙中的第一个“太阳系”是怎样发现的呢？〖TPT38.TIF；Z2；Y2，BP〗赖特所画的《太阳系仪》表明18世纪英国人对牛顿的力学宇宙怀有浓厚兴趣。
1983年1月，美国、荷兰、英国三个国家成功地发射了红外天文卫星。
后来，天文学家们利用这颗卫星意外地发现天琴座主星——织女星的周围存在类似行星的固体环。
这次发现在世界上还是头一回。
这一发现可以说是不同凡响的划时代的发现。
织女星周围的物质吸收了织女星的辐射热，发射出红外线。
红外天文卫星正是接收到了它所放射的红外线。
比较四个不同接收波段的强度便可计算出该物体的温度为90K（约—180℃）。
一般来说，恒星的温度下限约为500K。
温度为90K，这就是说那个物体是颗行星。
而且，织女星真的也有行星系的话，它便相当于外行星。
这样一个温度的物体只能用波长为几十微米的红外望远镜方可捕获到。
美国、荷兰、英国合作发射的卫星是世界第一颗红外天文卫星，主要用于探测全天的红外源，也就是对红外源进行登记造册。
一般红外天文望远镜不能探出宇宙中的低温物体。
因为大气中的水分和二氧化碳气体大量吸收了来自宇宙的红外线及地球的热，又会释放互相干扰的红外线。
红外天文卫星将装置仪器用极低温的液态氦进行冷却，所以才有了这次的发现。
探测表明，织女星行星系与太阳系行星一般大小。
由于织女星发出的总能量是已知的，通过90K的物体的温度便能求出织女星和该物体之间的距离，也就是可以求出该行星系的半径。
织女星距离地球26光年，是全天第四亮星。
直径是太阳的25倍，质量约是太阳的3倍，表面温度约为10000℃，比太阳的表面温度（约6000℃）高：织女星诞生于10亿年前，太阳诞生于45亿年前，相比之下织女星要年轻得多。
地球大致是与太阳同时诞生的，若认为织女星的行星也跟织女星同时诞生，那么就可以视它的行星处在演化的初期阶段。
依据行星形成的一般假说，当恒星产生时，在它的周围散发着范围为太阳系100倍的分子气体云环，因长期相互作用而分成若干个物质团块，进而形成行星。
东京天文台曾公布说，他们用射电望远镜在猎户座星云等地方发现“行星系的婴儿”，也可以说是原始行星系星云。
东京天文台和红外天文卫星的发现，看来可以说是行星形成过程中的不同阶段。
深入分析和研究这两个不同阶段，以及更正确地描写织女星的行星像，无疑是当前世界天文学界所面临的一大课题。
黑洞之谜黑洞，是人们对宇宙空间一个区域的形象称呼。
不但物体掉进去便会消失得无影无踪，而且连光也休想从那里逃逸出来，它就像一个饥饿的无底洞，永远也填不饱。
因此有人又把它叫做“星坟”。
〖TPT113.TIF；％90％90，BP〗神秘的黑洞追溯起来，黑洞的概念并不是新的，法国著名数学家拉普拉斯早在1898年就对此进行过描述。
他认为，假如有一个天体，它的密度或质量达到一定的限度，我们就会看不到它了，因为光没有能力逃离开它的表面，也就是说，光无法到达我们这里。
不过，黑洞引起科学家们的普遍关注，还是在爱因斯坦的广义相对论公布之后，人们根据爱因斯坦的理论，就黑洞存在的条件及形成原因等问题进行了探索。
直到1965年测到的一束来自白天鹅星座的X射线，才真正打开了人们探测黑洞的大门。
这一奇特的天体，被当时的天文学家命名为“天鹅座X－1”。
经研究证实这是一个明亮的蓝色星体，它还有一颗看不见的伴星，质量要比太阳大10～20倍。
又过了几年，天文学家根据“天鹅座X－1”发射出来的强射线，找到了编号为HDE｛22｝6868的星体，它就是X射线的射线源。
这是一个巨大无比的星体，质量为太阳的30倍，它围绕另一颗星高速运行。
后经研究认为，X射线不是从HDE｛22｝6868上发射出来的，而是从绕它运行的伴星上发射出来的。
通过计算，这颗伴星质量是太阳的5～8倍，但人们看不到它所在的位置。
