同花顺高级诊股挺准的:宇宙与星系

宇宙//宇宙年龄//宇宙射线//宇宙起源//平行宇宙//大爆炸

星系//星系爆炸//银河系//河外星系//活跃星系核//太阳系

总星系/红移/宇宙学红移/星系红移/谱线红移

    宇宙

    在汉语中，“宇”代表上下四方，即所有的空间，“宙”代表古往今来，即所有的时间，宇：无限空间，宙：无限时间。所以“宇宙”这个词有“所有的时间和空间”的意思。把“宇宙”的概念与时间和空间联系在一起，体现了我国古代人民的智慧。

　　“宇宙”一词，最早出自《庄子》这本书，“宇”指的是一切的空间，包括东，南，西，北等一切地点，是无边无际的；“宙”指的是一切的时间，包括过去，现在，白天，黑夜等，是无始无终的。

　　在西方，宇宙这个词在英语中叫cosmos，universe，space；在俄语中叫кocMoc ，在德语中叫kosmos ，在法语中叫cosmos。它们都源自希腊语的κoσμoζ，古希腊人认为宇宙的创生乃是从浑沌中产生出秩序来，κoσμoζ其原意就是秩序。但在英语中更经常用来表示“宇宙”的词是universe。此词与universitas有关。在中世纪，人们把沿着同一方向朝同一目标共同行动的一群人称为universitas。在最广泛的意义上，universitas 又指一切现成的东西所构成的统一整体，那就是universe，即宇宙。universe和cosmos常常表示相同的意义，所不同的是，前者强调的是物质现象的总和，而后者则强调整体宇宙的结构或构造。

　　"宇"指空间,"宙"指时间.宇宙就是在空间上无边无际,时间上无始无终的,按客观规律运动的物质世界.

　　宇宙^[1]概括

　　宇宙是由空间、时间、物质和能量，所构成的统一体。是一切空间和时间的综合。一般理解的宇宙指我们所存在的一个时空连续系统，包括其间的所有物质、能量和事件。

　　宇宙是万物的总称，是时间和空间的统一。宇宙是物质世界，不依赖于人的意志而客观存在，并处于不断运动和发展中。宇宙是多样又统一的。它包括一切，是所有时间和空间的统一体，没有时间和空间就没有一切。所以它包含了全部。

　　分层次的认识宇宙

　　从哲学的观点看。人们认为宇宙是无始无终，无边无际的。不过，对这个深奥的概念我们不打算做深入的探讨，还是留给哲学家们去研究。我们不妨把眼光缩小一些，讲一讲利用我们现有的科学技术所能了解和观测的宇宙，人们把它称为“我们的宇宙”或“总星系”。

　　从最新的观测资料看，人们已观测到的离我们最远的星系是130亿光年。也就是说，如果有一束光以每秒30万千米的速度从该星系发出，那么要经过130亿年才能到达地球，当然也就是130亿年前发出的。这130亿光年的距离便是我们今天(2009年)所知道的宇宙的范围。再说得明确一些，我们今天所知道的宇宙范围，或者说大小，是一个以地球为中心，以130亿光年的距离为半径的球形空间。当然，地球并不真的是什么宇宙的中心，宇宙也未必是一个球体，只是限于我们目前的观测能力，我们只能了解到这一程度。

　　在这个以130亿光年为半径的球形空间里，目前已被人们发现和观测到的星系大约有1250亿个，而每个星系又拥有像太阳这样的恒星几百亿到几万亿颗。因此只要做一道简单的数学题，你就不难了解到，在我们已经观测到的宇宙中拥有多少星星。地球在如此浩瀚的宇宙中，真如沧海一粟，渺小得微不足道。

　　一直以来， 天文学家和我们一样，想知道宇宙究竟有多大。最近，美国的太空网报道，经过艰苦的计算工作，天文学家发现宇宙超乎寻常的大，其长度至少为1560亿光年。“这样一个有关宇宙大小的发现，显然是以‘宇宙是球形的，是有限无边的’为前提条件的。这个假设是爱因斯坦最早提出的。”中国国家天文台的研究员陈大明在接受记者专访时说，“长期以来，宇宙学研究领域一直有这样一个争论，宇宙究竟是球形的、马鞍形的、还是平坦的。”北京师范大学副教授张同杰说：“国际主流宇宙学普遍认为宇宙是平坦的，是无限的。”那么，围绕宇宙的争论从何而来？理据何在？一种最为普遍的观点：在大爆炸之后，宇宙诞生了。“根据现代宇宙学中最有影响的大爆炸学说，我们的宇宙是大约137亿年前由一个非常小的点爆炸产生的，目前宇宙仍在膨胀。”陈大明研究员说，“这一学说得到大量天文观测的证实。”这一学说认为，宇宙诞生初期，温度非常高，随着宇宙的膨胀，温度开始降低，中子、质子、电子产生了。此后，这些基本粒子就形成了各种元素，这些物质微粒相互吸引、融合，形成越来越大的团块，这些团块又逐渐演化成星系，恒星、行星，在个别的天体上还出现了生命现象，能够认识宇宙的人类最终诞生了。宇宙是球形的、有限无边的？“认为宇宙是球形的观点在很长时间内存在着，尽管不是国际宇宙学界的主流。”陈大明介绍说，“它的每一次提出，都会引起人们的关注，就是因为这一观点很奇特。”一个最为明显的例子就是不久前，由美国数学家杰弗里·威克斯构建的宇宙模型：一个大小有限、形状如同足球的镜子迷宫。“形如足球”的模型令科学界震惊，因为这一学说宣称，宇宙之所以令人产生无边无界的“错觉”，是因为这个有限空间通过“返转”效应无限重复映现自身。威克斯认为，人们之所以感觉宇宙是无限的，是因为宇宙就像一个镜子迷宫，光线传过来又传过去，让人们发生错觉，误以为宇宙在无限伸展。这一惊人推断后来被《新科学家》杂志收录，同时作为一种“奇谈”在民间广为流传着。

【宇宙年龄】

　　宇宙年龄定义

　　宇宙年龄（universe，age of）宇宙从某个特定时刻到现在的时间间隔。对于某些宇宙模型，如牛顿宇宙模型、等级模型、稳恒态模型等，宇宙年龄没有意义。在通常的演化的宇宙模型里，宇宙年龄指宇宙标度因子为零起到现在时刻的时间间隔。通常，哈勃年龄是宇宙年龄的上限，可以作为宇宙年龄的某种度量。根据大爆炸宇宙模型推算，宇宙年龄大约200亿年。

　　年龄推算

　　宇宙年龄为一百二十五亿年

　　科学家利用望远镜观察最老的星球上的铀光谱，从而估计宇宙的年龄是一百二十五亿年。科学家对宇宙(Universe)的年龄有不同的估计，根据不同的宇宙学模型(cosmologicalmodels)，科学家估计宇宙的年龄是介乎一百亿至一百六十亿之间；2001年科学家利用南欧洲天文台(EuropeanSouthernObservatory)的望远镜，观察一颗称CS31082-001的星球，量度星球上放射性(radioactive)同位素(isotope)铀-238(Uranium-238)的光谱(spectrum)，从而计算出这星球的年龄是一百二十五亿年，这个估计的误差大约三十亿年，是亦即是说，宇宙的年龄至少有一百二十五亿年，这是科学家第一次量度太阳系(SolarSystem)以外铀含量的研究。

　　科学家解释说，这个方法和在考古学(archaeology)上使用碳-14(Carbon-14)同位素量度物质的年龄一样，铀-238同位素的半衰期(half-life)是四十四亿五千万年；半衰期是放射性元素(element)自动蜕变成为其他元素，至它本身剩下一半时所需要的时间。

　　科学家指出，在宇宙开始时，大爆炸(BigBang)会产生氢(hydrogen)、氦(helium)和锂(lithium)等元素，而比较重的元素是在星球内部产生，当大质量星球死亡时，含有重元素的物质会散布到周围的空间，然后和下一代个的星球结合；其实，地球上黄金(gold)也是从爆炸了的星球而来的。

　　因此，愈老的星球上的重元素，也会愈少，科学家认为，一些比较老的星球的重元素含量，只有太阳(Sun)的二百分之一。科学家曾经尝试利用钍-232(Thorium-232)同位素来估计宇宙的年龄，钍是一种放射性金属元素，与中子(neutron)接触时会引起核分裂，产生原子能源(atomicenergy)，不过，钍的半衰期是一百四十亿五百万年，半衰期比较铀-238长，因此，估计的误差也比较大。

 [宇宙大爆炸]

　　宇宙大爆炸(Big Bang)仅仅是一种学说，是根据天文观测研究后得到的一种设想。大约在150亿年前，宇宙所有的物质都高度密集在一点，有着极高的温度，因而发生了巨大的爆炸。大爆炸以后，物质开始向外大膨胀，就形成了今天我们看到的宇宙。大爆炸的整个过程是复杂的，现在只能从理论研究的基础上，描绘过去远古的宇宙发展史。在这150亿年中先后诞生了星系团、星系、我们的银河系、恒星、太阳系、行星、卫星等。现在我们看见的和看不见的一切天体和宇宙物质，形成了当今的宇宙形态，人类就是在这一宇宙演变中诞生的。

　　【宇宙的不断膨胀】

　　科学家认为它起源为137亿年前之间的一次难以置信的大爆炸。这是一次不可想像的能量大爆炸，宇宙边缘的光到达地球要花120亿年到150亿年的时间。大爆炸散发的物质在太空中漂游，由许多恒星组成的巨大的星系就是由这些物质构成的，我们的太阳就是这无数恒星中的一颗。原本人们想象宇宙会因引力而不在膨胀，但是，科学家已发现宇宙中有一种 “暗能量”会产生一种斥力而加速宇宙的膨胀。

　　大爆炸后的膨胀过程是一种引力和斥力之争，爆炸产生的动力是一种斥力，它使宇宙中的天体不断远离；天体间又存在万有引力，它会阻止天体远离，甚至力图使其互相靠近。引力的大小与天体的质量有关，因而大爆炸后宇宙的最终归宿是不断膨胀，还是最终会停止膨胀并反过来收缩变小，这完全取决于宇宙中物质密度的大小。

　　理论上存在某种临界密度。如果宇宙中物质的平均密度小于临界密度，宇宙就会一直膨胀下去，称为开宇宙；要是物质的平均密度大于临界密度，膨胀过程迟早会停下来，并随之出现收缩，称为闭宇宙。

　　问题似乎变得很简单，但实则不然。理论计算得出的临界密度为5×10^-30克/厘米3。但要测定宇宙中物质平均密度就不那么容易了。星系间存在广袤的星系间空间，如果把目前所观测到的全部发光物质的质量平摊到整个宇宙空间，那么，平均密度就只有2×10^-31克/厘米3，远远低于上述临界密度。

　　然而，种种证据表明，宇宙中还存在着尚未观测到的所谓的暗物质，其数量可能远超过可见物质，这给平均密度的测定带来了很大的不确定因素。因此，宇宙的平均密度是否真的小于临界密度仍是一个有争议的问题。不过，就目前来看，开宇宙的可能性大一些。

　　恒星演化到晚期，会把一部分物质（气体）抛入星际空间，而这些气体又可用来形成下一代恒星。这一过程会使气体越耗越少，以致最后再没有新的恒星可以形成。10^14年后，所有恒星都会失去光辉，宇宙也就变暗。同时，恒星还会因相互作用不断从星系逸出，星系则因损失能量而收缩，结果使中心部分生成黑洞，并通过吞食经过其附近的恒星而长大。

　　10^17～10^18年后，对于一个星系来说只剩下黑洞和一些零星分布的死亡了的恒星，这时，组成恒星的质子不再稳定。当宇宙到10^24岁时，质子开始衰变为光子和各种轻子。10^32岁时，这个衰变过程进行完毕，宇宙中只剩下光子、轻子和一些巨大的黑洞。

　　10^100年后，通过蒸发作用，有能量的粒子会从巨大的黑洞中逸出，并最终完全消失，宇宙将归于一片黑暗。这也许就是开宇宙末日到来时的景象，但它仍然在不断地、缓慢地膨胀着。

　　闭宇宙的结局又会怎样呢？闭宇宙中，膨胀过程结束时间的早晚取决于宇宙平均密度的大小。如果假设平均密度是临界密度的2倍，那么根据一种简单的理论模型，经过400～500亿年后，当宇宙半径扩大到目前的2倍左右时，引力开始占上风，膨胀即告停止，而接下来宇宙便开始收缩。

　　以后的情况差不多就像一部宇宙影片放映结束后再倒放一样，大爆炸后宇宙中所发生的一切重大变化将会反演。收缩几百亿年后，宇宙的平均密度又大致回到目前的状态，不过，原来星系远离地球的退行运动将代之以向地球接近的运动。再过几十亿年，宇宙背景辐射会上升到400开，并继续上升，于是，宇宙变得非常炽热而又稠密，收缩也越来越快。

　　在坍缩过程中，星系会彼此并合，恒星间碰撞频繁。一旦宇宙温度上升到4000开，电子就从原子中游离出来；温度达到几百万度时，所有中子和质子从原子核中挣脱出来。很快，宇宙进入“大暴缩”阶段，一切物质和辐射极其迅速地被吞进一个密度无限高、空间无限小的区域，回复到大爆炸发生时的状态

【宇宙起源悖论】

　　目前大家所熟悉的“宇宙起源理论”，如大爆炸、弦理论等都是建立在真空已经存在的基础上的。

　　因为如果没有了真空，那么就谈不上“大爆炸奇点”和“弦”了。悖论/矛盾在于：

　　【真空】也是宇宙的一部分

　　而目前的理论既然是宇宙起源理论

　　但又没有谈到真空的起源及组成部分

　　所以这是矛盾的

　　因此，描述目前的宇宙起源理论最好的词语是：【星球起源理论】

　　出自《全集然文明X档案》

【平行宇宙悖论】

　　平行宇宙又称多元宇宙论，说的是：这个世界上可能不止一个宇宙，而是存在着很多不同的，平行的，互不干涉的宇宙；而有些时候这些不同宇宙中的事物却可以通过一定的渠道来到另外的宇宙里(即“虫洞”)。

　　悖论/矛盾在于：

　　【宇宙】这个词语包含了：世界万物

　　如果说有另外一个宇宙存在于这个世界上，

　　那么宇宙这个词语又不能包含：世界万物

　　所以这是矛盾的。

　　其实平行宇宙/多元宇宙描述的是“不同时空”

　　或者说：这个宇宙可能存在不同的时空，但并不存在不同的宇宙（因为那就与宇宙的概念，产生了根本性的矛盾）

　　所以最准确的描述应该是：这个宇宙可能有很多平行的【时空】

　　出自《全集然文明X档案》

【宇宙生态】

　　如果把任意一个时刻扩展开来，形成一个【时间膜】（宇宙万物映射在上面）

　　那么在这个时间膜上，从低级到高级的物质都是连续存在着的

　　原子量小到大，智慧度从小到大，年龄从小到大都连续存在着

　　并且：低级的物质总是比高级的物质要来得多，并向高级发展

　　【全集然文明】将这种奇怪的物质【续存】现象，称之为【宇宙生态】

　　产生原因推测：

　　1.高级别的存在物需要低级别的存在物来维持存在。

　　2.存在物的【可存】属性，决定了自然万物都朝着“可以更好存在”的方向发展，而如果需要在不同的环境中更好的存在，那么就必然产生了进化，也就是低级的存在物朝着高级（可在更多环境中以整体形式存在）的方向发展。

【宇宙观念的发展】

　　宇宙结构观念的发展 远古时代，人们对宇宙结构的认识处于十分幼稚的状态，他们通常按照自己的生活环境对宇宙的构造作了幼稚的推测。在中国西周时期，生活在华夏大地上的人们提出的早期盖天说认为，天穹像一口锅，倒扣在平坦的大地上；后来又发展为后期盖天说，认为大地的形状也是拱形的。公元前7世纪 ，巴比伦人认为，天和地都是拱形的，大地被海洋所环绕，而其中央则是高山。古埃及人把宇宙想象成以天为盒盖、大地为盒底的大盒子，大地的中央则是尼罗河。古印度人想象圆盘形的大地负在几只大象上，而象则站在巨大的龟背上，公元前7世纪末，古希腊的泰勒斯认为，大地是浮在水面上的巨大圆盘，上面笼罩着拱形的天穹。也有一些人认为，地球只是一只龟上的一片甲板，而龟则是站在一个托着一个又一个的龟塔...

　　最早认识到大地是球形的是古希腊人。公元前6世纪，毕达哥拉斯从美学观念出发，认为一切立体图形中最美的是球形，主张天体和我们所居住的大地都是球形的。这一观念为后来许多古希腊学者所继承，但直到1519～1522年，葡萄牙的F.麦哲伦率领探险队完成了第一次环球航行后，地球是球形的观念才最终被证实。

　　公元2世纪，C.托勒密提出了一个完整的地心说。这一学说认为地球在宇宙的中央安然不动，月亮、太阳和诸行星以及最外层的恒星天都在以不同速度绕着地球旋转。为了说明行星运动的不均匀性，他还认为行星在本轮上绕其中心转动，而本轮中心则沿均轮绕地球转动。地心说曾在欧洲流传了1000多年。1543年，N.哥白尼提出科学的日心说，认为太阳位于宇宙中心，而地球则是一颗沿圆轨道绕太阳公转的普通行星。到16世纪哥白尼建立日心说后才普遍认识到：地球是绕太阳公转的行星之一，而包括地球在内的八大行星则构成了一个围绕太阳旋转的行星系── 太阳系的主要成员。1609年，J.开普勒揭示了地球和诸行星都在椭圆轨道上绕太阳公转，发展了哥白尼的日心说，同年，伽利略·伽利雷则率先用望远镜观测天空，用大量观测事实证实了日心说的正确性。1687年，I.牛顿提出了万有引力定律，深刻揭示了行星绕太阳运动的力学原因，使日心说有了牢固的力学基础。在这以后，人们逐渐建立起了科学的太阳系概念。

　　在哥白尼的宇宙图像中，恒星只是位于最外层恒星天上的光点。1584年，乔尔丹诺·布鲁诺大胆取消了这层恒星天，认为恒星都是遥远的太阳。18世纪上半叶，由于E.哈雷对恒星自行的发展和J.布拉得雷对恒星遥远距离的科学估计，布鲁诺的推测得到了越来越多人的赞同。18世纪中叶，T.赖特、I.康德和J.H.朗伯推测说，布满全天的恒星和银河构成了一个巨大的天体系统。弗里德里希·威廉·赫歇尔首创用取样统计的方法，用望远镜数出了天空中大量选定区域的星数以及亮星与暗星的比例，1785年首先获得了一幅扁而平、轮廓参差、太阳居中的银河系结构图，从而奠定了银河系概念的基础。在此后一个半世纪中，H.沙普利发现了太阳不在银河系中心、J.H.奥尔特发现了银河系的自转和旋臂，以及许多人对银河系直径、厚度的测定，科学的银河系概念才最终确立。

　　18世纪中叶，康德等人还提出，在整个宇宙中，存在着无数像我们的天体系统(指银河系)那样的天体系统。而当时看去呈云雾状的“星云”很可能正是这样的天体系统。此后经历了长达170年的曲折的探索历程，直到1924年，才由E.P.哈勃用造父视差法测仙女座大星云等的距离确认了河外星系的存在。

　　近半个世纪，人们通过对河外星系的研究，不仅已发现了星系团、超星系团等更高层次的天体系统，而且已使我们的视野扩展到远达200亿光年的宇宙深处。

　　宇宙演化观念的发展在中国，早在西汉时期，《淮南子·俶真训》指出：“有始者，有未始有有始者，有未始有夫未始有有始者”，认为世界有它的开辟之时，有它的开辟以前的时期，也有它的开辟以前的以前的时期。《淮南子·天文训》中还具体勾画了世界从无形的物质状态到浑沌状态再到天地万物生成演变的过程。在古希腊，也存在着类似的见解。例如留基伯就提出，由于原子在空虚的空间中作旋涡运动，结果轻的物质逃逸到外部的虚空，而其余的物质则构成了球形的天体，从而形成了我们的世界。

　　太阳系概念确立以后，人们开始从科学的角度来探讨太阳系的起源。1644年，R.笛卡尔提出了太阳系起源的旋涡说；1745年，G.L.L.布丰提出了一个因大彗星与太阳掠碰导致形成行星系统的太阳系起源说；1755年和1796年，康德和拉普拉斯则各自提出了太阳系起源的星云说。现代探讨太阳系起源z的新星云说正是在康德-拉普拉斯星云说的基础上发展起来。

　　1911年，E.赫茨普龙建立了第一幅银河星团的颜色星等图；1913年，伯特兰?阿瑟?威廉?罗素则绘出了恒星的光谱-光度图，即赫罗图。罗素在获得此图后便提出了一个恒星从红巨星开始，先收缩进入主序，后沿主序下滑，最终成为红矮星的恒星演化学说。1924年 ，亚瑟·斯坦利·爱丁顿提出了恒星的质光关系；1937～1939年，C.F.魏茨泽克和贝特揭示了恒星的能源来自于氢聚变为氦的原子核反应。这两个发现导致了罗素理论被否定，并导致了科学的恒星演化理论的诞生。对于星系起源的研究，起步较迟，目前普遍认为，它是我们的宇宙开始形成的后期由原星系演化而来的。

　　1917年，A.阿尔伯特·爱因斯坦运用他刚创立的广义相对论建立了一个“静态、有限、无界”的宇宙模型，奠定了现代宇宙学的基础。1922年，G.D.弗里德曼发现，根据阿尔伯特·爱因斯坦的场方程，宇宙不一定是静态的，它可以是膨胀的，也可以是振荡的。前者对应于开放的宇宙，后者对应于闭合的宇宙。1927年，G.勒梅特也提出了一个膨胀宇宙模型.1929年 哈勃发现了星系红移与它的距离成正比，建立了著名的哈勃定律。这一发现是对膨胀宇宙模型的有力支持。20世纪中叶，G.伽莫夫等人提出了热大爆炸宇宙模型，他们还预言，根据这一模型，应能观测到宇宙空间目前残存着温度很低的背景辐射。1965年微波背景辐射的发现证实了伽莫夫等人的预言。从此，许多人把大爆炸宇宙模型看成标准宇宙模型。1980年，美国的古斯在热大爆炸宇宙模型的 基础上又进一步提出了暴涨宇宙模型。这一模型可以解释目前已知的大多数重要观测事实。

　　宇宙图景 当代天文学的研究成果表明，宇宙是有层次结构的、像布一样的、不断膨胀、物质形态多样的、不断运动发展的天体系统。

　　层次结构 行星是最基本的天体系统。太阳系中共有八颗行星：水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星。 （冥王星目前已被从行星里开除，降为矮行星）。除水星和金星外，其他行星都有卫星绕其运转，地球有一个卫星 月球，土星的卫星最多，已确认的有26颗。行星 小行星 彗星和流星体都围绕中心天体太阳运转，构成太阳系。太阳占太阳系总质量的99.86％，其直径约140万千米，最大的行星木星的直径约14万千米。太阳系的大小约120亿千米（以冥王星作边界）。有证据表明，太阳系外也存在其他行星系统。2500亿颗类似太阳的恒星和星际物质构成更巨大的天体系统——银河系。银河系中大部分恒星和星际物质集中在一个扁球状的空间内，从侧面看很像一个“铁饼”，正面看去则呈旋涡状。银河系的直径约10万光年，太阳位于银河系的一个旋臂中，距银心约3万光年。银河系外还有许多类似的天体系统，称为河外星系，常简称星系。现已观测到大约有10亿个。星系也聚集成大大小小的集团，叫星系团。平均而言，每个星系团约有百余个星系，直径达上千万光年。现已发现上万个星系团。包括银河系在内约40个星系构成的一个小星系团叫本星系群。若干星系团集聚在一起构成更大、更高一层次的天体系统叫超星系团。超星系团往往具有扁长的外形，其长径可达数亿光年。通常超星系团内只含有几个星系团，只有少数超星系团拥有几十个星系团。本星系群和其附近的约50个星系团构成的超星系团叫做本超星系团。目前天文观测范围已经扩展到200亿光年的广阔空间，它称为总星系。

宇宙的起源 刘子岳 著

　　所谓大爆炸理论，简单地说就是宇宙开始的时候是由一个火球爆炸而形成的。近代科学研究发现宇宙不是永恒的，而是在不断的膨胀中。宇宙的不平衡现象最早是由一位德国的医生发现的。他在夜空观查星星时发现，每个星球间的距离并没有因为万有引力的关系而彼此靠近。那么，在星球之间必定存在另一种力量抵消了它们彼此之间的万有引力。他就把这现象假设为宇宙在不断地膨胀。

　　后来科学家们又发现了红移现象，就是远距离星球射向地球的光以红光为多，近距离的则以紫光为主。这说明了星球在远离地球。接着爱因斯坦提出了广义相对论，他提出加速度不等于零的理论，其中即包含了宇宙膨胀的学说。1931年，美国天文学家以先进的天文望远镜发现，在银河系外仍有很多银河系，并且在不断地膨胀，这才使得宇宙膨胀的理论得到证实。

　　到了40年代，科学家们预测宇宙是由大爆炸产生的，那么它爆炸之后必定会有残馀物质留在太空之中。这遗留的物质就是电子波［辐射波］，其所代表的温度约为零下273度。这假设在当时并没被证实。在60年代时，贝尔实验室的科学家为电讯研究架起天线时发现一直听到噪音，而这噪音所代表的温度为零下260度左右。在此同时普林斯顿大学的物理学家们也在凭理论找寻大爆炸后的馀波，后来这两组工作研究联合表示，这天线所收到的噪音即为大爆炸后的馀波，其温度约为零下270度，这一发表证实了大爆炸的理论。

　　以大爆作为宇宙开始的说法仍需进一步的求证，因为宇宙在大爆炸后如何能维持这么的有次序是没有人能解释的。我们目前只能证实说，宇宙是由创造而来的，不是由进化而来的。宇宙是在不断的膨胀中，其它的学说则仍有待证实。

【宇宙的创生】

　　1.有些宇宙学家认为，暴涨模型最彻底的改革也许是观测宇宙中所有的物质和能量从无中产生的观点，这种观点之所以在以前不能为人们接受，是因为存在着许多守恒定律，特别是重子数守恒和能量守恒。但随着大统一理论的发展，重子数有可能是不守恒的，而宇宙中的引力能可粗略地说是负的，并精确地抵消非引力能，总能量为零。因此就不存在已知的守恒律阻止观测宇宙从无中演化出来的问题。这种“无中生有”的观点在哲学上包括两个方面：①本体论方面。如果认为“无”是绝对的虚无，则是错误的。这不仅违反了人类已知的科学实践，而且也违反了暴涨模型本身。按照该模型，我们所研究的观测宇宙仅仅是整个暴涨区域的很小的一部分，在观测宇宙之外并不是绝对的“无”。现在观测宇宙的物质是从假真空状态释放出来的能量转化而来的，这种真空能恰恰是一种特殊的物质和能量形式，并不是创生于绝对的“无”。如果进一步说这种真空能起源于“无”，因而整个观测宇宙归根到底起源于“无”，那么这个“无”也只能是一种未知的物质和能量形式。②认识论和方法论方面。暴涨模型所涉及的宇宙概念是自然科学的宇宙概念。这个宇宙不论多么巨大，作为一个有限的物质体系 ，也有其产生、发展和灭亡的历史。暴涨模型把传统的大爆炸宇宙学与大统一理论结合起来，认为观测宇宙中的物质与能量形式不是永恒的，应研究它们的起源。它把“无”作为一种未知的物质和能量形式，把“无”和“有”作为一对逻辑范畴，探讨我们的宇宙如何从“无”——未知的物质和能量形式，转化为“有”——已知的物质和能量形式，这在认识论和方法论上有一定意义。

　　2. 宇宙是如何起源的？空间和时间的本质是什么？这是从2000多年前的古代哲学家到现代天文学家一直都在苦苦思索的问题。经过了哥白尼、赫歇尔、哈勃的从太阳系、银河系、河外星系的探索宇宙三部曲，宇宙学已经不再是幽深玄奥的抽象哲学思辩，而是建立在天文观测和物理实验基础上的一门现代科学。

　　目前学术界影响较大的“大爆炸宇宙论”是1927年由比利时数学家勒梅特提出的，他认为最初宇宙的物质集中在一个超原子的“宇宙蛋”里，在一次无与伦比的大爆炸中分裂成无数碎片，形成了今天的宇宙。1948年，俄裔美籍物理学家伽莫夫等人，又详细勾画出宇宙由一个致密炽热的奇点于150亿年前一次大爆炸后，经一系列元素演化到最后形成星球、星系的整个膨胀演化过程的图像。但是该理论存在许多使人迷惑之处。

　　宏观宇宙是相对无限延伸的。“大爆炸宇宙论”关于宇宙当初仅仅是一个点，而它周围却是一片空白，即将人类至今还不能确定范围也无法计算质量的宇宙压缩在一个极小空间内的假设只是一种臆测。况且从能量与质量的正比关系考虑，一个小点无缘无故地突然爆炸成浩瀚宇宙的能量从何而来呢？

　　人类把地球绕太阳转一圈确定为衡量时间的标准——年。但宇宙中所有天体的运动速度都是不同的，在宇宙范围，时间没有衡量标准。譬如地球上东西南北的方向概念在宇宙范围就没有任何意义。既然年的概念对宇宙而言并不存在，大爆炸宇宙论又如何用年的概念去推算宇宙的确切年龄呢？

　　1929年，美国天文学家哈勃提出了星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律，并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。哈勃定律只是说明了距离地球越远的星系运动速度越快--星系红移量与星系距离呈正比关系。但他没能发现很重要的另一点--星系红移量与星系质量也呈正比关系。

　　宇宙中星系间距离非常非常遥远，光线传播因空间物质的吸收、阻挡会逐渐减弱，那些运动速度越快的星系就是质量越大的星系。质量大，能量辐射就强，因此我们观察到的红移量极大的星系，当然是质量极大的星系。这就是被称作“类星体”的遥远星系因质量巨大而红移量巨大的原因。另外那些质量小、能量辐射弱的星系（除极少数距银河系很近的星系，如大、小麦哲伦星系外）则很难观察到，于是我们现在看到的星系大多呈红移。而银河系内的恒星由于距地球近，大小恒星都能看到，所以恒星的红移紫移数量大致相等。

　　导致星系红移多紫移少的另一原因是：宇宙中的物质结构都是在一定范围内围绕一个中心按圆形轨迹运动的，不是像大爆炸宇宙论描述的从一个中心向四周作放射状的直线运动。因此，从地球看到的紫移星系范围很窄，数量极少，只能是与银河系同一方向运动的，前方比银河系小的星系；后方比银河系大的星系。只有将来研制出更高分辨程度的天文观测仪器才能看到更多的紫移星系。

　　宇宙中的物质分布出现不平衡时，局部物质结构会不断发生膨胀和收缩变化，但宇宙整体结构相对平衡的状态不会改变。仅凭从地球角度观测到的部分（不是全部）可见星系与地球之间距离的远近变化，不能说明宇宙整体是在膨胀或收缩。就像地球上的海洋受引力作用不断此涨彼消的潮汐现象并不说明海水总量是在增加或减少一样。

　　1994年，美国卡内基研究所的弗里德曼等人，用估计宇宙膨胀速率的办法计算宇宙年龄时，得出一个80～120亿年的年龄计算值。然而根据对恒星光谱的分析，宇宙中最古老的恒星年龄为140～160亿年。恒星的年龄倒比宇宙的年龄大。

　　1964年，美国工程师彭齐亚斯和威尔逊探测到的微波背景辐射，是因为布满宇宙空间的各种物质相互之间能量传递产生的效果。宇宙中的物质辐射是时刻存在的，3K或5K的温度值也只是人类根据自己判断设计的一种衡量标准。这种能量辐射现象只能说明宇宙中的物质由于引力作用，在大尺度空间整体分布的相对均匀性和星际空间里确实存在大量我们目前还观测不到的“暗物质”。

　　至于大爆炸宇宙论中的氦丰度问题，氦元素原本就是宇宙中存在的仅次于氢元素的数量极丰富的原子结构，它在空间的百分比含量和其它元素的百分比含量同样都属于物质结构分布规律中很平常的物理现象。在宇宙大尺度范围中，不仅氦元素的丰度相似，其余的氢、氧……元素的丰度也都是相似的。而且，各种元素是随不同的温度、环境而不断互相变换的，并不是始终保持一副面孔，所以微波背景辐射和氦丰度与宇宙的起源之间看不出有任何必然的联系。

　　大爆炸宇宙论面临的难题还有，如果宇宙无限膨胀下去，最后的结局如何呢？德国物理学家克劳修斯指出，能量从非均匀分布到均匀分布的那种变化过程，适用于宇宙间的一切能量形式和一切事件，在任何给定物体中有一个基于其总能量与温度之比的物理量，他把这个物理量取名为“熵”，孤立系统中的“熵”永远趋于增大。但在宇宙中总会有高“熵”和低“熵”的区域，不可能出现绝对均匀的状态。所以，那种认为由于“熵”水平的不断升高而达到最大值时，宇宙就会进入一片死寂的永恒状态，最终“热寂”而亡的结局，是把我们现在可观测到的一部分宇宙范围当作整个宇宙的误识。

　　根据天文观测资料和物理理论描述宇宙的具体形态，星系的形态特征对研究宇宙结构至关重要，从星系的运动规律可以推断整个宇宙的结构形态。而星系共有的圆形旋涡结构就是整个宇宙的缩影，那些椭圆、棒旋等不同的星系形态只是因为星系年龄和观测角度不同而产生的视觉效果。

　　奇妙的螺旋形是自然界中最普遍、最基本的物质运动形式。这种螺旋现象对于认识宇宙形态有着重要的启迪作用，大至旋涡星系，小至DNA分子，都是在这种螺旋线中产生。大自然并不认可笔直的形式，自然界所有物质的基本结构都是曲线运动方式的圆环形状。从原子、分子到星球、星系直到星系团、超星系团无一例外，毋庸置疑，浩瀚的宇宙就是一个大旋涡。因此，确立一个“螺旋运动形态宇宙模型”，比那种作为所有物质总和的“宇宙”却脱离曲线运动模式而独辟蹊径，以直线运动方式从一个中心向四面八方无限伸展的“大爆炸宇宙模型”，更能体现真实的宇宙结构形态。

【时空起源】

　　有些人认为，时间和空间不是永恒的，而是从没有时间和没有空间的状态产生的。根据现有的物理理论，在小于10-43秒和10-33厘米的范围内，就没有一个“钟”和一把“尺子”能加以测量，因此时间和空间概念失效了，是一个没有时间和空间的物理世界。这种观点提出已知的时空形式有其适用的界限是完全正确的。正像历史上的牛顿时空观发展到相对论时空观那样，今天随着科学实践的发展也必然要求建立新的时空观。由于在大爆炸后10-43秒以内，广义相对论失效，必须考虑引力的量子效应，因此有些人试图通过时空的量子化的途径来探讨已知的时空形式的起源。这些工作都是有益的，但我们决不能因为人类时空观念的发展或者在现有的科学技术水平上无法度量新的时空形式，而否定作为物质存在形式的时间、空间的客观存在。

　　人和宇宙 从20世纪60年代开始，由于人择原理的提出和讨论，出现了人类存在和宇宙产生的关系问题。人择原理认为，可能存在许多具有不同物理参数和初始条件的宇宙，但只有物理参数和初始条件取特定值的宇宙才能演化出人类，因此我们只能看到一种允许人类存在的宇宙。人择原理用人类的存在去约束过去可能有的初始条件和物理定律，减少它们的任意性，使一些宇宙学现象得到解释，这在科学方法论上有一定的意义。但有人提出，宇宙的产生依赖于作为观测者的人类的存在。这种观点值得商榷。现在根据暴涨模型，那些被传统大爆炸模型作为初始条件的状态，有可能从极早期宇宙的演化中产生出来，而且宇宙的演化几乎变得与初始条件的一些细节无关。这样就使上述那种利用初始条件的困难来否定宇宙客观实在性的观点失去了基础。但有些人认为，由于暴涨引起的巨大距离尺度，使得从整体上去观测宇宙的结构成为不可能。这种担心有其理由，但如果暴涨模型正确的话，随着科学实践的发展，一定有可能突破人类认识上的困难。

【宇宙物质多样性】

　　太阳系天体中，水星、金星表面温度约达700K，金星表面笼罩着浓密的二氧化碳大气和硫酸云雾，气压约50个大气压，水星、火星表面大气却极其稀薄，水星的大气压甚至小于2×10-9毫巴；类地行星(水星、金星、火星)都有一个固体表面，类木行星却是一个流体行星；土星的平均密度为0.70克／立方厘米，比水的密度还小，木星、天王星、海王星的平均密度略大于水的密度，而水星、金星、地球等的密度则达到水的密度的5倍以上；多数行星都是顺向自转，而金星是逆向自转；地球表面生机盎然，其他行星则是空寂荒凉的世界。

　　太阳在恒星世界中是颗普遍而又典型的恒星。已经发现，有些红巨星的直径为太阳直径的几千倍。中子星直径只有太阳的几万分之一；超巨星的光度高达太阳光度的数百万倍，白矮星光度却不到太阳的几十万分之一。红超巨星的物质密度小到只有水的密度的百万分之一，而白矮星、中子星的密度分别可高达水的密度的十万倍和百万亿倍。太阳的表面温度约为6000K，O型星表面温度达30000K，而红外星的表面温度只有约600K。太阳的普遍磁场强度平均为1×10-4特斯拉，有些磁白矮星的磁场通常为几千、几万高斯（1高斯＝10-4特斯拉），而脉冲星的磁场强度可高达十万亿高斯。有些恒星光度基本不变，有些恒星光度在不断变化，称变星。有的变星光度变化是有周期的，周期从1小时到几百天不等。有些变星的光度变化是突发性的，其中变化最剧烈的是新星和超新星，在几天内，其光度可增加几万倍甚至上亿倍。

　　恒星在空间常常聚集成双星或三五成群的聚星，它们可能占恒星总数的1／3。也有由几十、几百乃至几十万个恒星聚在一起的星团。宇宙物质除了以密集形式形成恒星、行星等之外，还以弥漫的形式形成星际物质。星际物质包括星际气体和尘埃，平均每立方厘米只有一个原子，其中高度密集的地方形成形状各异的各种星云。宇宙中除发出可见光的恒星、星云等天体外，还存在紫外天体、红外天体、X射线源、γ射线源以及射电源。

　　星系按形态可分为椭圆星系、旋涡星系、棒旋星系、透镜星系和不规则星系等类型。60年代又发现许多正在经历着爆炸过程或正在抛射巨量物质的河外天体，统称为活动星系，其中包括各种射电星系、塞佛特星系、N型星系、马卡良星系、蝎虎座BL型天体，以及类星体等等。许多星系核有规模巨大的活动：速度达几千千米／秒的气流，总能量达1055焦耳的能量输出，规模巨大的物质和粒子抛射，强烈的光变等等。在宇宙中有种种极端物理状态：超高温、超高压、超高密、超真空、超强磁场、超高速运动、超高速自转、超大尺度时间和空间、超流、超导等。为我们认识客观物质世界提供了理想的实验环境。

【运动和发展】

　　宇宙天体处于永恒的运动和发展之中，天体的运动形式多种多样，例如自转、各自的空间运动(本动)、绕系统中心的公转以及参与整个天体系统的运动等。月球一方面自转一方面围绕地球运转，同时又跟随地球一起围绕太阳运转。太阳一方面自转，一方面又向着武仙座方向以20千米／秒的速度运动，同时又带着整个太阳系以250千米／秒的速度绕银河系中心运转，运转一周约需2.2亿年。银河系也在自转，同时也有相对于邻近的星系的运动。本超星系团也可能在膨胀和自转。总星系也在膨胀。

　　现代天文学已经揭示了天体的起源和演化的历程。当代关于太阳系起源学说认为，太阳系很可能是50亿年前银河系中的一团尘埃气体云(原始太阳星云)由于引力收缩而逐渐形成的（见 太阳系起源 ）。恒星是由星云产生的，它的一生经历了引力收缩阶段、主序阶段、红巨星阶段、晚期阶段和临终阶段。星系的起源和宇宙起源密切相关，流行的看法是：在宇宙发生热大爆炸后40万年，温度降到4000K，宇宙从辐射为主时期转化为物质为主时期，这时或由于密度涨落形成的引力不稳定性，或由于宇宙湍流的作用而逐步形成原星系，然后再演化为星系团和星系。热大爆炸宇宙模型描绘了我们的宇宙的起源和演化史：我们的宇宙起源于200亿年前的一次大爆炸，当时温度极高、密度极大。随着宇宙的膨胀，它经历了从热到冷、从密到稀、从辐射为主时期到物质为主时期的演变过程，直至10～20亿年前，才进入大规模形成星系的阶段，此后逐渐形成了我们当今看到的宇宙。1980年提出的暴涨宇宙模型则是热大爆炸宇宙模型的补充。它认为在宇宙极早期，在我们的宇宙诞生后约10 -36 秒的时候，它曾经历了一个暴涨阶段。

【宇宙是否有限】

　　我们的先辈们曾认为宇宙是范围并不很大的球状天体，其中包含着地球以及其他一些形体较小的发光体。直至公元1700 年以前，这种理论在天文学界一直占据主导地位。即使在哥白尼发现地球并非宇宙的中心之后，人们仍持同样的观点，只是把“宇宙主宰”这一光环又赠给了太阳而已，而宇宙的基本定义仍未得到根本上的改变。天空仍旧是天上的“球”，里面有许多星星，不过，它包括的主体是太阳，相比之下，地球要逊色得多。

　　托勒密的“地心说”体系

　　哥白尼的“日心说”体系

　　开普勒的椭圆型轨道的思想废除了星体是“透明的球体”这一谬论，但是却仍然保留了星体是“最外层天体球”这一说法。感谢卡西尼的研究成果，他揭开了太阳系的真实面目，从而证明了太阳系比人们想象的要大得多，而这也只是将人们脑海中宇宙的边界扩大了而已。

　　直至哈雷于1718 年发现了恒星也是运动着的球体这一事实后，天文学家们才开始重新认真地认识宇宙。当然，即使所有星体都在移动，宇宙仍有可能是有限的，而所有的星体也都有可能在进行着极其缓慢的移动。但是为什么有的星体的运动速度之快足以被人们观察到，而正是这些星体才能发出比较明亮的光线呢？

　　关于这一问题，存在这样一种可能，即某个星体由于具有较大的形体，从而能放射出比较明亮的光线，同时由于其体积较大，造成宇宙对它的束缚产生了困难，从而导致了它的移动。当然，这只是一种特定的假设，但这种全新的设想对于解开有关谜团是具有创造性意义的——即使其很难在实验室条件下得到验证，或根本无法解决任何问题。

　　另一方面，有些星球与地球间的距离有可能相对来说比较近，因此看上去就可能显得比较亮一些。再者，如果所有星球移动的速度是相同的，那么距地球越近，往往就显得运动得更快一些。这一点与实验室条件下的实验结果是相符的。这一现象是以解释运动越快的星体其亮度越高的原因。那相对比较昏暗的星球其实也处于运动状态，但由于它与地球间距离实在太遥远了，因此即使经过几个世纪的观测也无法察觉到它的位置的变化，但这一变化却有可能在数千年的过程中被观测到，这的确需要人们一代一代不懈的努力。

　　如果各个星体与太阳系间的距离各不相同，那么宇宙就应该是无限的，而众多的星球则会像蜂群一样遍布于宇宙的各个角落。直至1718 年，人们才意识到这一点而摒弃了宇宙有限论，从此，一幅广阔无垠而壮丽非常的宇宙画卷终于展现在人们的眼前。

【宇宙有中心吗？】

　　太阳是太阳系的中心，太阳系中所有的行星都绕着太阳旋转。银河也有中心，它周围所有的恒星也都绕着银河系的中心旋转。那么宇宙有中心吗？一个让所有的星系包围在中间的中心点？