到目前为止，这是黑洞最理想的候选人。
〖TPT114.TIF；％90％90；Z2；Y2，BP〗太空画：天鹅座X－1可能是一个黑洞（位于吸积盘中心）关于黑洞的成因，人们有不同的解释。
有人认为恒星在其晚年，因核燃料被消耗完，便在自身引力下开始坍缩，如果坍缩星体的质量超过太阳的3倍，那么，其坍缩的产物就是黑洞；也有人认为它是在超新星爆发时形成的——一部分坍毁的恒星变成了黑洞；还有人认为在宇宙大爆炸时，其异乎寻常的力量把一些物质挤压得非常紧密，形成了“原生黑洞”。
时至今日，虽然黑洞还没被真正捕捉到，但人们对黑洞的存在却是确信无疑的，也许一些星团的中心就是黑洞。
1999年6月，一些天文学家通过测量太阳系运行的轨道，获得了更多的证据证明银河系中心存在一个“超大”黑洞。
天文学家利用由射电望远镜陈列组成的精确的测量设备，透过阻挡人们视线的尘埃进行观察。
他们得出的计算结果是：太阳系以每秒217千米的速度围绕银河系中心旋转，运行一周需要226亿年时间。
在美国天文学会年会上公布的研究成果表明，位于银河系中心被称为人马座A星的这个星体的质量至少是太阳质量的1000倍，而且很可能还要大很多。
据此，一些天文学家认为银河系中心就是一个大质量的黑洞。
总有一天，人们会揭开黑洞的神秘面纱。
“白洞”之谜有些人认为，宇宙是对称的，有此必有彼。
当人们热衷于讨论“黑洞”的时候，又有人针锋相对地提出了“白洞”之说。
白洞是广义相对论所预言的一种与黑洞相反的特殊天体。
和黑洞类似，它也有一个封闭的边界。
聚集在白洞内部的物质，只可以经边界向外运动，而不能反向运动。
因此，白洞可以向外部区域提供物质和能量，但不能吸收外部区域的任何物质和辐射。
白洞是一个强引力源，其外部引力性质与黑洞相同。
白洞可以把它周围的物质吸积到边界上形成物质层。
白洞学说主要用来解释一些高能天体现象。
有人认为，类星体的核心就可能是一个白洞。
当白洞内中心点附近所聚集的超密态物质向外喷射时，就会同它周围的物质发生猛烈碰撞，而释放出巨大的能量。
因此，有些X射线、宇宙射线、射电爆发、射电双源等现象，可能与白洞的这种效应有关。
白洞目前还只是一种理论模型，尚未被观测所证实。
人们猜测图中星系带有白洞的某些特征。
我们知道，黑洞是极端“自私”的，它就像一个贪得无厌的野兽，张开大口，吞食着宇宙中的一切物质。
只要进人它的“视界”之内，就休想再出来，其中包括光。
那么，它把物质吞进去之后，又消化到哪里去了呢？要知道物质是不灭的。
于是“白洞”之说便应运而生。
白洞的“性格”与黑洞截然相反，它允许内部的超高密度物质离开它的边界，进入广阔的太空，却不允许任何物质进入它的边界之内。
换句话说，它向外界发出辐射，抛出最终能够构成气体和恒星的物质，却不肯吸收外界的物质来“中饱私囊”。
正因为它具有这样的特性，人们就很自然地把它同X射线爆发、γ射线爆发，以及超新星爆发等现象联系起来。
白洞不断向空间喷射物质，那么谁为它提供“后勤供应”呢？有人认为，白洞那源源不断的能源取自黑洞。
进人黑洞的物质并不是完全被它消化了，而是以“热辐射”的方式稳定地向外发射粒子，科学家们称之为“自发蒸发”。
英国物理学家霍金经研究发现，黑洞具有一定的温度，其数值与黑洞的质量成反比。
自发蒸发使黑洞质量减少，温度升高，又反过来促使自发蒸发加剧。
由于这样正反促进，使黑洞的蒸发愈演愈烈，最后便以“反坍缩”形式猛烈爆发，形成不断向外喷射物质的白洞。
黑洞把宇宙中物质吞食了，白洞又把物质归还给宇宙，这是一个多么和谐的宇宙啊！前苏联学者诺维柯夫把白洞的形成同宇宙大爆炸理论联系起来，提出了“延迟核”理论。
他认为，宇宙在大爆炸的最初时刻，由于爆发的不均匀，有些超高密度物质并没有立刻膨胀，而是过了一段时间才发生爆炸，成为新的局部膨胀