　　看起来应该存在这样的中心，但是实际上它并不存在。因为宇宙的膨胀一般不发生在三维空间内，而是发生在四维空间内的，它不仅包括普通三维空间（长度、宽度和高度），还包括第四维空间——时间。描述四维空间的膨胀是非常困难的，但是我们也许可以通过推断气球的膨胀来解释它。

　　我们可以假设宇宙是一个正在膨胀的气球，而星系是气球表面上的点，我们就住在这些点上。我们还可以假设星系不会离开气球的表面，只能沿着表面移动而不能进入气球内部或向外运动，在某种意义上可以说我们把自己描述为一个二维空间的人。

　　如果宇宙不断膨胀，也就是说气球的表面不断地向外膨胀，则表面上的每个点彼此离得越来越远。其中，某一点上的某个人将会看到其他所有的点都在退行，而且离得越远的点退行速度越快。

　　现在，假设我们要寻找气球表面上的点开始退行的地方，那么我们就会发现它已经不在气球表面上的二维空间内了。气球的膨胀实际上是从内部的中心开始的，是在三维空间内的，而我们是在二维空间上，所以我们不可能探测到三维空间内的事物。同样的，宇宙的膨胀不是在三维空间内开始的，而我们只能在宇宙的三维空间内运动。宇宙开始膨胀的地方是在过去的某个时间，即亿万年以前，虽然我们可以看到，可以获得有关的信息，而我们却无法回到那个时候。

　　相关词条：银河系

　　『宇宙时间表』

　　一般认为，宇宙产生于150亿年前一次大爆炸中。大爆炸后30万年，最初的物质涟漪出现。大爆炸后20亿～30亿年，类星体逐渐形成。大爆炸后100亿年，太阳诞生。38亿年前地球上的生命开始逐渐演化。

　　『宇宙及其组成和结构 』http://t1.baidu.com/it/u=2555518516,522547472&fm=3&gp=31.jpg

　　宇宙是有限的还是无限的？有没有中心有没有边？有没有生老病死有没有年龄？"这些恐怕是自从有人类的活动以来一直被关心的问题。为了有一个更清楚的答案，先看看它的组成和结构。

　　(1) 行星

　　我们居住的地球是太阳系的一颗大行星。太阳系一共有八颗大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。除了大行星以外，还有60多颗卫星、为数众多的小行星、难以计数的彗星和流星体等。他们都是离我们地球较近的，是人们了解的较多的天体。那么，除了这些以外，茫茫宇宙空间还有一些什么呢？

　　(2) 恒星和星云

　　晴夜，我们用肉眼可以看到许多闪闪发光的星星，他们绝大多数是恒星，恒星就是象太阳一样本身能发光发热的星球。我们银河系内就有1000多亿颗恒星。恒星常常爱好"群居"，有许多是"成双成对"地紧密靠在一起的，按照一定的规律互相绕转着，这称为双星。还有一些是3颗、4颗或更多颗恒星聚在一起，称为聚星。如果是十颗以上，甚至成千上万颗星聚在一起，形成一团星，这就是星团。银河系里就发现1000多个这样的星团。

　　(3) 银河系及河外星系

　　随着测距能力的逐步提高，人们逐渐在越来越大的尺度上对宇宙的结构建立了立体的观念。这里第一个重要的发展，是认识了银河。它包含两重含义，一是了解了银河的形状，二是认识了河外天体的存在。

　　(4) 星系团

　　当我们把观测的尺度再放大，宇宙可看成由大量星系构成的"介质"，而恒星只是星系内部细致结构的表现。这样，为了了解宇宙结构，需关心星系在空间的分布规律。

　　(5) 大尺度结构

　　今天人们把10Mpc以上的结构称为宇宙的大尺度结构（目前观测到的宇宙的大小是104Mpc）。至今大尺度上的观测事实远不是十分明确的。有趣的是，有迹象表明，星系在大尺度上的分布呈泡沫状。即有许多看不到星系的"空洞"区，而星系聚集在空洞的壁上，呈纤维状或片状结构。这一层次的结构叫超星系团。它的典型尺度为几十兆秒差距。

　　总之，若把星系看成宇宙物质的基本单元，那么星系的分布状况就是宇宙结构的表现。现在看来，直至50Mpc的尺度为止，星系的分布呈现有层次的结构。这就是我们对宇宙面貌的基本认识。

　　不过目前也有理论认为宇宙就是一个封闭的空间，且其引力大到没有任何速度可以冲出这个空间，而这个空间以外是什么样子，谁也无法回答，甚至无法想象。

【哲学分析宇宙概念】

　　有些宇宙学家认为，我们的宇宙是唯一的宇宙；大爆炸不是在宇宙空间的哪一点爆炸，而是整个宇宙自身的爆炸。但是，新提出的暴涨模型表明，我们的宇宙仅是整个暴涨区域的非常小的一部分，暴涨后的区域尺度要大于10 26 厘米，而那时我们的宇宙只有10厘米。还有可能这个暴涨区域是一个更大的始于无规则混沌状态的物质体系的一部分。这种情况恰如科学史上人类的认识从太阳系宇宙扩展到星系宇宙，再扩展到大尺度宇宙那样，今天的科学又正在努力把人类的认识进一步向某种探索中的“暴涨宇宙”、“无规则的混沌宇宙”推移。我们的宇宙不是唯一的宇宙，而是某种更大的物质体系的一部分，大爆炸不是整个宇宙自身的爆炸，而是那个更大物质体系的一部分的爆炸。因此，有必要区分哲学和自然科学两个不同层次的宇宙概念。哲学宇宙概念所反映的是无限多样、永恒发展的物质世界；自然科学宇宙概念所涉及的则是人类在一定时代观测所及的最大天体系统。两种宇宙概念之间的关系是一般和个别的关系。随着自然科学宇宙概念的发展，人们将逐步深化和接近对无限宇宙的认识。弄清两种宇宙概念的区别和联系，对于坚持马克思主义的宇宙无限论，反对宇宙有限论、神创论、机械论、不可知论、哲学代替论和取消论，都有积极意义。

　　宇宙中是否有第二个太阳系

　　除了我们的太阳系以外，宇宙中还有第二个、第三个太阳系吗？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。

　　宇宙中的第二个“太阳系”是怎样发现的呢?

　　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。

　　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。

　　织女星距离地球26光年，是全天第四亮星。直径是太阳的2.5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。

　　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。

          宇宙年龄

    宇宙年龄（universe，age of）宇宙从某个特定时刻到现在的时间间隔。对于某些宇宙模型，如牛顿宇宙模型、等级模型、稳恒态模型等，宇宙年龄没有意义。在通常的演化的宇宙模型里，宇宙年龄指宇宙标度因子为零起到现在时刻的时间间隔。通常，哈勃年龄是宇宙年龄的上限，可以作为宇宙年龄的某种度量。根据大爆炸宇宙模型推算，宇宙年龄大约200亿年。

年龄推算

　　宇宙年龄为一百二十五亿年

　　科学家利用望远镜观察最老的星球上的铀光谱，从而估计宇宙的年龄是一百二十五亿年。科学家对宇宙(Universe)的年龄有不同的估计，根据不同的宇宙学模型(cosmologicalmodels)，科学家估计宇宙的年龄是介乎一百亿至一百六十亿之间；2001年科学家利用南欧洲天文台(EuropeanSouthernObservatory)的望远镜，观察一颗称CS31082-001的星球，量度星球上放射性(radioactive)同位素(isotope)铀-238(Uranium-238)的光谱(spectrum)，从而计算出这星球的年龄是一百二十五亿年，这个估计的误差大约三十亿年，是亦即是说，宇宙的年龄至少有一百二十五亿年，这是科学家第一次量度太阳系(SolarSystem)以外铀含量的研究。

　　科学家解释说，这个方法和在考古学(archaeology)上使用碳-14(Carbon-14)同位素量度物质的年龄一样，铀-238同位素的半衰期(half-life)是四十四亿五千万年；半衰期是放射性元素(element)自动蜕变成为其它元素，至它本身剩下一半时所需要的时间。

　　科学家指出，在宇宙开始时，大爆炸(BigBang)会产生氢(hydrogen)、氦(helium)和锂(lithium)等元素，而比较重的元素是在星球内部产生，当星球死亡时，含有重元素的物质会散布到周围的空间，然后和下一代个的星球结合；其实，地球上黄金(gold)也是从爆炸了的星球来。

　　因此，愈老的星球上的重元素，也会愈少，科学家认为，一些比较老的星球的重元素含量，只有太阳(Sun)的二百分之一。科学家曾经尝试利用钍-232(Thorium-232)同位素来估计宇宙的年龄，钍是一种放射性金属元素，与中子(neutron)接触时会引起核分裂，产生原子能源(atomicenergy)，不过，钍的半衰期是一百四十亿五百万年，半衰期比较铀-238长，因此，估计的误差也比较大。

年龄将增加

　　2006年8月7日出版的美国《科学》杂志刊载文章说，一个由天文学家组成的国际团队发表了一份最新报告称，宇宙的年龄可能比原先设想的还要早20亿年。科学家们已发现一个比原先预想还远15%的邻近星系，这意味着宇宙的年龄可能少估计了15%。但是另一些专家认为现在下结论还为时过早。

　　天文学家们通过观测一颗阶段性改变亮度的特殊行星，已经成功测定出许多遥远星系的相对距离。但是为了知道这些星系距离人们究竟有多少光年，科学家们需要直接计算银河系和一些星系之间的距离。这样的测量很难进行。多少前以来，唯一测量出的可信的距离是邻近的大麦哲伦星系，但是一些天文学家担心它不同寻常的化学构成会影响计算。

　　现在，华盛顿卡耐基研究所的阿切斯特·波南斯和他的同事已经在银河系的“邻居”三角座星系中观测到一颗正在逐渐暗淡的失色双星。这个系统中的两颗星星在它们的轨道上互相穿越，观测这两颗星星互相黯淡的过程让天文学家们可以忽略两颗星星的大小和它们释放的能量。比较观测到的亮度揭示了行星离地球的距离。

　　这个结果刊登在美国《天文物理期刊》上，它测算出三角座星系(同样被称为M33星)距离地球300万光年，比通常人们认为的260万光年远了15%，后者是通过其他非直接的技术测量得出的。如果300万年这个数据得到确定，新的距离暗示更远的星系都将比原先远15%，因为相对距离不会改变。而且因为宇宙的大小和年龄都以星系距离为基础，结果宇宙的年龄从137亿年增加到了157亿年。

宇宙年龄可能更长

　　德国科学家研究发现，宇宙深处的一个类星体上铁物质含量要远多于太阳系中任何一个星体。由于天体中铁物质的形成需要极漫长的时间，在与太阳系天体铁物质含量对比的基础上，科学家提出宇宙年龄可能大于此前人们的猜测。

　　马普学会地外物理学研究所和欧洲航天局的科学家们借助XMM－NEWTON空间射线望远镜对这一编号为“APM08279＋5255”的类星体上所含成分进行分析发现，虽然该类星体中似乎并不存在氧元素等，但其铁物质含量大约是太阳系中单个星体的3倍左右。

　　科学家介绍说，根据现有认识，类星体及其所含铁物质是在宇宙大爆炸后15亿年左右才逐渐形成的，而天体中的铁物质是在宇宙中星体燃烧爆炸之后经过聚变反应后形成的，也就是说，某个天体上的铁物质只能在数十亿年时间内才逐渐积聚起来。现有研究认为，宇宙的年龄至少为125亿年，太阳系形成的时间约在90亿年前。因此，以太阳系天体中铁物质含量做对比，科学家认为这一新发现或者表明宇宙中存在一类人们迄今并无认识的富含铁物质的星体，或者表明宇宙年龄要大于此前的猜测。

　　类星体是宇宙中一类体积相对较小，但能量巨大的天体。该类天体在一般光学观测中类似恒星，但在分光观测中，它的谱线具有很大的红移，与恒星并不相同，因此被称为类星体。中国学家蔡星宇曾推测说宇宙至少有一亿岁。

测定

　　波南斯的团队已经做了“非常扎实的工作”，美国加州卡内基天文台的宇宙学家温迪·弗里德曼说，她从20世纪90年代就开始领导一项大型的哈勃太空望远镜来测定宇宙距离的范围。但是，她也认为，需要在一个星系中再找一对“黯淡的双星”来改变人们现在对于宇宙年龄的想法。

　　夕法尼亚州的维拉诺瓦大学的天体物理学家爱德华·希安也同意这个观点。他开拓了在邻近大麦哲伦星系测试黯淡的双星技术。他说。只有一颗星来说明结论是远远不够的。同时，他还同样担心，波南斯团队使用了一颗闪亮的行星，而非黯淡的双星，因为他认为他们的理论模型还不是很扎实。“我的设想是三角座星系应该没有那样遥远，”他说，“它可能会再次向地球移动。”

研究理论

　　宇宙始于何时？将止于何时？这是宇宙留给人类最为神秘，也最难解释的谜题。虽然宇宙大爆炸说已经深入人心，人们已经默认了宇宙诞生于近140亿年前的一次大爆炸中，宇宙万物、星系、地球、生命都是在大爆炸之后逐渐形成的。然而，在这个理论出世之后，很多人也提出了另外一个问题：在宇宙大爆炸之前发生了什么？5月5日《科学》杂志上发表的一篇研究论文称解答了这个让科学家们为之争论不休的谜题。美国普林斯顿大学的波尔·施泰恩加德和英国剑桥大学的尼尔·图尔克这两名理论物理学家在这篇论文里共同提出了一个理论，即宇宙大爆炸发生了不止一次，宇宙一直经历着“生死轮回”的过程，而人们所认为的140亿年前的宇宙大爆炸并非宇宙诞生的绝对起点，那只是宇宙的一次新生。

　　谁让宇宙加速膨胀让科学家们注意到宇宙大爆炸不仅只有一次的是被科学家抛弃后又重新拾起的“宇宙常量”。所谓宇宙常量，是对真空中的能量的数学表述，并用希腊字母的第11个字母“拉姆达”表示，这种能量也被认为是神秘的“暗能量”，而这种神秘能量正在让宇宙不断加速膨胀。

　　美国太空网5月8日对英美科学家这一研究的报道中称，当初爱因斯坦首次提出宇宙常量时，是想证明在宇宙间存在一种能量抗衡着星体间的重力作用，使得各星体不会因为相互的吸引而合到一起，最终让整个宇宙的物质都融合成一体，因此他也想证明宇宙是静止的，没有生长也没有萎缩。但没过多久，爱因斯坦就抛弃了这个理论，他称自己犯下了一生“最大的错误”。因为经他自己的广义相对论公式的计算，宇宙正在膨胀，而天文学家埃德温-哈勃经过观察也证实了宇宙确实在膨胀。

　　20世纪90年代末期，“拉姆达”被科学家们重新拾起，这时一些天文学家发现宇宙不仅仅在膨胀，而且速度正在加快，科学家们不知道是什么样的神秘力量导致了这一结果，于是“暗能量”这个词便产生了。并且科学家们认为“暗能量”就是宇宙常量“拉姆达”，在宇宙大爆炸后“拉姆达”没有和重力“平分天下”，保持宇宙的平衡，而是从重力手中夺权，使星体间越来越远，宇宙不断膨胀。

　　宇宙常量应该几何

　　宇宙常量该有多大，这是宇宙大爆炸发生次数的关键。美英科学家波尔·施泰恩加德和尼尔·图尔克就是在对宇宙常量的大小计算中发现了宇宙大爆炸不应该只发生了一次。

　　科学界一直都试图解释的一个问题是为什么自然界中的那么多常量的值都是那么正好，刚好让生命存在。如果“拉姆达”太大，那么宇宙就会在大爆炸后立刻迅速膨胀并撑破，就像吹爆的气球，那么生命就不可能在百亿年后存在了。波尔教授在接受太空网的采访中说：“‘拉姆达’的值是物理学中最神秘的事物之一。它让我们非常的迷惑。”甚至科学界出现了“人择原理”，即宇宙常量恰当地选择了人类生存，而人类也恰好选择了在这样一个常量条件下出现，而人类又回头研究着为什么宇宙常量大小会刚好让人类生存。这听起来确实不可思议，尼尔教授称：“这简直太糟了，真的该被抛弃了。这个理论就是想说明人类永远不会了解宇宙的奥秘，这就是我们的生存之道。”

　　为了找到“人择原理”之外合理的解释，两位科学家利用宇宙大爆炸模型计算宇宙常量，但得到的结果要比实际观测到的宇宙常量大得多，是实际值的10的100次方倍，也就是根本不适合现在宇宙中的生命生存。宇宙常量的大小说到底还关系到人类的生存。因此波尔教授和尼尔教授认为在宇宙大爆炸后宇宙常量（也就是“暗能量”）都会随着时间的推移而减弱。但是经过进一步的计算后，他们发现140亿年根本不够将爆炸后的值减弱的现在这个值。剑桥大学的尼尔教授说：“人们认为时间开始于那次大爆炸，但从没有一个合理的解释。而我们的推论看起来就非常的激进：在宇宙大爆炸之前是存在时间的。”

　　大爆炸不止一次发生宇宙年龄超乎科学家想象两位科学家的理论颠覆了人们的“常识”，在人们常常猜想时间将止于何时的时候，他们又告诉了人们时间没有起点。既然“拉姆达”的值在近140亿年中减弱到现在这个适合生命存在的值，那么，两位科学家就想到了宇宙大爆炸也许发生了不止一次，每一次的大爆炸都让宇宙常量有所减弱。在产生了现在我们生活的这个宇宙之前，很可能是在万亿年中宇宙大爆炸发生了很多次。尼尔教授说：“我想，宇宙的年龄可能远远大于万亿年。时间没有开始，根据理论宇宙的年龄是无限大的，而宇宙范围也是无限大的。”

　　在2002年，这两位科学家就提出了宇宙进化经历着“生死轮回”这个观点。宇宙就是在一次次大爆炸后重生，在每一次的“轮回”中，宇宙都在膨胀中消耗原有的物质，在宇宙常量减弱的同时也产生了一些新的粒子，直到另一次的大爆炸到来，然后新的粒子又形成了新的物质、天体乃至生命。

　　如果这两位科学家的假设是正确的，那么下一次的大爆炸将在什么时候到来？尼尔教授说：“不论计算多么准确，人们都无法预料下一次大爆炸的时间，但可以说的是，下一次的大爆炸不会在之后的100亿年内发生。”

          宇宙射线

    所谓宇宙射线，指的是来自于宇宙中的一种具有相当大能量的带电粒子流。1912年，德国科学家韦克多·汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中，发现电离室内的电流随海拔升高而变大，从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，于是有人为之取名为“宇宙射线”。

【发现】

　　1912年，德国科学家韦克多·汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中，发现电离室内的电流随海拔升高而变大，从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，于是有人为之取名为“宇宙射线”。

【形成】

　　宇宙射线（cosmic ray）一般指约在46亿年前刚从太阳星云形成的地球。初生的地球，固体物质聚集成内核，外周则是大量的氢、氦等气体，称为第一代大气^[1]。

　　那时，由于地球质量还不够大，还缺乏足够的引力将大气吸住，又有强烈的太阳风（是太阳因高温膨胀而不断向外抛出的粒子流，在太阳附近的速度约为每秒350～450公里），所以以氢、氦为主的第一代大气很快就被吹到宇宙空间。地球在继续旋转和聚集的过程中，由于本身的凝聚收缩和内部放射性物质（如铀、钍等）的蜕变生热，原始地球不断增温，其内部甚至达到炽热的程度。于是重物质就沉向内部，形成地核和地幔，较轻的物质则分布在表面，形成地壳。

　　初形成的地壳比较薄弱，而地球内部温度又很高，因此火山活动频繁，从火山喷出的许多气体，构成了第二代大气即原始大气。

　　原始大气是无游离氧的还原性大气，大多以化合物的形式存在，分子量大一些，运动也慢一些，而此时地球的质量和引力已足以吸住大气，所以原始大气的各种成分不易逃逸。以后，地球外表温度逐渐降低，水蒸汽凝结成雨，降落到地球表面低凹的地方，便成了河、湖和原始海洋。当时由于大气中无游离氧（O2），因而高空中也没有臭氧（O3）层来阻挡和吸收太阳辐射的紫外线，所以紫外线能直射到地球表面，成为合成有机物的能源。此外，天空放电、火山爆发所放出的热量，宇宙间的宇宙射线（来自宇宙空间的高能粒子流，其来源目前还不了解）以及陨星穿过大气层时所引起的冲击波（会产生摄氏几千度到几万度的高温）等，也都有助于有机物的合成。但其中天空放电可能是最重要的，因为这种能源所提供的能量较多，又在靠近海洋表面的地方释放，在那里作用于还原性大气所合成的有机物，很容易被冲淋到原始海洋之中。

　　宇宙射线产生

　　太阳系是在圆盘状的银河系中运行的，运行过程中会发生相对于银河系中心位置的位移，每隔6200万年就会到达距离银河系中心的最远点。而整个“银河盘”又是在包裹着它的热气体中以每秒200公里的速度运行。“银河盘并不像飞盘那样圆滑，”科学家称，“它是扁平的。”当银河系的“北面”或前面与周围的热气摩擦时就会产生宇宙射线。

【研究】

　　出于对宇宙射线研究的重视，世界各国纷纷投入资金与设备对其展开研究。前苏联、日本、中国、美国、法国等国家相继建立了宇宙射线观测站。虽然宇宙射线的起源尚无定论，但科学家们仍然逐步了解了宇宙射线的种种特性，以及对地球和人类环境的影响。

　　我们知道，宇宙线主要是由质子、氦核、铁核等裸原子核组成的高能粒子流；也含有中性的珈玛射线和能穿过地球的中微子流。它们在星系际银河和太阳磁场中得到加速和调制，其中一些最终穿过大气层到达地球。人类对宇宙射线作微观世界的研究过程中采用的观测方式主要有三种，即：空间观测、地面观测、地下（或水下）观测。

　　为了有效和长期对宇宙射线进行观测，各国都相继建立了观测站。1943年，前苏联在亚美尼亚建立了海拔3200米的阿拉嘎兹高山站；日本在战后建立了海拔2770米的乘鞍山观测所；1954年我国建立了海拔3200米的云南东川站。1990年，中日双方共同合作建立了西藏羊八井宇宙射线观测站。几乎所有外来的高能宇宙线，除中微子外在穿过大气层时都要与大气中的氧、氮等原子核发生碰撞，并转化出次级宇宙线粒子，而超高能宇宙线的次级粒子又将有足够能量产生下一代粒子，如此下去，将会产生一个庞大的粒子群；这一现象是1938年由法国人奥吉尔在阿尔卑斯山观测发现的，并取名为“广延大气簇射”。

　　在广延大气簇射过程中，能量低于10的14次方电子伏特的粒子很难到达3000米以下的低空，而是在4000米处超高能粒子群发展到极大。由于西藏羊八井地处海拔4300米，终年无积雪，地势平坦开阔，在能源、交通及生活上都具有便利条件，科研人员可在此进行长年不间断观测。以羊八井的闪烁体探测器为例，当粒子穿过闪烁体时在其中损失能量使闪烁体发生荧光，这一束闪光经过光阴极转换和光电倍增管放大后变为一个电脉冲信号。这个信号经过电缆被送到电子学记录系统，由磁带进行全年不间断记录。同时我们可以想到，如果我们在单位面积上安装的闪烁体越多、密度越大；所接收的射线粒子也越多，记录就更精密。除闪烁体探测器以外，羊八井站建成的宇宙射线采集方式还有：80平米乳胶室和地方性簇射探测器；中子堆中中子望远镜；试验型50平米RPC地毯式探测器。

　　宇宙射线还存在着转化、簇射的过程。除中微子外，几乎所有的高能宇宙射线，在穿过大气层时都要与大气中的氧、氮等原子核发生碰撞，并转化出次级宇宙线粒子，而超高能宇宙线的次级粒子又将有足够能量产生下一代粒子，如此下去，一级一级的转化，将会产生一个庞大的粒子群。1938年，法国人奥吉尔在阿尔卑斯山观测发现了这一现象，并将其命名为“广延大气簇射”。

【影响】

　　虽然当宇宙射线到达地球的时候，会有大气层来阻挡住部分的辐射，但射线流的强度依然很大，很可能对空中交通产生一定程度的影响。比方说，现代飞机上所使用的控制系统和导航系统均有相当敏感的微电路组成。一旦在高空遭到带电粒子的攻击，就有可能失效，给飞机的飞行带来相当大的麻烦和威胁。

　　还有科学家认为，长期以来普遍受到国际社会关注的全球变暖问题很有可能也与宇宙射线有直接关系。这种观点认为，温室效应可能并非全球变暖的惟一罪魁祸首，宇宙射线有可能通过改变低层大气中形成云层的方式来促使地球变暖。这些科学家的研究认为，宇宙射线水平的变化可能是解释这一疑难问题的关键所在。他们指出，由于来自外层空间的高能粒子将原子中的电子轰击出来，形成的带电离子可以引起水滴的凝结，从而可增加云层的生长。也就是说，当宇宙射线较少时，意味着产生的云层就少，这样，太阳就可以直接加热地球表面。对过去20年太阳活动和它的放射性强度的观测数据支持这种新的观点，即太阳活动变得更剧烈时，低空云层的覆盖面就减少。这是因为从太阳射出的低能量带电粒子(即太阳风)可使宇宙射线偏转，随着太阳活动加剧，太阳风也增强，从而使到达地球的宇宙射线较少，因此形成的云层就少。此外，在高层空间，如果宇宙射线产生的带电粒子浓度很高，这些带电离子就有可能相互碰撞，从而重新结合成中性粒子。但在低空的带电离子，保持的时间相对较长，因此足以引起新的云层形成。

　　此外，几位美国科学家还认为，宇宙射线很有可能与生物物种的灭绝与出现有关。他们认为，某一阶段突然增强的宇宙射线很有可能破坏地球的臭氧层，并且增加地球环境的放射性，导致物种的变异乃至于灭绝。另一方面，这些射线又有可能促使新的物种产生突变，从而产生出全新的一代。这种理论同时指出，某些生活在岩洞、海底或者地表以下的生物正是由于可以逃过大部分的辐射才因此没有灭绝。从这种观点来看，宇宙射线倒还真是名副其实的“宇宙飞弹”。

【意义】

　　今天，人类仍然不能准确说出宇宙射线是由什么地方产生的，但普遍认为它们可能来自超新星爆发、来自遥远的活动星系；它们无偿地为地球带来了日地空间环境的宝贵信息。科学家希望接收这些射线来观测和研究它们的起源和宇观环境中的微观变幻。

　　宇宙射线的研究已逐渐成为了天体物理学研究的一个重要领域，许多科学家都试图解开宇宙射线之谜。可是一直到现在，人们都并没有完全了解宇宙射线的起源。一般的认为，宇宙射线的产生可能与超新星爆发有关。对此，一部分科学家认为，宇宙射线产生于超新星大爆发的时刻，“死亡”的恒星在爆发之时放射出大能量的带电粒子流，射向宇宙空间；另一种说法则认为宇宙射线来自于爆发之后超新星的残骸。

　　不管最终的定论将会如何，科学家们总是把极大的热情投入到宇宙射线的研究中去。关于为什么要研究宇宙射线，罗杰·柯莱在其著作《宇宙飞弹》作出了精辟的阐释：

　　“宇宙射线的研究已变成天体物理学的重要领域。尽管宇宙射线的起源至今未能确定，人们已普遍认为对宇宙射线的研究能获得宇宙绝大部分奇特环境中有关过程的大量信息：射电星系、类星体以及围绕中子星和黑洞由流入物质形成的沸腾转动的吸积盘的知识。我们对这些天体物理学客体的理解还很粗浅，当今宇宙射线研究的主要推动力是渴望了解大自然为什么在这些天体上能产生如此超常能量的粒子。”

【研究历史】

　　1903年，卢瑟福（Ernest Rutherford，1871-1937）（左图）和库克（H.L.Cooke）研究过这个问题。他们发现，如果小心地把所有放射源移走，在验电器中每立方厘米内，每秒钟还会有大约十对离子不断产生。他们用铁和铅把验电器完全屏蔽起来，离子的产生几乎可减少十分之三。他们在论文中提出设想，也许有某种贯穿力极强，类似于γ射线的辐射从外面射进验电器，从而激发出二次放射性。

　　1909年，莱特（Wright）为了搞清这个现象的缘由，在加拿大安大略（Ontario）湖的冰面上重复上述实验，发现游离数略有减小。

　　1910年，法国的沃尔夫（Father Theodor Wulf）在巴黎300米高的埃菲尔塔顶上进行实验，比较塔顶和地面两种情况下残余电离的强度，得到的结果是塔顶约为地面的64％，比他预计的10％要高。他认为可能在大气上层有γ源，也可能是γ射线的吸收比预期的小。

　　1910-1911年，格克耳（Alfred Gockel）在瑞士的苏黎世让气球把电离室带到4500米高处，记录下几个不同高度的放电速率。他的结论是：“辐射随高度的增加而降低的现象……比以前观测到的还要显著。”

　　这种源的放射性与当时人们比较熟悉的放射性相比具有更大的穿透本领，因此人们提出这种放射性可能来自地球之外——这就是宇宙射线最初的迹象。

　　奥地利物理学家赫斯(Victor Franz Hess,1883-1964)是一位气球飞行的业余爱好者。他设计了一套装置，将密闭的电离室吊在气球下，电离室的壁厚足以抗一个大气压的压差。他乘坐气球，将高压电离室带到高空，静电计的指示经过温度补偿直接进行记录。他一共制作了十只侦察气球，每只都装载有2～3台能同时工作的电离室。

　　1911年，第一只气球升至1070米高，在那一高度以下，辐射与海平面差不多。翌年，他乘坐的气球升空达5350米。他发现离开地面700米时，电离度有些下降（地面放射性造成的背景减少所致），800米以上似乎略有增加，而后随着气球的上升，电离持续增加。在1400米～2500米之间显然超过海平面的值。在海拔5000米的高空，辐射强度竟为地面的9倍。由于白天和夜间测量结果相同，因此赫斯断定这种射线不是来源于太阳的照射，而是宇宙空间。

　　赫斯认为应该提出一种新的假说：“这种迄今为止尚不为人知的东西主要在高空发现……它可能是来自太空的穿透辐射。”1912年赫斯在《物理学杂志》发表题为“在7个自由气球飞行中的贯穿辐射”的论文。

　　赫斯的发现引起了人们的极大兴趣，从那时开始，科学界对宇宙射线的各种效应和起源问题进行了广泛的研究。最初，这种辐射被称为“赫斯辐射”，后来被正式命名为“宇宙射线”。当时，许多物理学家怀疑赫斯的测量，并认为这种大气电离作用不是来自太空，而是起因于地球物理现象，例如组成地壳的某种物质发出的放射性。现在认为，宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流的总称。

　　1914年，德国物理学家柯尔霍斯特（Werner Kolhorster，1887-1946）将气球升至9300米，游离电流竟比海平面大50倍，确证了赫斯的判断。

　　1922年，美国科学家密立根（Robert Andrews Millikan，1868-1953）（左图）和玻恩（I.S.Bowen）将这些实验拿到55000英尺的高空去做，为了解决这种辐射的来源，他们先是在高山顶上测量，后来又把装有验电器和电离器的不载人的气球升到高空来测量大气的电离作用。

　　1925年夏，密立根和助手们在加利福尼亚州群山中的Muir湖（缪尔湖）和Arrowhead湖（慈菇湖）的深处做实验，试图通过测量电离度与湖深的变化关系来确定宇宙射线的来源，之所以选择这两个湖，是因为它们都是由雪水作为水源，可以避免放射性污染；而且，这两个湖相距较远，高度相差6.675英尺，这样可以避免相互干扰和便于比较。

　　1925年11月9日，国家科学院在威斯康星州的Madison召开会议，密立根报告了测量的结果，他的结果表明，这些射线不是起源于地球或低层大气，而是从宇宙射来的，密立根同意当时大多数人的观点，认为宇宙射线是一种高频电磁辐射，其频率远高于X射线，是后者平均频率的1000倍。他认为，这种射线的穿透力既然比最硬的γ射线还强许多，当然不会由带电粒子组成。如果假定宇宙射线真是像阴极射线那样的带电粒子流，那它能穿透相当于6英尺厚度铅块的穿透力，将使这些粒子具有当时难以想像的高能量。如果假定宇宙射线由光子（即电磁辐射的量子）组成，那么宇宙射线辐射到地球时，其飞行路线将不受地磁的影响；相反，如果宇宙射线是由带电粒子组成，则它将肯定受到地磁场的影响，飞到高纬度地区的宇宙射线带电粒子将多于低纬度的地区，即有“纬度效应”(latitude effect)，而密立根的测量结果表明，宇宙射线来自四面八方，不受太阳和银河系的影响，也不受大气层或地磁纬度的影响。

　　1927年，斯科别利兹（Dimitr Skobelzyn）利用云雾室摄得宇宙射线痕迹的照片，根据径迹在云雾室里的微小偏转，第一次确认了宇宙线粒子径迹。

　　1927-1929年，荷兰物理学家克莱(J.Clay,1882-1955)在从荷兰到印度尼西亚爪哇岛的旅行中，发现了纬度效应的踪迹——靠近赤道处宇宙射线强度比较低。

　　博思（Walther Bothe，1891-1957）提出的符合计数法是在盖革计数器的基础上发展起来的，他所做的革新是利用两个计数管，使得只有电离碰撞在两个计数管中同时发生时，这两个计数管才会计数。他利用符合法来判断能量和动量守恒定律对光子和电子的每一次碰撞是否都有效，或者说这些定律是否是作为一种统计平均才成立。为了利用计数器研究被散射的α粒子和反冲电子之间是否符合，他与盖革考察了单个的康普顿散射，得到的结论是：能量和动量守恒定律对光子和电子之间的每一次碰撞都是有效的。从此，符合法在宇宙线的研究中得到了广泛应用。1930年前后，宇宙线领域里的一些重要发现几乎都和符合法分不开。符合法的发明也为核物理、α射线和超声波等方面的研究提供了有效工具。博思与玻恩共同分享了1954年度诺贝尔物理学奖。

　　1931年秋季，在罗马召开的国际核物理会议上，物理学家们向密立根提出的宇宙射线的电磁本质假说发起了公开的挑战。意大利物理学家罗西（Bruno Benedetto Rossi，1905-1993）（右图）在分析大量实验数据的基础上提出：从海平面观察到的宇宙线，本质上是由能量非常高的带电粒子组成；从强磁场使其偏转显示的结果来看，它们的能量大约高于几十个亿电子伏，远大于密立根的估计值。这些带电粒子也许是在大气层中，由宇宙辐射源初始的高能γ辐射产生的，但这种γ辐射（即光子）的能量远远高于密立根所说的“原子构造”时释放的能量。还有第二种可能，即宇宙线中观察到的高能粒子就是最初的宇宙辐射，或者至少是它有意义的一部分。

　　密立根让研究生安德逊利用强磁场中的云室，直接测量宇宙射线的能量，但安德逊的工作却否定了密立根的假说，还导致了正电子的发现。

　　1932年，C.D.安德森（Carl David Anderson, 1905-1991）（左图）发现了正电子，这是宇宙射线研究的第一项引人注目的成果。

　　C.D.安德森是美国加州理工学院物理教授密立根（R.A.Millikan）的学生，从1930年开始跟密立根做宇宙射线的研究工作。从1930年起C.D.安德森负责用云室观测宇宙射线。安德森采用一个带有非常强磁铁的威尔逊云室来研究宇宙射线。他让宇宙射线中的粒子通过室内的强磁场，并快速拍下粒子径迹的照片，然后根据径迹长度、方向和曲率半径等数据来推断粒子的性质。

　　1932年8月2日，C.D.安德森在照片中发现一条奇特的径迹，这条径迹和负电子有同样的偏转度，却又具相反的方向（右图），显示这是某种带正电的粒子。从曲率判断，又不可能是质子。于是他果断地得出结论，这是带正电的电子。狄拉克预言的正电子就这样被安德森发现了。

　　当时C.D.安德森并不了解狄拉克的电子理论，更不知道他已经预言过正电子存在的可能性。狄拉克是在他的相对论电子理论中作出这一预言的。从他的方程式可以看出，电子不仅应具有正的能态，而且也应具有负能态。他认为这些负能态通常被占满，偶而有一个态空出来，形成“空穴”，他写道：“如果存在空穴，则将是一种新的，对实验物理学来说还是未知的粒子，其质量与电子相同，电荷也与电子相等，但符号不同。我们可以称之为反电子。”他还预言：“可以假定，质子也会有它自己的负态。……其中未占满的状态表现为一个反质子。”关于反质子的预言，到1945年才由西格雷（Emilio Segrè）证实。

　　英国物理学家布莱克特（Baron Patrick Maynard Stuart Blackett, 1897-1974）从1921年起进行改进威尔逊云室照相技术以研究原子核的人工转变。1924年，他用云室照片首次成功地验证了人工轻核转变，即氦-14核俘获α粒子变为氧-17。1925年，他创制了云室照相受自动计数器控制的装置。在C．D．安德森发现正电子后的短短几个月，布莱克特就用他拍摄的正负电子成对产生过程的宇宙线径迹照片有力地证实了正电子的存在。

　　由于宇宙射线和正电子的发现有密切联系，诺贝尔委员会将1936年诺贝尔物理学奖授予这两个相关项目的赫斯和安德森，而布莱克特因改进威尔逊云室以及由此在核物理领域和宇宙射线方面作出的一系列发现，获得了1948年度诺贝尔物理学奖。

　　美国物理学家康普顿（Arthur Holy Compton，1892～1962）（右图）因发现康普顿效应（也称“康普顿散射”）于1927年获诺贝尔物理学奖。他的主要兴趣是核物理研究，他预见核能会给人类带来巨大的利益，为了充分利用核能，康普顿决定先研究宇宙射线，计划在1932年对地磁纬度不同和高海拔的地方，进行宇宙射线强度等方面的测量，康普顿组织了6个远征队，到世界各地的高山、赤道附近低纬度区等进行了广泛测量，以便对初始的宇宙射线到底是光子还是带电粒子作出合理的判断，康普顿本人主持了美国中西部的落矶山脉以及欧洲南部的阿尔卑斯山脉、澳大利亚、新西兰、秘鲁和加拿大等地的两个远征队。

　　1932年3月18日，康普顿开始了行程5万余英里，遍历五大洲，跨越赤道5次的远征，远征开始时，康普顿倾向于接受密立根的（光子的）假说，在广泛测量之后，他的观点有了根本性的变化，他断定：海平面的宇宙射线强度可以相当满意地表示为只是地磁场倾角的函数；宇宙射线的强度随高度连续地增大，密立根所断言的在9000米处有最大值并不存在。9月份以后，康普顿陆续收到60多位科学家在分布范围极广的69个观测站测量到的数据，反映了纬度从北78°到南46°、经度从东175°到西173°这个地理经纬度的范围内，宇宙射线强度的分布情形，康普顿宣布宇宙线存在纬度效应，并认为宇宙射线是带电的高能粒子。　　密立根在1932年也进行了范围较广泛的观测。加利福尼亚理工学院一位年青物理学家内赫（H.V.Neher）发明了一种高灵敏度的自动记录验电器。空军的负责人同意密立根使用轰炸机，可将测量仪器带到8000多米高空。9月底，密立根在气象署的帮助下利用气球到平流层作了测量。如果宇宙射线真是带电粒子流，密立根应当有条件得到康普顿相同的结论的，但他们由观测所得到的结论却完全不同（左图为密立根发表的文章）。

　　1932年12月底，美国物理学会在新泽西州大西洋城（Atlantic City）召开会议，密立根和康普顿这两位诺贝尔物理奖获得者就宇宙射线的本质进行了激烈的争论。康普顿在会议上报告：不同纬度处宇宙射线强度有明显不同，说明初始宇宙射线有带电粒子的特征，并提出了支持这种观点的三种实验。密立根在大西洋会议上宣读了内赫跨越赤道航行的测量结果，没有发现纬度效应。由于双方都宣称自己有实验为证，无法统一思想，但大多数物理学家已经开始转向承认康普顿的观点。

　　1935年11月11日，由两名勇敢的驾驶员（Albert W. Stevens和Orvil A. Anderson）驾驶探测者2号氦气球（体积为113000立方英尺）上升到官方记录的22066米的高空，收集了大气、宇宙线和其他数据。

　　美国加利福尼亚理工学院的内德梅耶（Seth Neddermeyer，1907-1988）（右图）和安德森（Carl D. Anderson）1934年提出假设：具有高度贯穿力的踪迹是质量在电子与质子之间的粒子的踪迹。（左图为安德森与内德梅耶）

　　1936年，他们在宇宙射线中发现了一种带单位正电荷或负电荷的粒子，质量为电子的206.77倍，人们以为它就是汤川秀树1930年预言的介子，称它为μ介子，后来发现这种粒子其实并不参与强相互作用，是一种轻子，所以改名为μ子。

　　1938年，奥格尔（Pierre Auger，1899-1993）（右图）发现了广延空气簇射。簇射是由原始高能粒子撞击产生的次级亚原子粒子。他发现簇射的能量高达 1015 电子伏特，即当时已知的一千万倍。

　　1940年3月9日，一架比奇AD-17双翼飞机在海拔21050英尺高空飞越南极，为美国探险队测量宇宙线。

　　1946年，物理学家罗西（Bruno Rossi）与查才品（Georgi Zatsepin）领导的小组进行了首次空气簇射结构的实验（右图）。研究小组创建了首个探测空气簇射的相关探测器阵列。

　　1946年，两位英国科学家罗彻斯特（George D.Rochester）和巴特勒（Clifford C.Butler，1922-1999）拍了许多云雾室事件的照片，在其中一张照片中，发现了些形状象字母V的径迹。只有承认质量近似为494MeV/c2 的粒子在飞行中衰变成二个π介子时生成这些径迹，才能对此作出解释。人们确信存在一种新的粒子，根据其径迹形状，就叫它V粒子（左图）。这种V粒子现在叫作K0粒子，这就是后来被称为奇异粒子的一系列新粒子发现的开始。

　　1947年8月16日，物理学家波默兰茨（Martin Pomerantz）宣布放飞了4个携带宇宙线探测仪的气球（左图），在至少127000英尺的高度越过了南极地区。

　　1947年，英国的鲍威尔（Cecil Frank Powell,1903-1969）等人创造了将核乳胶用气球送到高层空间去记录宇宙线的方法，在玻利维亚安第斯山地区从宇宙射线中发现了汤川秀树1930年所预言的π介子，质量约为电子质量273倍，它与原子核之间有很强的相互作用，称为带电π介子。π介子存在的时间仅有两亿分之二点五秒，之后便分裂为μ介子，μ介子存在时间相对较长，为百万分之一秒，并以每秒钟上万公里的速度飞行。

　　汤川秀树与鲍威尔分别于1949年和1950年获得诺贝尔物理学奖。

　　1948 年，剑桥大学的天文学教授霍伊尔（Fred Hoyle，1915-2001）（左图）与邦迪（Hermann Bondi ）、戈尔德（Thomas Gold ）一起提出了“稳恒态宇宙理论”，该理论认为宇宙在大尺度上，包括任何时候和任何地方，都是一样的。在这个“稳恒态”宇宙中没有开始，没有结束。星系在各个方向上简单地飞离，就像烤蛋糕时蛋糕上的葡萄干随着蛋糕膨胀而远离。为了填补星系退行后留下的虚空并保持宇宙总的外观，他们假定物质在星系际空间无中生有地创生，物质的创生率（每立方公里每年产生一个粒子）恰好用来形成新的星系。

　　1948年，伽莫夫（George Gamow，1904-1968）和阿尔法（Ralph Asher Alpher，1921-）也提出了宇宙是从一个原始高密状态演化而来的理论，并请著名核物理学家贝蒂（Hans Bethe）一起署名，这一理论被称作αβγ（ Alpher, Bethe,& Gamow ）理论，霍伊尔在1952 年把它称为“大爆炸理论”（the Big Bang ），但他认为宇宙不会在一声爆炸中产生。

　　1949年，费米（Enrico Fermi,1901～1954）发表宇宙射线理论，尝试以超新星爆发的磁力冲击波来解释宇宙射线的粒子加速机制，但未足以解释最高能宇宙射线的存在。

　　1962年，美国麻省理工学院的林斯里（John Linsley）与同事，利用新墨西哥州火山农场10平方公里的空气簇射探测器组探测到一个能量估计为 1020 电子伏特的宇宙射线。

　　1965年，美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯（Arno Penzias，1933-和威尔逊（R.W.Wilson）无意中发现了大爆炸理论预言的宇宙微波背景辐射。他们本想要使用一根大型通信天线进行射电天文学的实验研究，但因不断受到一个连续不断本底噪声的干扰，使得实验无法进行下去。那个噪声的波长为7.35厘米，相当于3.5k温度的黑体辐射，其各向同性的程度极高，而且与季节变化无关。几乎一年，他们想尽办法跟踪和除去这个噪声但丝毫不起作用，便打电话给普林斯顿大学的罗伯特·迪克（Robert Henry Dick, 1916～），向他描述遇到的问题，希望他能作出一种解释。迪克马上意识到两位年轻人想要除去的东西正是迪克研究组正在设法寻找的东西——宇宙大爆炸残留下来的某种宇宙背景辐射。彭齐亚斯和威尔逊获得了1978年诺贝尔物理学奖。

　　1966年，格雷森（ Kenneth Greisen）、查才品（Georgi Zatsepin）和古兹文（Vadem Kuzmin）认为，高能宇宙线与微波背景辐射相互影响减小了能量，因此宇宙射线的能量应低于5 x 1019电子伏特。（右图为卫星记录的宇宙微波背景图）

【现代的宇宙线探测方式】

　　直接探测法——1014eV以下的宇宙射线，通量足够大，可用面积约在平方公尺左右的粒子探测器，直接探测原始宇宙射线。这类探测器需要人造卫星或高空气球运载，以避免大气层吸收宇宙射线。

　　间接探测法——1014eV以上的宇宙射线，由于通量小，必须使用间接测量，分析原始宇宙射线与大气的作用来反推原始宇宙射线的性质。当宇宙射线撞击大气的原子核后产生一些重子、轻子及光子(γ 射线)。这些次级粒子再重复作用产生更多次级粒子，直到平均能量等于某些临界值，次级粒子的数目达到最大值，称为簇射极大，在此之后粒子逐渐衰变或被大气吸收，使次级粒子的数目逐渐下降，这种反应称为“空气簇射”。地球地表的主要辐射源是放射性矿物，空气簇射的次级粒子是高空的主要辐射源，海拔20公里处辐射最强，100公里以上的太空辐射则以太阳风及宇宙射线为主。

　　空气簇射的成份主要以轻子居多，重子最少。探测空气簇射有三种方式：地面（及地下）阵列、契伦可夫望远镜、萤光望远镜。

　　地面（及地下）阵列通常需要多个带电粒子探测器组成，分布于广大平坦的区域，次级粒子才能有充足的取样，可全年操作。契伦可夫望远镜可探测由次级粒子产生的契伦可夫光，萤光望远镜可探测带电粒子游离氮气产生的萤光，这两种望远镜只能在夜间操作且需避开城市光源，平均操作时间只有10%。

　　宇宙射线为来自太阳系以外的高能量粒子，能量约从109eV to 1020eV以上。在靠近地球的太空中，每秒每平方公分约有一个宇宙射线穿过。宇宙射线的主要成份是质子，及其它核种从氦核到铁核以上，甚至微量的镧系元素。人造粒子加速器其最高能量约为1013eV。右图显示了宇宙射线的能谱，横跨12个数量级的能量。能谱上有两个有重要物理意义的转折点，1015eV称为膝点(knee)，3′1018eV称为踝点(ankle)。极高能宇宙射线(Ultra High Energy Cosmic Rays: UHECR)主要研究1018eV以上的宇宙射线。为什么会有这么高的能量？它们的来源在那里？它们是什么粒子？这些都是宇宙射线物理学家的研究课题。

　　UHECR的研究经费在美国超导对撞机(Superconducting Super Collider)计划终止后快速增加，并成为天文粒子物理学研究的三大主流之一(另两项为早期宇宙与微波背景、微中子与暗物质)。

          宇宙起源

    宇宙是广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。 宇宙是物质世界，它处于不断的运动和发展中。《淮南子·原道训》注：“四方上下曰宇，古往今来曰宙，以喻天地。”即宇宙是天地万物的总称。千百年来，科学家们一直在探寻宇宙是什么时候、如何形成的。直到今天，科学家们才确信，宇宙是由大约137亿年前发生的一次大爆炸形成的。在爆炸发生之前，宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起，并浓缩成很小的体积，温度极高，密度极大（称为奇点），瞬间产生巨大压力,之后发生了大爆炸，这次大爆炸的反应原理被物理学家们称为量子物理（至今没有被解决）。大爆炸使物质四散出去，宇宙空间不断膨胀，温度也相应下降，后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命，都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的。

　　然而，因大爆炸而产生宇宙的理论尚不能确切地解释，“在所存物质和能量聚集在一点上”之前到底存在着什么东西？ “大爆炸理论”是伽莫夫于1946年创建的。

　　关于宇宙是如何起源的？空间和时间的本质是什么？这是从2000多年前的古代哲学家到现代天文学家一直都在苦苦思索的问题。经过了哥白尼、赫歇尔、哈勃的从太阳系、银河系、河外星系的探索宇宙三部曲，宇宙学已经不再是幽深玄奥的抽象哲学思辨，而是建立在天文观测和物理实验基础上的一门现代科学。

　　直到20世纪，出现了两种“宇宙模型”比较有影响。一是稳态理论，一是大爆炸理论。20世纪20年代后期，爱德温·哈勃发现了红移现象，说明宇宙正在膨胀。20世纪60年代中期，阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）发现了“宇宙微波背景辐射”。这两个发现给大爆炸理论以有力的支持。现在，大爆炸理论广泛地为人们所接受。

大爆炸理论

　　现代宇宙系中最有影响的一种学说，又称大爆炸宇宙学。与其他宇宙模型相比，它能说明较多的观测事实。它的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化历程。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。根据大爆炸宇宙学的观点，大爆炸的整个过程是：在宇宙的早期，温度极高，在100亿度以上。物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整个体系在不断膨胀，结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度后，早期形成化学元素的过程结束（见元素合成理论）。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实：

　　（1）大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短，即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。

　　（2）观测到河外天体有系统性的谱线红移，而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。

　　（3）在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。

　　（4）根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。大爆炸理论的创始人之一伽莫夫曾预言，今天的宇宙已经很冷，只有绝对温度几度。1965年，果然在微波波段上探测到具有热辐射谱的微波背景辐射，温度约为3K。

　　大爆炸理论认为，宇宙起源于一个单独的无维度的点，即一个在空间和时间上都无尺度但却包含了宇宙全部物质的奇点。至少是在120～150亿年以前，宇宙及空间本身由这个点爆炸形成。

　　目前学术界影响较大的“大爆炸宇宙论”是1927年由比利时数学家勒梅特提出的，他认为最初宇宙的物质集中在一个超原子的“宇宙蛋”里，在一次无与伦比的大爆炸中分裂成无数碎片，形成了今天的宇宙。1948年，俄裔美籍物理学家伽莫夫等人，又详细勾画出宇宙由一个致密炽热的奇点于150亿年前一次大爆炸后，经一系列元素演化到最后形成星球、星系的整个膨胀演化过程的图像。但是该理论存在许多使人迷惑之处。

　　宏观宇宙是相对无限延伸的。“大爆炸宇宙论”关于宇宙当初仅仅是一个点，而它周围却是一片空白，即将人类至今还不能确定范围也无法计算质量的宇宙压缩在一个极小空间内的假设只是一种臆测。况且从能量与质量的正比关系考虑，一个小点无缘无故地突然爆炸成浩瀚宇宙的能量从何而来呢？

　　人类把地球绕太阳转一圈确定为衡量时间的标准——年。但宇宙中所有天体的运动速度都是不同的，在宇宙范围，时间没有衡量标准。譬如地球上东西南北的方向概念在宇宙范围就没有任何意义。既然年的概念对宇宙而言并不存在，大爆炸宇宙论又如何用年的概念去推算宇宙的确切年龄呢？

　　1929年，美国天文学家哈勃提出了星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律，并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。哈勃定律只是说明了距离地球越远的星系运动速度越快--星系红移量与星系距离呈正比关系。但他没能发现很重要的另一点--星系红移量与星系质量也呈正比关系。

　　宇宙中星系间距离非常非常遥远，光线传播因空间物质的吸收、阻挡会逐渐减弱，那些运动速度越快的星系就是质量越大的星系。质量大，能量辐射就强，因此我们观察到的红移量极大的星系，当然是质量极大的星系。这就是被称作“类星体”的遥远星系因质量巨大而红移量巨大的原因。另外那些质量小、能量辐射弱的星系（除极少数距银河系很近的星系，如大、小麦哲伦星系外）则很难观察到，于是我们现在看到的星系大多呈红移。而银河系内的恒星由于距地球近，大小恒星都能看到，所以恒星的红移紫移数量大致相等。

　　导致星系红移多紫移少的另一原因是：宇宙中的物质结构都是在一定范围内围绕一个中心按圆形轨迹运动的，不是像大爆炸宇宙论描述的从一个中心向四周作放射状的直线运动。因此，从地球看到的紫移星系范围很窄，数量极少，只能是与银河系同一方向运动的，前方比银河系小的星系；后方比银河系大的星系。只有将来研制出更高分辨程度的天文观测仪器才能看到更多的紫移星系。

　　宇宙中的物质分布出现不平衡时，局部物质结构会不断发生膨胀和收缩变化，但宇宙整体结构相对平衡的状态不会改变。仅凭从地球角度观测到的部分（不是全部）可见星系与地球之间距离的远近变化，不能说明宇宙整体是在膨胀或收缩。就像地球上的海洋受引力作用不断此涨彼消的潮汐现象并不说明海水总量是在增加或减少一样。

　　1994年，美国卡内基研究所的弗里德曼等人，用估计宇宙膨胀速率的办法计算宇宙年龄时，得出一个80～120亿年的年龄计算值。然而根据对恒星光谱的分析，宇宙中最古老的恒星年龄为140～160亿年。恒星的年龄倒比宇宙的年龄大。

　　1964年，美国工程师彭齐亚斯和威尔逊探测到的微波背景辐射，是因为布满宇宙空间的各种物质相互之间能量传递产生的效果。宇宙中的物质辐射是时刻存在的，3K或5K的温度值也只是人类根据自己判断设计的一种衡量标准。这种能量辐射现象只能说明宇宙中的物质由于引力作用，在大尺度空间整体分布的相对均匀性和星际空间里确实存在大量我们目前还观测不到的“暗物质”。

　　至于大爆炸宇宙论中的氦丰度问题，氦元素原本就是宇宙中存在的仅次于氢元素的数量极丰富的原子结构，它在空间的百分比含量和其它元素的百分比含量同样都属于物质结构分布规律中很平常的物理现象。在宇宙大尺度范围中，不仅氦元素的丰度相似，其余的氢、氧……元素的丰度也都是相似的。而且，各种元素是随不同的温度、环境而不断互相变换的，并不是始终保持一副面孔，所以微波背景辐射和氦丰度与宇宙的起源之间看不出有任何必然的联系。

　　大爆炸宇宙论面临的难题还有，如果宇宙无限膨胀下去，最后的结局如何呢？德国物理学家克劳修斯指出，能量从非均匀分布到均匀分布的那种变化过程，适用于宇宙间的一切能量形式和一切事件，在任何给定物体中有一个基于其总能量与温度之比的物理量，他把这个物理量取名为“熵”，孤立系统中的“熵”永远趋于增大。但在宇宙中总会有高“熵”和低“熵”的区域，不可能出现绝对均匀的状态。所以，那种认为由于“熵”水平的不断升高而达到最大值时，宇宙就会进入一片死寂的永恒状态，最终“热寂”而亡的结局，是把我们现在可观测到的一部分宇宙范围当作整个宇宙的误识。

　　根据天文观测资料和物理理论描述宇宙的具体形态，星系的形态特征对研究宇宙结构至关重要，从星系的运动规律可以推断整个宇宙的结构形态。而星系共有的圆形旋涡结构就是整个宇宙的缩影，那些椭圆、棒旋等不同的星系形态只是因为星系年龄和观测角度不同而产生的视觉效果。

　　奇妙的螺旋形是自然界中最普遍、最基本的物质运动形式。这种螺旋现象对于认识宇宙形态有着重要的启迪作用，大至旋涡星系，小至DNA分子，都是在这种螺旋线中产生。大自然并不认可笔直的形式，自然界所有物质的基本结构都是曲线运动方式的圆环形状。从原子、分子到星球、星系直到星系团、超星系团无一例外，毋庸置疑，浩瀚的宇宙就是一个大旋涡。因此，确立一个“螺旋运动形态宇宙模型”，比那种作为所有物质总和的“宇宙”却脱离曲线运动模式而独辟蹊径，以直线运动方式从一个中心向四面八方无限伸展的“大爆炸宇宙模型”，更能体现真实的宇宙结构形

　　还有一点，大爆炸是循环的，有科学家声称:宇宙现在的膨胀达到极点时将又发生一场大爆炸。如同黑洞的形成过程一样，宇宙将变成一个高密度、小体积的球体。缩小到一定程度后，将再次发生大爆炸。根据能量守恒定律，宇宙的能量并没有消亡。但是，却没有人能解释，大爆炸每次循环时间、空间、分子结构等等，都是像上次一样（几百几千亿年以后，又有太阳系，又有地球，又有中国，又有你），还是重新排列（光凭空可以弯曲）

稳态理论

　　宇宙起源的问题有点像这个古老的问题：是先有鸡呢，还是先有蛋。换句话说，就是何物创生宇宙，又是何物创生该物呢？也许宇宙，或者创生它的东西已经存在了无限久的时间，并不需要被创生。直到不久之前，科学家们还一直试图回避这样的问题，觉得它们与其说是属于科学，不如说是属于形而上学或宗教的问题，然而，人们在过去几年发现，科学定律甚至在宇宙的开端也是成立的。在那种情形下，宇宙可以是自足的，并由科学定律所完全确定。

　　关于宇宙是否并如何启始的争论贯穿了整个记载的历史。基本上存在两个思想学派。许多早期的传统，以及犹太教、基督教和伊斯兰教认为宇宙是相当近的过去创生的。(十七世纪时邬谢尔主教算出宇宙诞生的日期是公元前4004年，这个数目是由把在旧约圣经中人物的年龄加起来而得到的。)承认人类在文化和技术上的明显进化，是近代出现的支持上述思想的一个事实。我们记得那种业绩的首创者或者这种技术的发展者。可以如此这般地进行论证，即我们不可能存在了那许久；因为否则的话，我们应比目前更加先进才对。事实上，圣经的创世日期和上次冰河期结束相差不多，而这似乎正是现代人类首次出现的时候。

　　另一方面，还有诸如希腊哲学家亚里斯多德的一些人，他们不喜欢宇宙有个开端的思想。他们觉得这意味着神意的干涉。他们宁愿相信宇宙已经存在了并将继续存在无限久。某种不朽的东西比某种必须被创生的东西更加完美。他们对上述有关人类进步的诘难的回答是：周期性洪水或者其他自然灾难重复地使人类回到起始状态。

两种理论的比较

　　两种学派都认为，宇宙在根本上随时间不变。它要么以现在形式创生，要么以今天的样子维持了无限久。这是一种自然的信念，由于人类生命——整个有记载的历史是如此之短暂，宇宙在此期间从未显著地改变过。在一个稳定不变的宇宙的框架中，它是否已经存在了无限久或者是在有限久的过去诞生的问题，实在是一种形而上学或宗教的问题：任何一种理论都对此作解释。1781年哲学家伊曼努尔·康德写了一部里程碑式的，也是非常模糊的著作《纯粹理性批判》。他在这部著作中得出结论，存在同样有效的论证分别用以支持宇宙有一个开端或者宇宙没有开端的信仰。正如他的书名所提示的，他是简单地基于推理得出结论，换句话说，就是根本不管宇宙的观测。毕竟也是，在一个不变的宇宙中，有什么可供观测的呢？

　　然而在十九世纪，证据开始逐渐积累起来，它表明地球系及宇宙是其他部分事实上是随时间而变化的。地学家们意识到岩石以及其中的化石的形成需要花费几亿甚至几十亿年的时间。这比创生论者计算的地球年龄长得太多了。由德国物理学家路德维希·玻尔兹曼提出的所谓热力学第二定律还提供了进一步的证据，宇宙中的无序度的总量（它是由称为熵的量所测量的）总是随时间而增加，正如有关人类进步的论证，它暗示只能运行了有限的时间，否则的话，它现在应已退化到一种完全无序的状态，在这种状态下万物都牌相同的温度下。

　　稳恒宇宙思想所遭遇到的另外困难是，根据牛顿的引力定律，宇宙中的每一颗恒星必须相互吸引。如果是这样的话，它们怎么能维持相互间恒定距离，并且静止地停在那里呢？

　　牛顿晓得这个问题。在一封致当时一位主要哲学家里查德·本特里的信中，他同意这样的观点，即有限的一群恒星不可能静止不动，它们全部会落某个中心点。然而，他论断道，一个无限的恒星集合不会落到一起，由于不存在任何可供它们落去的中心点。这种论证是人们在谈论无限系统时会遭遇到的陷阱的一个例子。用不同的方法将从宇宙的其余的无限数目的恒星作用到每颗恒星的力加起来，会对恒星是否维持恒常距离给出不同的答案。我们现在知道，其正确的步骤是考虑恒星的有限区域，然后加上在该区域之外大致均匀分布的更多恒星。恒星的有限区域会落到一起，而按照牛顿定律，在该区域外加上更多的恒星不能阻止其坍缩。这样，一个恒星的无限集合不能处于静止不动的状态。如果它们在某一时刻不在作相对运动，它们之间的吸引力会引起它们开始朝相互方向落去。另一种情形是，它们可能正在相互离开，而引力使这种退行速度降低。

虫洞喷发说

　　虫洞喷发说认为：我们现在所生存的宇宙起源于一次时空之门的开启。在许许多多平行宇宙中，有一个极其普通的平行宇宙，在这个宇宙中，质量最大的一个黑洞的不断地吞噬宇宙中的其他天体，它的质量不断增大，大到其万有引力可以摧毁一切物质形态，首先将其核心变为能量体，能量逐渐积蓄，最终冲破其外壳，向外释放能量，形成虫洞，时空之门打开。当能量释放完全后，虫洞停止喷发，时空之门关闭。而喷出来的高能粒子，经过漫长的演变后，形成了我们现在所生存的宇宙；那个喷发的虫洞则变为先前那个平行宇宙中的一个普通的天体，这也是我们不能找到宇宙的中心的原因。

新的怀疑

　　长期以来，“大爆炸”宇宙诞生理论一直被天文学界普遍认同，但近期哈勃太空望远镜拍摄的宇宙深处的照片却让科学家们对“大爆炸”理论打上了一个重重的问号。

　　“哈勃”太空望远镜本次拍摄到了一些宇宙深处的星体，这些星体大概形成于宇宙诞生后的5亿年内（约130亿年前）。然而，这些星体的数量却远远少于科学家们原来的估计。

　　哈勃拍摄的这些照片可以说明以下二点：要么大爆炸发生后恒星物质的形成并没有科学家们原来设想的那么积极，这并不符合现阶段通行的理论；要么当时的物理环境与现在的截然不同。

　　由安德鲁·邦克博士领导的英国科学家小组在对哈勃拍摄的照片研究后得出了上述令人吃惊的结论。目前，安德鲁-邦克博士要求美国宇航局继续利用“哈勃”望远镜并对其进行升级来进行更深入的研究，以便于解开上述这些迷惑。

　　根据许多科学家数十年来一贯支持的大爆炸理论，我们的宇宙大约诞生于140亿年前。按照该理论的解释，宇宙形成于140亿年前一个体积极小且密度极大的物质的爆炸，爆炸发生后喷发出物质微粒和能量，也正是从那时起才开始产生了时间和空间、质量和能量。在大爆炸发生前，既没有物质，也没有能量，当然也没有生命。

　　近年来，大爆炸理论已经不止一次地遭受科学家们的种种怀疑。

太阳系的形成

　　太阳系是由受太阳引力约束的天体组成的系统，它的最大范围可延伸到约1光年以外。太阳系的主要成员有：太阳（恒星）、八大行星（包括地球）、无数小行星、众多卫星（包括月亮），还有彗星、流星体以及大量尘埃物质和稀薄的气态物质.在太阳系中，太阳的质量占太阳系的99.8%，其它天体的总和不到太阳系的0.2%。太阳是太阳系的中心天体，它的引力控制着整个太阳系，使其它天体绕太阳公转，太阳系中的八大行星（水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星）都在接近同一平面的近圆轨道上，朝同一方向绕太阳公转（金星例外）。宇宙有起源也会有消亡，科学家预计，若干亿年后，宇宙会急剧收缩，以至于回到大爆炸以前的相貌。

　　宇宙变冷

　　宇宙会在逐渐的变冷。

          平行宇宙

    平行宇宙（Multiverse、Parallel universes），或者叫多重宇宙论，指的是一种在物理学里尚未被证实的理论，根据这种理论，在我们的宇宙之外，很可能还存在着其他的宇宙，而这些宇宙是宇宙的可能状态的一种反应，这些宇宙可能其基本物理常数和我们所认知的宇宙相同，也可能不同。

　　平行宇宙经常被用以说明：一个事件不同的过程或一个不同的决定的后续发展是存在于不同的平行宇宙中的；这个理论也常被用于解释其他的一些诡论，像关于时间旅行的一些诡论，像「一颗球落入时光隧道，回到了过去撞上了自己因而使得自己无法进入时光隧道」，解决此诡论除了假设时间旅行是不可能的以外，另外也可以以平行宇宙做解释，根据平行宇宙理论的解释：这颗球撞上自己和没有撞上自己是两个不同的平行宇宙，如此云云等

　　在近代这个理论已经激起了大量科学、哲学和神学的问题，而科幻小说亦喜欢将平行宇宙的概念用于其中

　　物理学里的平行宇宙

　　平行宇宙的分类

　　在2003年的科学人杂志里，有一篇由美国宇宙学家Max Tegmark写的关于平行宇宙的专文，在文中他将平行宇宙分成四类：

　　第一类：这类的宇宙和我们宇宙的物理常数相同，但是粒子的排列法不同，同时这类的宇宙也可视为存在于已知的宇宙(可观测宇宙)之外的地方

　　第二类：这类的宇宙的物理定律大致和我们宇宙相同，但是基本物理常数不同

　　第三类：根据量子理论，一件事件发生之后可以产生不同的后果，而所有可能的后果都会形成一个宇宙，而此类宇宙可归属于第一类或第二类的平行宇宙，因为这类宇宙所遵守的基本物理定律依然和我们所认知的宇宙相同(以上「一颗球落入时光隧道，回到了过去撞上了自己因而使得自己无法进入时光隧道」诡论的平行宇宙解决办法属于此种)

　　第四类：这类的宇宙最基础的物理定律不同于我们宇宙，而基本上到第四类为止，就可以解释所有可能存在(也就是可想象得到的)的宇宙，一般而言这些宇宙的物理定律可以用M理论构造出来

平行宇宙简介

　　是否有另一个你正在阅读和本文完全一样的一篇文章？那个家伙并非你自己，却生活在一个有着云雾缭绕的高山、一望无际的原野、喧嚣嘈杂的城市，和其它7颗行星一同围绕一颗恒星旋转，并且也叫做“地球”的行星上？他（她）一生的经历和你每秒钟都相同。然而也许她此刻正准备放下这篇文章而你却打算看下去。

　　这种“分身”的想法听起来奇怪而又难以置信，但似乎我们不得不接受它，因为它已为各种天文观测的结果所支持。如今最流行同时也最简单的宇宙模型指出，离我们大约10^(10^28)米外之处存在一个和我们的银河一模一样的星系，而那其中正有个一模一样的你。虽然这距离大得超乎人们的想象，却毫不影响你的“分身”存在的真实性。该想法最初起源于很简单的“自然可能性”而非现代物理所假设：宇宙在尺寸上无限大（或者至少足够大），并且象天文观测指出的那样－－均匀的分布着物质。既然如此，按照统计学规律便可以断定，所有的事件（无论多么相似或者相同）都会发生无数次：会有无数个孕育人类的星球，它们之中会有和你一摸一样的人－－一模一样的长相、名字、记忆甚至和你一模一样的动作、选择－－这样的人还不止一个，确切的说，是无穷多个。

　　最新的宇宙学观测表明，平行宇宙的概念并非一种比喻。空间似乎是无限的。如果真是这样，一切可能会发生的事情必然会发生，不管这些事有多荒唐。在比我们天文观测能企及范围远得多的地方，有和我们一模一样的宇宙。天文学家甚至计算出它们距地球的平均距离。

　　你很可能永远见不到你的“影子”们。你能观测到的最远距离也就是自大爆炸以来光所行进的最远距离：大约140亿光年，即4X10^26米－－定义了我们可观测视界的大小，或者简单地说，宇宙的大小，又叫做哈勃体积。同样的，另一个你所在的宇宙也是个同样大小的球体。以上便是对“平行宇宙”最直观的解释。每个宇宙都是更大的“多重宇宙”的一小部分。

　　圣经中所罗门的言论:

　　《传道书》 1：9 已有的事，后必再有。已行的事，后必再行。日光之下并无新事。

　　《传道书》 1：10 岂有一件事人能指着说，这是新的。那知，在我们以前的世代，早已有了。

　　《传道书》 1：11 已过的世代，无人记念，将来的世代，后来的人也不记念。

　　《传道书》 3：14 我知道神一切所作的，都必永存，无所增添，无所减少。神这样行，是要人在他面前存敬畏的心。

　　《传道书》 3：15 现今的事早先就有了。将来的事早已也有了。并且神使已过的事重新再来。（或作并且神再寻回已过的事）　《传道书》 9：16 我就说，智慧胜过勇力。然而那贫穷人的智慧，被人藐视，他的话也无人听从。

　　希腊神话传说中的类似言论

　　天空中的大部分行星在2500万年后,都会回到自己初始的轨道,宇宙是公正的,它给所有人的机会都是一样的----2500万年!2500万后,我们将再次经历我们现在所经历的一切,遇见我们所遇见的人......

平行宇宙层次

　　对“宇宙”的如此定义，人们也许会认为这只是种形而上学的方式罢了。然则物理学和形而上学的区别在于该理论是否能通过实验来测试，而不是它看起来是否怪异或者包含难以察觉的东西。多年来，物理学前沿不断扩张，吸收融合了许多抽象的（甚至一度是形而上学的）概念，比如球形的地球、看不见的电磁场、时间在高速下流动减慢、量子重叠、空间弯曲、黑洞等等。近几年来“多重宇宙”的概念也加入了上面的名单，与先前一些经过检验的理论，如相对论和量子力学配合起来，并且至少达到了一个经验主义科学理论的基本标准：作出预言。当然作出的论断也可能是错误的。科学家们迄今讨论过多达4种类型独立的平行宇宙。现在关键的已不是多重宇宙是否存在的问题了，而是它们到底有多少个层次。

　　第一层次：视界之外

　　所有的平行宇宙组成第一层多重宇宙。－－这是争论最少的一层。所有人都接受这样一个事实：虽然我们此时此刻看不见另一个自己，但换一个地方或者简单地在原地等上足够长的时间以后就能观察到了。就像观察海平面以外驶来的船只－－观察视界之外物体的情形与此类似。随着光的飞行，可观察的宇宙半径每年都扩大一光年，因此只需要坐在那里等着瞧。当然，你多半等不到另一个宇宙的另一个你发出的光线传到这里那天，但从理论上讲，如果宇宙扩张的理论站得住脚的话，你的后代就有可能用超级望远镜看到它们。

　　怎么样，第一层多重宇宙的概念听起来平平无奇？空间不都是无限的么？谁能想象某处插着块牌子，上书“空间到此结束，当心下面的沟”？如果是这样，每个人都会本能的置疑：尽头的“外面”是什么？实际上，爱因斯坦的重力场理论偏偏把我们的直觉变成了问题。空间有可能不是无限，只要它具有某种程度的弯曲或者并非我们直觉中的拓扑结构（即具有相互联络的结构）。

　　一个球形、炸面圈形或者圆号形的宇宙都可能大小有限，却无边界。对宇宙微波背景辐射的观测可以用来测定这些假设。【见另一篇文章《宇宙是有限的吗？》by Jean-Pierre Luminet, Glenn D. Starkman and Jeffrey R. Weeks； Scientific American, April 1999】然而，迄今为止的观察结果似乎背逆了它们。无尽宇宙的模型才和观测数据符合，外带强烈的限制条件。

　　另一种可能是：空间本身无限，但所有物质被限制在我们周围一个有限区域内－－曾经流行的“岛状宇宙”模型。该模型不同之处在于，在大尺度下物质分布会呈现分形图案，而且会不断耗散殆尽。这种情形下，第一层多重宇宙里的几乎每个宇宙最终都将变得空空如也，陷入死寂。但是近期关于三维银河分布与微波背景的观测指出物质的组织方式在大尺度上呈现出某种模糊的均匀，在大于10^24米的尺度上便观测不到清晰的细节了。假定这种模式延伸下去，我们可观测宇宙以外的空间也将充满行星、恒星和星系。

　　有资料支持空间延伸于可观测宇宙之外的理论。WMAP卫星最近测量了微波背景辐射的波动(左图)。最强烈的振幅超过了0.5开，暗示着空间非常之大，甚至可能无穷(中图)。另外，WMAP和2dF星系红移探测器发现在非常大的尺度下，空间均匀分布着物质

　　生活在第一层多重宇宙不同平行宇宙中的观察者们将察觉到与我们相同的物理定律，但初始条件有所不同。根据当前理论，大爆炸早期的一瞬间物质按一定的随机度被抛出，此过程包含了物质分布的一切可能性，每种可能性都不为0。宇宙学家们假定我们所在的当初有着近似均匀物质分布和初始波动状态（100，000可能性中的一种）的宇宙，是一个相当典型的（至少在所有产生了观察者的平行宇宙中很典型）个体。那么距你最近的和你一模一样那个人将远在10^(10^28)米之外；而在10^(10^92)米外才会有一个半径100光年的区域，它里面的一切与我们居住的空间丝毫不差，也就是说未来100年内我们世界所发生的每件事都会在该区域完全再现；而至少10^(10^118)米之外该区域才会增大到哈勃体积那么大，换句话说才会有一个和我们一模一样的宇宙。

　　上面的估计还算极端保守的，它仅仅穷举了一个温度在10^8开以下、大小为一个哈勃体积的空间的所有量子状态。其中一个计算步骤是这样：在那温度下一个哈勃体积的空间最多能容纳多少质子？答案是10^118个。每个质子可能存在，也可能不存在，也就是总共2^(10^118)个可能的状态。现在只需要一个能装下2^(10^118)个哈勃空间的盒子便用光所有可能性。如果盒子更大些－－比如边长10^(10^118)米的盒子－－根据抽屉原理，质子的排列方式必然会重复。当然，宇宙不只有质子，也不止两种量子状态，但可用与此类似的方法估算出宇宙所能容纳的信息总量。

　　与我们宇宙一模一样的另一个宇宙的平均距离，距你最近那个“分身”没准并不象理论计算的那么远，也许要近得多。因为物质的组织方式还要受其他物理规律制约。给定一些诸如行星的形成过程、化学方程式等规律，天文学家们怀疑仅在我们的哈勃体积内就存在至少10^20个有人类居住的行星；其中一些可能和地球十分相像。

　　第一层多重宇宙的框架通常被用来评估现代宇宙学的理论，虽然该过程很少被清晰地表达。举例来说，考察我们的宇宙学家如何通过微波背景来试图得出“球形空间”的宇宙几何图。随着空间曲率半径的不同，那些“热区域”和“冷区域”在宇宙微波背景图上的大小会呈现某种特征；而观测到的区域表明曲率太小不足以形成球形的封闭空间。然而，保持统计学上的严格是非常重要的事。每个哈勃空间的这些区域的平均大小完全是随机的。因此有可能是宇宙在愚弄我们－－并非空间曲率不足以形成封闭球形使得观测到的区域偏小，而恰巧因为我们宇宙的平均区域天生就比别的来的小。所以当宇宙学家们信誓旦旦保证他们的球状空间模型有99.9%可信度的时候，他们的真正意思是我们那个宇宙是如此地不合群，以至1000个哈勃体积之中才会出一个象那样的。

　　这堂课的重点是：即使我们没法观测其他宇宙，多重宇宙理论依然可以被实践验证。关键在于预言第一层多重宇宙中各个平行宇宙的共性并指出其概率分布－－也就是数学家所谓的“度量”。我们的宇宙应当是那些“出现可能性最大的宇宙”中的一个。否则－－我们很不幸地生活在一个不大可能的宇宙中－－那么先前假设的理论就有大麻烦了。如我们接下来要讨论的那样，如何解决这度量上的问题将会变得相当有挑战性。

　　第二层次：膨胀后留下的气泡

　　如果第一层多重宇宙的概念不太好消化，那么试着想象下一个拥有无穷组第一层多重宇宙的结构：组与组之间相互独立，甚至有着互不相同的时空维度和物理常量。这些组构成了第二层多重宇宙－－被称为“无序的持续膨胀”的现代理论预言了它们。

　　“膨胀”作为大爆炸理论的必然延伸，与该理论的许多其他推论联系紧密。比如我们的宇宙为何如此之大而又如此的规整，光滑和平坦？答案是“空间经历了一个快速的拉伸过程”，它不仅能解释上面的问题，还能阐释宇宙的许多其他属性。【见《膨胀的宇宙》 by Alan H. Guth and Paul J. Steinhard； Scientific American, May 1984； 《自我繁殖的膨胀宇宙》 by Andrei Linde, November 1994 】“膨胀”理论不仅为基本粒子的许多理论所语言，而且被许多观测证实。“无序的持续”指的是在最大尺度上的行为。作为一个整体的空间正在被拉伸并将永远持续下去。然而某些特定区域却停止拉神，由此产生了独立的“气泡”，好像膨胀的烤面包内部的气泡一样。这种气泡有无数个。它们每个都是第一层多重宇宙：在尺寸上无限而且充满因能量场涨落而析出的物质。

　　对地球来说，另一个气泡在无限遥远之外，远到即使你以光速前进也永远无法到达。因为地球和“另一个气泡”之间的那片空间拉伸的速度远比你行进的速度快。如果另一个气泡中存在另一个你，即便你的后代也永远别想观察到他。基于同样的原因，即空间在加速扩张，观察结果令人沮丧的指出：即便是第一层多重空间中的另一个自己也将看不到了。

　　第二层多重宇宙与第一层的区别非常之大。各个气泡之间不仅初始条件不同，在表观面貌上也有天壤之别。当今物理学主流观点认为诸如时空的维度、基本粒子的特性还有许许多多所谓的物理常量并非基本物理规律的一部分，而仅是一种被称作“对称性破坏”过程的结果而已。举例言之，理论物理学家认为我们的宇宙曾一度由9个相互平等的维度组成。在宇宙早期历史中，只有其中3个维度参与空间拉神，形成我们现在观察到的三维宇宙。其余6个维度现在观察不到了，因为它们被卷曲在非常微小的尺度中，而且所有的物质都分布在这三个充分拉伸过的维度“表面”上（对9维来说，三维就是一个面而已，或者叫一层“膜”）。

　　我们生活在3+1维时空之中，对此我们并不特别意外。当描述自然的偏微分方程是椭圆或者超双曲线方程时，也就是空间或者时间其中之一是0维或同时多维，对观测者来说，宇宙不可能预测(紫色和绿色部分)。其余情况下(双曲线方程)，若n>3，原子无法稳定存在，n<3，复杂度太低以至于无法产生自我意识的观测者(没有引力，拓扑结构也成问题)。

　　由此，我们称空间的对称性被破坏了。量子波的不确定性会导致不同的气泡在膨胀过程中以不同的方式破坏平衡。而结果将会千奇百怪。其中一些可能伸展成4维空间；另一些可能只形成两代夸克而不是我们熟知的三代；还有些它们的宇宙基本物理常数可能比我们的宇宙大。

　　产生第二层多重宇宙的另一条路是经历宇宙从创生到毁灭的完整周期。科学史上，该理论由一位叫Richard C的物理学家于二十世纪30年代提出，最近普林斯顿大学的Paul J. Steinhardt和剑桥大学的Neil Turok两位科学家对此作了详尽阐述。Steinhardt和Turok 提出了一个“次级三维膜”的模型，它与我们的空间相当接近，只是在更高维度上有一些平移。【see ‘Been There, Done That,‘ by George Musser； News Scan, Scientific American, March 2002】该平行宇宙并非真正意义上的独立宇宙，但宇宙作为一个整体－－过去、现在和未来－－却形成了多重宇宙，并且可以证明它包含的多样性恰似无序膨胀宇宙所包含的。此外，沃特卢的物理学家Lee Smolin还提出了另一种与第二层多重宇宙有着相似多样性的理论，该理论中宇宙通过黑洞创生和变异而非通过膜物理学。

　　尽管我们没法与其他第二层多重宇宙之中的事物相互作用，宇宙学家仍能间接地指出它们的存在。因为他们的存在可以用来很好地解释我们宇宙的偶然性。做一个类比：设想你走进一座旅馆，发现了一个房间门牌号码是1967，正是你出生那年。多么巧合呀，在那瞬间你惊叹到。不过你随即反应过来，这完全不算什么巧合。整个旅馆有成百上千的房间，其中有一个和你生日相同很正常。然而你若看见的是另一个与你毫无干系的数字，便不会引发上面的思考。这说明什么问题呢？即便对旅馆一无所知，你也可以用上面的方法来解释很多偶然现象。

　　让我们举个更切题的例子：考察太阳的质量。太阳的质量决定它的光度（即辐射的总量）。通过基本物理运算我们可知只有当太阳的质量在1.6X10^30～2.4X10^30千克这么个狭窄范围内，地球才可能适合生命居住。否则地球将比金星还热，或者比火星还冷。而太阳的质量正好是2.0X10^30千克。乍看之下，太阳质量是种惊人的幸运与巧合。绝大多数恒星的质量随机分布于10^29～10^32千克的巨大范围内，因此若太阳出生时也随机决定质量的话，落在合适范围的机会将微乎其微。然而有了旅馆的经验，我们便明白这种表面的偶然实为大系统中（在这个例子里是许多太阳系）的必然选择结果（因为我们在这里，所以太阳的质量不得不如此）。这种与观测者密切相关的选择称为“人择原理”。虽然可想而知它引发过多么大的争论，物理学家们还是广泛接收了这一事实：验证基础理论的时候无法忽略这种选择效应。

　　适用于旅馆房间的原理同样适用于平行宇宙。有趣的是：我们的宇宙在对称性被打破的时候，所有的（至少绝大部分）属性都被“调整”得恰到好处，如果对这些属性作哪怕极其微小的改变，整个宇宙就会面目全非－－没有任何生物可以存在于其中。如果质子的质量增加0.2%，它们立即衰变成中子，原子也就无法稳定的存在。如果电磁力减小4%，便不会有氢，也就不会有恒星。如果弱相互作用再弱一些，氢同样无法形成；相反如果它们更强些，那些超新星将无法向星际散播重元素离子。如果宇宙的常数更大一些，它将在形成星系之前就把自己炸得四分五裂。

　　虽然“宇宙到底被调节得多好”尚无定论，但上面举的每一个例子都暗示着存在许许多多包含每一种可能的调节状态的平行宇宙。【see ‘Exploring Our Universe and Others,‘ by Martin Rees； Scientific American, December 1999】第二层多重宇宙预示着物理学家们不可能测定那些常数的理论值。他们只能计算出期望值的概率分布，在选择效应纳入考虑之后。

　　第三层次：量子平行世界

　　第一层和第二层多重宇宙预示的平行世界相隔如此之遥远，超出了天文学家企及的范围。但下一层多重宇宙却就在你我身边。它直接源于著名的、备受争议的量子力学解释－－任何随机量子过程都导致宇宙分裂成多个，每种可能性一个。

　　量子平行宇宙。当你掷骰子，它看起会随机得到一个特定的结果。然而量子力学指出，那一瞬间你实际上掷出了每一个状态，骰子在不同的宇宙中停在不同的点数。其中一个宇宙里，你掷出了1，另一个宇宙里你掷出了2……。然而我们仅能看到全部真实的一小部分－－其中一个宇宙。

　　20世纪早些年，量子力学理论在解释原子层面现象方面的成功掀起了物理学革命。在原子领域下，物质运动不再遵守经典的牛顿力学规律。在量子理论解释它们取得瞩目成功的同时却引发了爆炸性激烈的争论。它到底意味着什么？量子理论指出宇宙并不像经典理论描述的那样，决定宇宙状态的是所有粒子的位置和速度，而是一种叫作波函数的数学对象。根据薛定鄂方程，该状态按照数学家称之为“统一性”的方式随时间演化，意味着波函数在一个被称为“希尔伯特空间”的无穷维度空间中演化。尽管多数时候量子力学被描述成随机和不确定，波函数本身的演化方式却是完全确定，没有丝毫随机性可言的。

　　关键问题是如何将波函数与我们观测到的东西联系起来。许多合理的波函数都导致看似荒谬不合逻辑的状态，比如那只在所谓的量子叠加下同时处于死和活两种状态的猫。为了解释这种怪异情形，在20实际20年代，物理学家们做了一种假设：当有人试图观察时，波函数立即“坍塌”成经典理论中的某种确定状态。这个附加假设能够解决观测发现的问题，然而却把原本优雅和谐统一的理论变得七拼八凑，失去统一性。随机性的本质通常归咎于量子力学本身就是这些不顺眼假设的结果。

　　许多年过去了，物理学家们逐渐抛弃了这种假设，转而开始接受普林斯顿大学毕业生Hugh Everett在1957年提出的一种观点。他指出“波函数坍塌”的假设完全是多余的。纯粹的量子理论实际上并不产生任何矛盾。它预示着这样一种情形：一个现实状态会逐渐分裂成许多重叠的现实状态，观测者在分裂过程中的主观体验仅仅是经历完成了一个可能性恰好等于以前“波函数坍塌假设结果”的轻微的随机事件。这种重叠的传统世界就是第三层多重宇宙。

　　四十多年来，物理界为是否接受Everett的平行世界犹豫不决，数度反复。但如果我们将之区分成不同视点分别来看待，就会更容易理解。研究它数学方程的物理学家们站在外部的视点，好像飞在空中的鸟审视地面；而生活在方程所描述世界里的观测者则站在内部的视点，就好比被鸟俯瞰的一只青蛙。

　　在鸟看来，整个第三层多重宇宙非常简单。只用一个平滑演化的、确定的波函数就能就能描绘它而不引发任何分裂或平行。被这个演化的波函数描绘的抽象量子世界内部却包含了大量平行的经典世界。它们一刻不停的分裂、合并，如同经典理论无法描述的一堆量子现象。在青蛙看来，观察者感知的只有全部真相的一小部分。它们能观测到自己所在那个第一层宇宙，但是一种模仿波函数坍塌效果而又保留统一性、被称为“去相干”的作用却阻碍他们观测到与之平行的其他宇宙。

　　每当观测者被问及一个问题、做一个决定或是回答一个问题，他大脑里的量子作用就导致复合的结果，诸如“继续读这篇文章”和“放弃阅读本文”。在鸟看来，“作出决定”这个行为导致该人分裂成两个，一个继续读文章而另一个做别的去了。而在青蛙看来，该人的两个分身都没有意识到彼此的存在，它们对刚才分裂的感知仅仅是经历了个轻微的随机事件。他们只知道“自己”做了什么决定，而不知道同时还有一个“他”做了不同的决定。

　　尽管听起来很奇怪，这种事情同样发生在前面讲过的第一层多重宇宙中。显然，你刚作出了“继续阅读本文”的决定，然而在很远很远的另一个银河系中的另一个你在读过第一段之后就放下了杂志。第一层宇宙和第三层宇宙唯一的区别就是“另一个你”身处何处。第一层宇宙中，他位于距你很远之处－－通常维度空间概念上的“远”。第三层宇宙中，你的分身住在另一个量子分支中，被一个维度无限的希尔伯特空间分隔开来。

　　第三层多重宇宙的存在基于一个至关重要的假设：波函数随时间演化的统一。所幸迄今为止的实验都不曾与统一性假设背离。在过去几十年里我们在各种更大的系统中证实了统一性的存在：包括碳-60布基球和长达数公里的光纤中。理论反面，统一性也被“去相干”作用的发现所支持。【see ‘100 Years of Quantum Mysteries,‘ by Max Tegmark and John Archibald Wheeler； Scientific American, February 2001】只有一些量子引力方面的理论物理学家对统一性提出置疑，其中一个观点是蒸发中的黑洞有可能破坏统一性，应该是个非统一性过程。但最近一项被叫做“AdS/CFT一致”的弦理论方面的研究成果暗示：量子引力领域也具有统一性，黑洞并不抹消信息，而是把它们传送到了别处。

　　如果物理学是统一的，那么大爆炸早期量子波动是如何运作的那幅标准图画将不得不改写。它们并非随机产生某个初始条件，而是产生重叠在一起的所有可能的初始条件，同时存在。然后，“去相干”作用保证它们在各自的量子分支里像传统理论那样演化下去。这就是关键之处：一个哈勃体积内不同量子分支（即第三层多重宇宙）演化出的分布结果与不同哈勃体积内同一个量子分支（即第一层多重宇宙）演化出的分布结果是毫无区别的。量子波动的该性质在统计力学中被称为“遍历性”。

　　同样的原理也可以适用在第二层多重宇宙。破坏对称性的过程并不只产生一个独一无二的结果，而是所有可能结果的叠加。这些结果之后按自己的方向发展。因此如果在第三层多重宇宙的量子分支中物理常数、时空维度等各不相同的话，那些第二层平行宇宙同样也将各不相同。

　　换句话说，第三层多重宇宙并没有在第一层和第二层上增加任何新东西，只是它们更加难以区分的复制品罢了－－同样的老故事在不同量子分支的平行宇宙间一遍遍上演。对Everett理论一度激烈的怀疑便在大家发现它和其他争议较少的理论实质相同之后销声匿迹了。

　　毫无疑问，这种联系是相当深层次的，物理学家们的研究也才处于刚刚起步阶段。例如，考察那个长久以来的问题：随着时间流逝，宇宙的数目会以指数方式暴涨吗？答案是令人惊讶的“不”。在鸟看来，全部世界就是由单个波函数描述的东西；在青蛙看来，宇宙个数不会超过特定时刻所有可区别状态的总数－－也即是包含不同状态的哈勃体积的总数。诸如行星运动到新位置、和某人结婚或是别的什么，这些都是新状态。在10^8开温度以下，这些量子状态的总数大约是10^(10^118)个，即最多这么多个平行宇宙。这是个庞大的数目，却很有限。

　　从青蛙的视点看，波函数的演化相当于从这10^(10^118)个宇宙中的一个跳到另一个。现在你正处在宇宙A－－此时此刻你正在读这句话的宇宙里。现在你跳到宇宙B－－你正在阅读另一句话那个宇宙里。宇宙B存在一个与宇宙A一摸一样的观测者，仅多了几秒中额外记忆。全部可能状态存在于每一个瞬间。因此“时间流逝”很可能就是这些状态之间的转换过程－－最初在Greg Egan在1994所著的科幻小说[Permutation City]中提出的想法，而后被牛津大学的物理学家David Deutsch和自由物理学家Julian Barbour等人发展开来。

　　第四层次：其他数学界构

　　虽然在第一、第二和第三层多重宇宙中初始条件、物理常数可能各不相同，但支配自然的基础法则是相同的。为什么要到此为止？为何不让这些基础法则也多样化？来个只遵守经典物理定律，让量子效应见鬼去的宇宙如何？想象一个时间像计算机一样一段一段离散地流逝，而非现在那样连续地流逝的宇宙？再想象一个简单的空心十二面体宇宙？在第四层多重宇宙里，所有这些形态都存在。

　　平行宇宙的终极分类，第四层。包含了所有可能的宇宙。宇宙之间的差异不仅在表现物理位置、属性或者量子状态，还可能是基本物理规律。它们在理论上几乎就是不能被观测的，我们能做的只有抽象思考。该模型解决了物理学中的很多基础问题。

　　为什么说上述的多重宇宙并非无稽之谈？理由之一就是抽象推理和实际观测结果间存在着密不可分的联系。数学方程式，或者更一般地，数字、矢量、几何图形等数学结构能以难以置信的逼真程度描述我们的宇宙。1959年的一次著名讲座上，物理学家Eugene P. Wigner阐述了“为何数学对自然科学的帮助大得神乎其神？”反言之，数学对它们（自然科学）有着可怕的真实感。数学结构能成为基于客观事实的主要标准：不管谁学到的都是完全一样的东西。如果一个数学定理成立的话，不管一个人，一台计算机还是一只高智力的海豚都同样认为它成立。即便外星文明也会发现和我们一摸一样的数学界构。从而，数学家们向来认为是他们“发现”了某种数学结构，而不是“发明”了它。

　　关于如何理解数学与物理之间的关系，有两个长存已久并且完全对立的模型。两种分歧的形成要追溯到柏拉图和亚里斯多德。“亚里斯多德”模型认为，物理现实才是世界的本源，而数学工具仅仅是一种有用的、对物理现实的近似。“柏拉图”模型认为，纯粹的数学结构才是真正的“真实”，所有的观测者都只能对之作不完美的感知。换句话说，两种模型的根本分歧是：哪一个才是基础，物理还是数学？或者说站在青蛙视点的观测者，还是站在鸟视点的物理规律？“亚里斯多德”模型倾向于前者，“柏拉图”模型倾向于后者。

　　在我们很小很小，甚至尚未听说过数学这个词以前，我们都先天接受“亚里斯多德”模型。而“柏拉图”模型则来自于后天体验。现代理论物理学家倾向于柏拉图派，他们怀疑为何数学能如此完美的描述宇宙乃是因为宇宙生来就是数学性的。这样，所有的物理都归结于一个根本的数学问题：一个拥有无穷知识与资源的数学家理论上能从鸟视点计算出青蛙的视点－－也就是说，为任何一个有自我意识的观测者计算出他所观测的宇宙有些什么东西、它将发明何种语言来向它的同类描述它看到的一切。

　　宇宙的数学结构是抽象、永恒的实体，独立于时空之外。如果把历史比作一段录像，数学结构不是其中一桢画面，而是整个录像带。试设想一个由四处运动的点状粒子构成的三维世界。在四维时空－－也就是鸟的视点－－看来，世界类似一锅缠绕纠结的意大利面条。如果青蛙观测到一个总是拥有恒定速率，方向的粒子，那么鸟就直接看到它的整个生命周期－－一根长长的、直直的面条。如果青蛙看到两个相互围绕旋转的粒子，鸟就看到两根以双螺旋结构缠在一起的面条。对青蛙来说，整个世界以牛顿运动定律和引力定律为规则运作；而对鸟来说，世界被描绘成“意大利面条几何学”－－一种数学结构。青蛙本人也仅是面条－－一大堆复杂到构成它们的粒子能存储和处理信息的面条。我们的宇宙要比上述例子复杂的多，科学家们还没有找到－－如果有的话－－那个能正确描述它的数学结构。

　　“柏拉图”派模型带来了一个新的问题，为何我们的宇宙是现在这个样子。对“亚里斯多德”派来说，这个问题是没有意义的：因为宇宙的物理本源就是我们观测到的样子。但“柏拉图”派不仅无法回避它，反而会困惑为什么它不能是别的样子。如果宇宙天生是数学性的，为什么它仅仅基于“那一个”数学结构？要知道数学结构是多种多样的。似乎在真实的核心地带有某种最基本的不公平存在。

　　作为解决该难题的一条路径，我认为数学结构有着完全的对称性：基于任何数学结构的宇宙都确实存在。每一个数学结构都有与之相关的平行宇宙。构成这个宇宙的基础并不在该宇宙内而是游离于时间和空间之外。大部分平行宇宙内很可能不存在观测者。这种假说可以看成是本质上的柏拉图主义，它断言柏拉图领域提及的数学结构或是圣荷西州立大学的数学家Rudy Rucker所谓的“精神领域(mindscape)”都存在对应的物理真实。它也类似于剑桥大学的宇宙学家John D. Barrow提到的“天空中的π”，或是哈佛大学的哲学家Robert Nozick提出的“多产性原理”，或是普林斯顿的哲学家David K. Lewis所谓的“形式现实主义”。第四层终于宣告了多重宇宙在层次上的终结，因为任何自相容的物理理论都能表达成某种数学结构。

　　第四层多重宇宙的假设作出了可验证的预言。在第二个层次上，它包含了全体可能（全体数学结构）和选择效应。数学家们还在继续为这些数学结构分门别类，而他们最终应该发现，用来描绘我们世界的那个数学结构将会是所有符合我们观测结果的结构中最简单那个。类似地，我们将来的观测结果将会是那些最简单的、与过去观测结相一致的东西；而过去的观测结果也应该是最简单的、与我们存在相符合的那些。

　　想要定量化这种“简单”是个严峻的考验，与之相关的研究才刚刚起步。但最具震撼性和令人鼓舞的是，对称和恒定的数学结构力图表现出的简明与整洁也正是我们宇宙所展现的。数学结构趋向于越简单越好，那些复杂的附加公理无疑破坏了简洁。

奥卡姆如是说

　　以上便是我们所讨论的平行宇宙理论，它分为由低到高四个层次，与我们熟知宇宙的差异也随层次不同越来越大。这些差异可以来自不同的初始条件（第一层）；不同的物理常数、粒子种类和时空维数（第二层）；不同的物理规律（第四层）。有意思的是，第三层才是最近几十年研究最火热的东西，因为它本质上没有增添任何新的宇宙类型。

　　未来十年内，发展迅猛的对宇宙微波背景和空间大尺度物质分布的测量会进一步确定空间的准确曲率和拓扑结构，其结果将直接支持或驳倒第一层多重宇宙的假说。这些测量结果也会验证“无序持续膨胀”理论，从而间接探测第二层多重宇宙。同时天体物理学与高能物理领域的巨大进展也将进一步阐明到底我们宇宙的哪些物理常数被“调节”过了，以此加强或削弱第二层多重宇宙的可信度。

　　如果当前研制量子计算机的大量努力成功的话，将为第三层平行宇宙提供更加深远的证据。不仅如此，量子计算机的工作是在本质上利用第三层多重宇宙的平行性。大量的试验同时也在寻找违反统一性－－最终决定量子平行宇宙存在于否－－的证据。现代物理学在其面对的最重大挑战－－将广义相对论与量子场论统一起来－－中成功与失败会改变对第四层多重宇宙的看法：最终会找到那个描述我们宇宙的数学结构，抑或是碍于数学的局限性而停止不前，最终放弃第四层次。

四层多重宇宙的关系

　　左上角那N圈蚊香就是无数个第一层平行宇宙，黄色的连线显示着它们包容于一个气泡中，这些气泡构成了第二层多重宇宙（左下）。右下角是所谓的量子平行宇宙（即第三层），中间那只猫就是著名的猫佯谬。猫佯谬是一个假想的用来连结微观量子现象和宏观世界的实验，一个微观粒子在特定场合出现与否取决于波函数的概率。这个箱子就被做成如果粒子出现了，就杀掉猫，否则不杀现在问题来了，根据量子理论，粒子既会出现，又不会出现，是该波函数载空间的弥散。那么猫是死是活呢？物理学家没办法，只好承认猫同时处在死和活两种状态现在第三层平行宇宙理论解决了这个问题宇宙分裂成两个，猫在其中一个里面活着，在另一个里面死了左上角是第四层平行宇宙，亦即和我们的基本物理概念都不同的宇宙图上画的从左到右，从上到下分别是形如曼德勃罗集的宇宙。曼德勃罗集是数学上最美丽的集合，产生规则简单得一句话就能说清楚，图形却比整个已知宇宙复杂得多。

　　第二个是正12面体宇宙

　　第三个有点象洛伦兹轨迹形状

　　下面那个方的叫谢尔宾斯基海绵，是一个体积为0 的立方体，也是分形里面的东东。下面一排左边是一般的平滑空间；马鞍面空间；封闭的球状空间，最后一个是相互连通的怪异拓扑结构的空间，黄线表明量子平行宇宙和第二层多重宇宙是等价的，但可以看到量子平行宇宙只对应第四层的一小部分是因为第四层的基本物理规律都不同了，绝大部分根本没有“量子”这种概念

　　你是否该相信平行宇宙？主要争论集中在：它们很浪费并且很奇怪。最首要的争论是，平行宇宙似乎不遵循“奥卡姆的剃刀”原则，因为它假设永远观测不到的其他宇宙存在。为何老天爷如此浪费并沉醉于这些多到无穷无尽的不同世界？争论充斥平行宇宙的每一个层次，为什么自然界偏偏要如此浪费？空间、物质或原子－－毫无疑问地，仅第一层多重宇宙就已经包含了无限的上述事物，谁在乎它多浪费点呢？关键是让理论显式地变得简单。怀议论者担心要描述所有不可见世界所需的信息量。

　　然而，一个整体集合往往要比集合中的单个元素简单得多。该原理在描述算法的时候很常用。我们知道，一个非常简短的计算机程序程序就能输出异常庞大的信息量。举例而言，考察整数集。哪个更简单些，整数集还是其中某个特定整数？也许你会天真的觉得单个整数简单些，但事实上整个整数集能用非常简单的规则表达出来，寥寥几行计算机程序就能产生它们；相反单个整数却可能难以置信的大。因此，真正简单的是整个集合。

　　同样，爱因斯坦的整套引力场方程要比其中某个特定的要简单。前者只需要很少几个方程就能描述，而后者要求在某些超平面指定大量的初始数据。由此我们学到，当我们把注意力局限在全体元素的一小部分上，复杂性就会大大增加，也就失去了整个系统原本应有的对称性和简洁性。

　　从这种意义上说，更高层次的多重宇宙意味着更简单。为了从我们居住的宇宙走向整个第一层多重宇宙，需要指定许多初始条件来消除彼此的差异；若是升级到第二层，需要指定一些物理常数；到了第四层则完全不用指定任何东西。多余的复杂性完全来自观测者的主观视点－－也就是青蛙的视点。从鸟的视点来讲，多重宇宙要简单的多。

　　而抱怨该理论太奇怪的人出发点多半来自审美上而非科学上。然而这种看法只有在亚里斯多德派中才有意义。我们期待着什么？当我们提出“现实的本源是什么”如此意义深远的问题时，难道我们仅期待一个听起来不那么奇怪的答案？进化赋予我们对日常生活中物理现象的直觉，然而它仅对我们远古的祖先有用。现在，当我们遨游于远超日常物理的世界，我们应当预见到它们也许会很奇怪。

　　四层多重宇宙的共通特色是最简洁与最优雅的理论自然而然地包含着平行宇宙。要否认它们的存在，你必须复杂化你的理论，增加没有观测结果支持的过程和特殊的假定：无限的空间、波函数坍塌和天性不对称。那么，哪个才是真正的浪费和不雅，许多宇宙还是许多规则？也许我们将逐渐习惯宇宙的奇妙而终将发现这种不可思议的奇妙正是它魅力的一部分。

实例解说——时间机器与平行世界

　　什么是平行宇宙？假设你手里拿着一片树叶，全世界独一无二的一片树叶，当然啦，世界上没有两片完全相同的叶子么。能不能换种看法呢：你手里拿着无数片树叶，只不过它们全都一模一样，在时间空间上叠合在一起了，所以你只能看见一片树叶，呵呵，有点诡辩，但也没错吧。甚至连你自己都有无限多个，只不过叠在一起了，在某种特定条件下没准会分一个出来呢。双面维若尼卡？不是啦，分出来的不止你一个人，整个世界那会跟着分出去了，于是有两个互不相干的世界，其中各有一个一模一样的你，只是你们俩永远都不会碰到一起，也就无从知道对方的存在，这就是所谓平行宇宙了。

　　往高深里说，这牵涉到量子物理学，往浅显里说，估计大家小时候闲来没事也想到过这个。官方说法都不尽统一，平行宇宙（parallel universe），平行世界（parallel world），多重宇宙（multiverse），反正你知道是什么意思就行啦。

　　比如迈克福克斯回到过去撮合老爸老妈的婚姻，哗，电光一闪，世界分裂，迈克回去的并不是自己原先的那个世界，而是另外一个一模一样的平行世界，这两个平行世界在迈克回来之前是完全一模一样，重合在一起的，迈克一出现，就桥归桥路归路了。在分出来的这个平行世界里迈克其实爱干嘛就干嘛吧，就算娶了本该当自己老妈的那个女人，也不会造成自己消失的。

　　这么一说时间旅行就讲得通了，回到过去并不能改变现在，而是创造出另外一个新的世界来。就算杀你祖母，杀的也是另一个世界里的祖母。不过这样一来阿诺回去杀琳达就没有道理了，因为就算他得手，也不干现在什么事，只是改变了另一个世界的发展走向。而且这样一来，很多英雄行为就缺乏动机了，难怪好莱坞不喜欢这样的理论。

　　不过有了理论，总会用得着，李连杰不就在《宇宙追缉令》的平行宇宙中来来回回赶了一通么。李连杰的平行宇宙称作"先置平行宇宙"，就是说不管你玩不玩时空挪移，无限多个宇宙原本就存在，有本事你就可以在里面窜来窜去。相对来说还有一种理论就是"后置平行宇宙"，只有你时空旅行，改变了历史，才会有新的平行世界分化出来。说到底也就是个先有鸡还是先有蛋的问题，没什么可多争论的。

　　1、人不可能回到过去，因为发生过的事情怎么可能再出现一次呢？（M支持此看法）有一个叫“祖母悖论”的理论很好的证明了人不可能回到过去。理论是这样讲的：假如一个人回到过去把他的祖母给杀了（在这个人的母亲还没有出生前），就是说他祖母死了，因此来讲这个人的母亲也就没出生，这个人也就不可能再出生。而历史的发展到现在，按理来说这个人是不存在的。而现实中这个人的确是存在的。这两个情况就出现了相互矛盾的情况。从而证明了人是不能回到过去的。（不知道啰嗦了半天，有人明白没）

　　2、人可以回到过去，同时又提出了另一个概念“平行宇宙论”。就是说一个人回到她祖母的时代，从那一时刻开始，宇宙的发展及演化就分成了两个平行的宇宙。第一种情况，他把他的祖母Kill了，在第一个宇宙中的发展是这个人把她的祖母K了，而到现在这个人也就不再存在了；而在另一个宇宙中的发展还是像现在一样，这个人还是存在的。并没有什么事情发生一样。科学家们还讲，空间是由无数这样的平行宇宙组成的。真是不可思议。

　　原作：（美）马克斯·铁马克

　　原载：《科学美国人》 2003.5

　　翻译：focu

相关理论

　　无穷宇宙(开放宇宙)理论

　　开放宇宙理论、开放宇宙

　　无穷宇宙，在宇宙中存在有大量的可观测区(有着红色十字中心的红圈)，我们的「宇宙」不过是其中的一个可观测区而已开放宇宙理论认为，我们目前所知的宇宙只是整个宇宙中可观测的一小部分，在这个部分之外，整个宇宙尚有无限大的未被观测的空间；根据相对论，光速为宇宙最快的速度，我们所看到的部分(可观测宇宙)为已经到达地球的光线，而我们所观测到的范围又被称做哈伯体积，哈伯体积直接取决于宇宙的年龄(因为若宇宙诞生于n年前，则能到达地球的光线最远只能在n光年处，再更远的光线则尚在路途上，故未能被地球上的观测者所观测)，哈伯体积的膨胀是因为有越来越远处的光线到达地球

　　开放宇宙理论说明了第一类平行宇宙的可能性

　　泡沫宇宙理论

　「泡沫宇宙」示意图，宇宙1到宇宙6各自有自己的物理常数，我们的「宇宙」不过是其中的一个「泡沫」而已泡沫宇宙理论认为存在有无限多的开放宇宙，而这些开放宇宙本身有着不同的物理常数，这些开放宇宙的「距离」比我们的开放宇宙的「边缘」还要远，意即这些宇宙存在于无穷远的地方之外。

　　这个理论由安德烈·林德最早提议，而泡沫宇宙理论本身能和膨胀理论在相当程度上契合，因为无人确切地知道膨胀是怎样开始的，所以同一机理总有可能再次发生，即膨胀式的爆炸可能重复发生。即不管是什么机理引起部分宇宙突然膨胀，该机理可能仍然在起作用，也许会意外地引起宇宙其他遥远的区域也发生膨胀。

　　根据这个理论，一小片宇宙可能突然膨胀、“发芽”，萌生一个“女孩”宇宙或“男孩”宇宙，这些宇宙又可能萌生另一个婴宇宙，如此不断进行下去。想象吹一个肥皂泡到空中。如果我们使劲吹，我们看到有些肥皂泡分成两半，产生新的肥皂泡。宇宙可能会以相同的方式不断产生新的宇宙。如果这是真的，我们可能生活在这样一个宇宙的海洋上，每个宇宙像一个漂浮在其他肥皂泡的海洋上的一个肥皂泡。事实上，比“宇宙”更确切的词应该是“多元宇宙”或“巨型宇宙”。

　　　林德（Linde）将这一理论叫做永恒的、自我再生的膨胀，或“无次序的膨胀”，因为他预想的是一个绝无终止的平行宇宙连续膨胀的过程。首次提出膨胀理论的艾伦·古思（Alan Guth）说：“膨胀理论几乎是强迫我们接受多元宇宙的思想。”

　　　这一理论也意味着，我们的宇宙可能在某个时候萌生了它自己的一个婴宇宙。也许我们自己的宇宙也是从更古老、更早期的宇宙萌生出来的。

　　　马丁·里斯（Martin Rees）是大英帝国皇家学院的天文学家，他说：“我们通常所说的‘宇宙’可能只是全体成员中的一员。可能存在不计其数的规律不同的其他宇宙。我们所在的宇宙属于与众不同的子集，在这个宇宙中允许复杂的事物和意识得以发展。”

　　　越来越多的理论证据支持多元宇宙的存在，在多元宇宙中，整个宇宙不断萌生其他的宇宙。如果这是真的，它将统一两种重大的宗教神学，“创始”和“涅盘”。在无始无终的“涅盘”的织构中“创始”不断发生。

　　　所有这些关于多元宇宙主题的研究活动让人们开始思索，这些其他的宇宙看起来会是什么样子？是不是也有生命？是不是最终有可能与他们取得联系？加利福尼亚工学院、麻省理工学院、普林斯顿大学和其他研究中心的科学家已经进行了计算，以确定进入平行宇宙是不是符合物理学的规律。

　　大反弹理论

　　大反弹理论、振荡宇宙

　　根据回圈量子重力理论，大霹雳可能只不过是宇宙的膨胀和收缩时期组成的周期中，一个新的膨胀时期的开始而已，每个周周期开始于大霹雳、结束于大挤压(Big Crunch)，而这个周期的轮回是无限的，这个模型被称为是振荡宇宙，在大霹雳之后宇宙膨胀，而之后在重力的作用之下宇宙开始收缩，然后接着是大挤压，在大挤压之后的下一次大霹雳被称为大反弹，虽然这个模型曾经一度被否决，但是膜宇宙论近年来已重拾此模型(振荡宇宙模型)

　　在每个周期中宇宙可能会有不同的宇宙常数，而因此这些不同周期时的宇宙可视为第二种平行宇宙

　　泡沫宇宙理论和大反弹理论使得第二种平行宇宙的存在成为可能

　　量子力学的多世界解释

　　主条目：量子力学的多世界解释

　　量子力学的多世界解释是一种主要的量子力学解释，在由此解释方式中的众平行宇宙共有一个关于时间的变数，而这些平行宇宙彼此之间有著相同的起源，而这些宇宙彼此之间的基本物理定律相同，但物理常数可能会有所不同，而它们亦可能处于不同的状态，而且这些宇宙彼此之间没有任何的联系，因此它们彼此之间没有任何讯息互通，这些宇宙彼此之间的关系由它们之间的叠加态决定

　　此理论为第三类平行宇宙的基础

　　M理论

　　根据M理论，我们的宇宙很可能是产生于11维薄膜的碰撞当中，基本上由此产生的宇宙可以和量子力学的多世界解释里所说的宇宙极为不同的宇宙

　　由M理论可推出第四种平行宇宙的存在

　　弦论「地景」

　　根据IIB型(Type IIB)的弦论，从十维弦论的世界到我们所知的四维世界有极多种的变换方式，而不同的变换方式会产生相当不同的宇宙

问题与批评

　　有些人认为平行宇宙理论缺乏对经验主义的关联性以及可测性，同时缺乏物理学上的证据和可否定性，因为这个理论以目前的科学方法无法证实或否定，而且这些理论目前而言太过形而上学且只是在数学结构上有可能而已；不过Max Tegmark注意到了对宇宙微波背景辐射和宇宙物质大规模分布的测量的改进可能会否定或实证其中两种的平行宇宙存在的可能性，并进而能证实或否定开放宇宙理论和混乱暴涨理论，意即平行宇宙理论最少在某种程度上是可测的

　　一些人认为科学家的职责就是要在不涉及观察者的状况下对已观测的现象提出基本的解释。回归到人择原理在解释会建构出所谓的「懒惰出口」，而这些解释的种类包括了「很明显地为生命的存在微调过的宇宙参数」等等；不过李奥纳特·苏士侃宣称：某些形式的平行宇宙是无可避免的，在给出对现有宇宙状态的解释时，观测者效应是无法避免的而且得在其他的科学中获得解决

　　一些人认为，平行宇宙理论会被奥卡姆剃刀给排除，因为假设一些我们无法观测且无法看见的宇宙来解决我们所看见的，就像是带着额外的行李走到尽头一般；不过对此Max Tegmark答曰：「这四种平行宇宙的一个共同特征就是：预设平行宇宙的存在模型是最简单且最优雅的模型。如果一个人要否决这些多重宇宙的存在，他需要在实验上地对多重宇宙论的不支持，并且要加入以下的假定：有限空间、波函数崩溃和本体上的不对称是正确的，而这些过程会复杂化整个理论。因此我们的对于谁比较不优雅且较为浪费的裁决就变成了以下两者：多重宇宙或者是大量的文辞」    有时有些人认为我们的宇宙是唯一可能存在的宇宙，因此讨论这些「其他的宇宙」是很明显地无意义的。爱因斯坦在思考其他种类的宇宙存在的可能性时，就提出了这个问题，关于宇宙结构是否只有一种可能的问题的解答的希望被认为在于理论上可统一全部物理理论的万物理论当中。

　　对于平行宇宙的观测证据的支援被认为来自于人择原理：「我们所观测到的宇宙对生命是友善的，要不然就不会被观测到。虽然这似乎是老调重弹，但是当生物体对物理法则和宇宙状况的敏感性、被考虑时，整个宇宙就是一个明显的证据；在另一方面，许多关键的物理常数似乎不会对于生物体造成严重的不适」；其他对于微调论证的批评是：就我们所知，在我们所知的物理常数之下可能还有更多的基本物理法则，而这些法则背后可能会有更多的参数存在，因此，给出这些定律，这些已知的物理常数未必落在生命许可的生存范围之内

　　多重宇宙支持者经常对于常数如何从已定义的整体中选取感到茫然。假设存在个「定律中的定律」或者基本定律描述说常数如果被从一个宇宙到下一个宇宙中指定，那么我们不过只是将宇宙学的问题给往上移了一个等级而已，因为我们必须解释这个基本定律从何而来。另外，这个基本法则是无穷大的，因此我不过是把问题从「为什么是这个宇宙」给置换成了「为什么是这个基本法则」。在援引平行宇宙论时这似乎是一个要点，尤其当假定只存在一个宇宙和一个原理会更简易时更是如此；但在Max Tegmark的平行宇宙理论里，这个问题是被避开的，因为在那种状况当中，所有可能的基本理论被实行的，而且被用以描述真实存在的平行宇宙。

　　对于虚拟宇宙和平行宇宙之间的关系依旧是个问题。多数的科学家已经准备好要接受自觉机器的可能性，而有些人工智慧学者甚至于已经说我们快要能制造自觉电脑了，在距离达让自觉生物住在虚拟世界方面仅剩一步之遥。对于那些生物而言，他们的「假」宇宙和我们的真宇宙可说是无分别的。因此我们应该将这些虚拟宇宙在平行宇宙算在平行宇宙中吗？如果不是的话将我们自身存在的宇宙和这些虚拟宇宙划上等号有意义吗？

　　对于现有的平行宇宙论的最后一个问题是对于宇宙的定义。对多数的平行宇宙论者而言，宇宙是由物理法则和常数，以及初始条件定义的。这项论点可能会因为它的狭隘和沙文主义的性质而招致反对；对于将人类人类的理解之外的事物予以分类也可能会招致批评。

大爆炸

    宇宙的起源假说之一：起初，宇宙很小，几乎只有不足原子核大小的一个点,称为"奇点",但其中包含极大的热能量，直到最后奇点中容纳不下这样的热量，发生了大爆炸，通过大爆炸的能量形成了一些基本粒子，这些粒子在能量的作用下，逐渐形成了宇宙中的各种物质、能源、空间及时间。至此，大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。然而，至今宇宙大爆炸理论仍然缺乏大量实验的支持，而且我们尚不知晓宇宙开始爆炸和爆炸前的图景。

【观点提出过程】

　　人们是怎样能推测出曾经可能有过宇宙大爆炸呢？这就要依赖天文学的观测和研究。我们的太阳只是银河系中的一两千亿个恒星中的一个。像我们银河系同类的恒星系 —— 河外星系还有千千万万。从观测中发现了那些遥远的星系都在远离我们而去，离我们越远的星系，飞奔的速度越快，因而形成了膨胀的宇宙。

　　对此，人们开始反思，如果把这些向四面八方远离中的星系运动倒过来看，它们可能当初是从同一源头发射出去的，是不是在宇宙之初发生过一次难以想象的宇宙大爆炸呢？后来又观测到了充满宇宙的微波背景辐射，就是说大约在150亿年前宇宙大爆炸所产生的余波虽然是微弱的但确实存在。这一发现对宇宙大爆炸是个有力的支持。

　　宇宙大爆炸理论是现代宇宙学的一个主要流派，它能较满意地解释宇宙学的一些根本问题。宇宙大爆炸理论虽然在20世纪40年代才提出，但20年代以来就有了萌芽。20年代时，若干天文学者均观测到，许多河外星系的光谱线与地球上同种元素的谱线相比，都有波长变化，即红移现象。

　　到了1929年，美国天文学家哈勃总结出星系谱线红移星与星系同地球之间的距离成正比的规律。他在理论中指出：如果认为谱线红移是多普勒效果的结果，则意味着河外星系都在离开我们向远方退行，而且距离越远的星系远离我们的速度越快。这正是一幅宇宙膨胀的图像。

　　1932年勒梅特首次提出了现代宇宙大爆炸理论：整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了我们的宇宙。美籍俄国天体物理学家伽莫夫第一次将广义相对论融入到宇宙理论中，提出了热大爆炸宇宙学模型：宇宙开始于高温、高密度的原始物质，最初的温度超过几十亿度，随着温度的继续下降，宇宙开始膨胀。

　　大爆炸理论是关于宇宙形成的最有影响的一种学说，大爆炸理论诞生于20世纪20年代，在40年代得到补充和发展，但一直寂寂无闻。 40年代美国天体物理学家伽莫夫等人正式提出了宇宙大爆炸理论。该理论认为，宇宙在遥远的过去曾处于一种极度高温和极大密度的状态，这种状态被形象地称为“原始火球”。所谓原始火球也就是一个无限小的点，现在的宇宙仍会继续膨胀，也就是无限大，有可能宇宙爆炸的能量散发到极限的时候，宇宙又会变成一个原始火焰即无限小的点以后，火球爆炸，宇宙就开始膨胀，物质密度逐渐变稀，温度也逐渐降低，直到今天的状态。这个理论能自然地说明河外天体的谱线红移现象，也能圆满地解释许多天体物理学问题。直到50年代，人们才开始广泛注意这个理论。

　　60年代，彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙大爆炸理论的新的有力证据，他们发现了宇宙背景辐射，后来他们证实宇宙背景辐射是宇宙大爆炸时留下的遗迹，从而为宇宙大爆炸理论提供了重要的依据。他们也因此获1978年诺贝尔物理学奖。

　　20世纪科学的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的体现。他对于宇宙起源后10-43秒以来的宇宙演化图景作了清晰的阐释. 宇宙的起源：最初是比原子还要小的奇点，然后是大爆炸，通过大爆炸的能量形成了一些基本粒子，这些粒子在能量的作用下，逐渐形成了宇宙中的各种物质。至此，大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。然而，至今宇宙大爆炸理论仍然缺乏大量实验的支持，而且我们尚不知晓宇宙开始爆炸和爆炸前的图景。 [编辑本段]

　　大爆炸理论的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。根据大爆炸宇宙学的观点，大爆炸的整个过程是：在宇宙的早期，温度极高，在100亿度以上。物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整个体系在不断膨胀，结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度后，早期形成化学元素的过程结束（见元素合成理论）。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。

　　从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史：

　　大爆炸开始时 150－200亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。

　　大爆炸后10E-43秒(普朗克时间) 宇宙从量子背景出现。

　　大爆炸后10E-35秒 同一场分解为强力、电弱力和引力。

　　大爆炸后10E-5秒 10万亿度，质子和中子形成。

　　大爆炸后0.01秒 1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。

　　大爆炸后0.1秒后 300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。

　　大爆炸后1秒后 100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。

　　大爆炸后13.8秒后 30亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。

　　大爆炸后35分钟后 3亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。

　　大爆炸后30万年后 10000度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。

　　大爆炸后100万年 3000℃(5400℉)

　　大爆炸后10亿年 -170℃(-275℉)

　　大爆炸后150亿年 -270℃(-454℉)

【大爆炸宇宙模型（big-bang model）】

　　一种广为认可的宇宙演化理论。其要点是，宇宙是从温度和密度都极高的状态中由一次“大爆炸”产生的。时间至少发生在100亿年前。这种模型基于两个假设：第一是爱因斯坦提出的，能正确描述宇宙物质的引力作用的广义相对论；第二是所谓宇宙学原理，即宇宙中的观测者所看到的事物既同观测的方向无关也同所处的位置无关。这个原理只适用于宇宙的大尺度上，而它也意味着宇宙是无边的。因此，宇宙的大爆炸源不是发生在空间的某一点，而是发生在同一时间的整个空间内。有这两个假设，就能计算出宇宙从某一确定时间（称为普朗克时间）起始的历史，而在此之前，何种物理规律在起作用至今还不清楚。宇宙从那时起迅速膨胀，使密度和温度从原来极高的状态降下来，紧接着，预示质子衰变的一些过程也使物质的数量远超过反物质，如同我们今天所看到的一样。许多基本粒子在这一阶段也可能出现。过了几秒钟，宇宙温度就降低到能形成某些原子核。这一理论还预言能形成一定数量的氢、氦和锂的核素，丰度同今天所看到的一致。大约再过100万年后，宇宙进一步冷却，开始形成原子，而充满宇宙中的辐射则在宇宙空间自由传播。这种辐射称为宇宙微波背景辐射，它已经被观测所证实。除了原始物质和辐射外大爆炸理论还预言，现在宇宙中应充满中微子，它们是无质量或无电荷的基本粒子。现在科学家们正在努力找寻这种物质。

　　大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实：

　　（a）理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短，即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。

　　（b）观测到河外天体有系统性的谱线红移，而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。

　　（c）在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。

　　（d）根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。

　　按照大爆炸理论，宇宙是150亿年前从一个极小的点诞生的，从那里诞生了时间和空间、质量和能量，从而由物质小微粒聚集成大团的物质，最终形成星系、恒星和行星等。在大爆炸发生前，宇宙中没有物质，没有能量，甚至没有生命。

　　但是，大爆炸理论无法回答现在的宇宙在大爆炸发生之前到底是什么样，或者说发生这次大爆炸的原因是什么？按照大爆炸理论，宇宙没有开端。它只是一个循环不断的过程，从大爆炸到黑洞的周而复始，便是宇宙创生与毁灭并再创生的过程。

　　这只是一个设想，并不是一个完美的理论。

【论据】

　　大爆炸理论虽然并不成熟，但是仍然是主流的宇宙形成理论的关键就在于目前有一些证据支持大爆炸理论，比较传统的证据如下所示：

　　（a）红位移

　　从地球的任何方向看去，遥远的星系都在离开我们而去，故可以推出宇宙在膨胀，且离我们越远的星系，远离的速度越快。

　　（b）哈勃定律

　　哈勃定律就是一个关于星系之间相互远离速度和距离的确定的关系式。仍然是说明宇宙的运动和膨胀。

　　V＝H×D

　　其中，V（Km/sec）是远离速度；H（Km/sec/Mpc）是哈勃常数，为50；D（Mpc）是星系距离。1Mpc＝3.26百万光年。

　　（c）氢与氦的丰存度

　　由模型预测出氢占25％，氦占75％，已经由试验证实。

　　（d）微量元素的丰存度

　　对这些微量元素，在模型中所推测的丰存度与实测的相同。

　　（e）3K的宇宙背景辐射

　　根据大爆炸学说，宇宙因膨胀而冷却，现今的宇宙中仍然应该存在当时产生的辐射余烬，1965年，3K的背景辐射被测得。

　　（f）背景辐射的微量不均匀

　　证明宇宙最初的状态并不均匀，所以才有现在的宇宙和现在星系和星团的产生。

　　（g）爱因斯坦方程式

　　根据爱因斯坦提出的方程式E=mc2，可知能量能转化为物质，而这正符合大爆炸的“万物同源”一说。

　　（h）宇宙大爆炸理论的新证据

　　在2000年12月份的英国《自然》杂志上，科学家们称他们又发现了新的证据，可以用来证实宇宙大爆炸理论。

　　长期以来，一直有一种理论认为宇宙最初是一个质量极大，体积极小，温度极高的点，然后这个点发生了爆炸，随着体积的膨胀，温度不断降低。至今，宇宙中还有大爆炸初期残留的称为“宇宙背景辐射”的宇宙射线。

　　科学家们在分析了宇宙中一个遥远的气体云在数十亿年前从一个类星体中吸收的光线后发现，其温度确实比现在的宇宙温度要高。他们发现，背景温度约为-263. 89摄氏度，比现在测量的-273.33的宇宙温度要高。

　　虽然已有上述证据存在，但是宇宙是否起源于大爆炸学说，仍然缺乏足够多的令人信服的证据。

【反大爆炸论者的声音】

　　一封《致科学界的公开信》得到了34位科学家和工程师的签名，于2004年5月22日发表于英国的《新科学家》（NeW Scientist）杂志。我们将它翻译过来，目的是让读者对大爆炸理论的人的论据有所了解。这封公开信被贴到网上后，又得到了185位科学家的网络签名（现在已四百多人了）：

　　如今，大爆炸理论越来越多地以一些假设，一些从未被实证观察的东西作为自己的论据：暴胀、暗物质和暗能量等就是其中最令人震惊的一些例子。没有这些东西，我们就会发现，在实际的天文学观测和大爆炸理论的预言之间存在着直接的矛盾。这种不断求助于新的假设来填补理论与实现之间鸿沟的做法，在物理学的任何其他领域中都是不可能被接受的。这至少反映出这一来历不明的理论在有效性方面是存在着严重问题的。

　　然而，没能这些牵强的因素，大爆炸理论就无法生存。离开了暴胀之类的假设，大爆炸理论就无法解释实际观测中发现的同质的、各向同怀的宇宙背景辐射。因为那样的话，它就无法解释宇宙中相距遥远的各部分何以会有着相同的湿度并发出同量的微波辐射。离开了那种与我们20多年来辛苦努力在地球上观察到所有物质都格格不入的所谓暗物质，大爆炸理论的预言与宇宙中实际的物质密度就完全是矛盾的。暴胀所需的密度是核聚变所需的20倍，这也许可以作为大爆炸理论中较轻元素来源的一个理论解释吧。而离开了暗能量，根据大爆炸理论计算出来的宇宙年龄就只有80亿年，这甚至比我们所在的这个星系中许多恒星的年龄还要小几十亿岁。

　　更重要的是，大爆炸理论从来没有任何量化的预言得到过实际观测的验证。该理论捍卫者们所宣称的成功，统统归功于它擅长在事后迎合实际观测的结果，它不断地在增补可调整的参数，就像托勒玫（Ptol m e）的地心说总是需要借助本轮和均轮来自圆其说一样，其实，大爆炸论并不是理解宇宙历史的唯一方式。‘等离子宇宙论‘和’稳恒态宇宙模型论’都是对这样一个持续演化着的宇宙的假设，它们认为宇宙既无始也无终。

　　这些模型，以及其他一些观点，也都能解释宇宙的基本现象，如较轻元素在宇宙中所占的比重、宇宙背景辐射以及遥远星系谱线红移量随着距离增加等问题，它们的一些预言还甚至得到过实际观测的验证，而这是大爆炸理论从未做到过的。大爆炸论的支持者们强辩说这些理论不能解释观测到的所有天文现象。但这并没有什么奇怪的，因为它们的发展严重缺乏经费的支持。实际上，直到今天，这样一些疑问和替代理论都还不能被拿出来进行自由的辩论和检验。绝大多数的研讨会都在随波逐流，并不允许研究者们进行完全公开的观点交流。理查德·费曼（Richard Feynman）说过，‘科学就是怀疑的文化’，而在今天的宇宙学领域，怀疑和异见得不到容忍，年轻学者们即使对大爆炸这一标准模型有任何否定的想法也不敢表达。怀疑大爆炸论的学者如果把自己的疑问说出来就会失去经费资助。连实际的观测结果也要被筛选，要依据其能否支持大爆炸理论的标准来筛选。这样一来，所有不合标准的数据，比如谱线红移、锂元素和氦元素在宇宙中所占的比例、星系的分布等，都被忽视甚至歪曲。这反映出了一种日益膨胀的教条主义，完全不合乎自由的科学研究精神。如今在宇宙学研究领域，几乎所有的经费和实验资源都被分配给以大爆炸理论为课题的项目。科研经费来源有限，而所有主管经费分配的评审委员会都被大爆炸论的支持者们把持着。结果就造成了大爆炸理论掌握该领域的全面主导地位，这一局面与该理论在科学上的有效性毫无关系。只资助从属于大爆炸论的课题，这种做法抹杀了科学方法的一个基本原则：就是必须持续不断地用实际观察来对理论加以检验的原则。这样一种束缚使任何探讨都无法进行，也使任何研究都无法进行，为了治疗这一顽症，我们呼吁资助宇宙学研究的机构将相当部分的经费留给那些替代性理论的研究课题，留给那些与大爆炸理论存在矛盾的实证观测。为避免经费分配不公的问题，掌管经费分配的评审委员会可以由非宇宙学领域的天文学家和物理学家组成。将经费公平地分配给针对大爆炸理论有效性进行的研究项目，以及其替代性理论的研究项目，这将能使我们以科学的方式找到关于宇宙历史演变的最可信的模型。

【“红移”相关的错误观念（还原真相）】

　　 人离“声源”越远，“声波”就越长，人离“光源”越远，光的“颜色”越偏红，这真的是“运动”把“波”给“拉长”了吗？“外星球”离地球越远，我们看到的就越偏“红”，真的是因为“它们”正在“飞速”的离我们而去吗？宇宙真的在“膨胀”吗？

　　●说“波”给“拉长”了，的说法是比较“胡闹”的，您想想，“波”又不是和我们“绑”在一起的，那又怎么可能，当我们跑远了，就将其“拉长”呢？那又是为什么呢？那是因为“波长”是与“传播距离”有关系的，换句话说，“波长”越长，传播得越远，“波长”越短，传播得越短。于是我们离“波源”较远时，就只能“接收”到较长的“声波”了。

　　●既然“红移”现象，只和“距离”有关，不和“运动”直接关联，那么只有在一个“时间尺度”上，不同的时刻，相同的“星系/星球”有“波长”的差别，并且是“波长变长”/“越红”，才能证明那些“星系/星球”可能正在飞离我们，“宇宙”可能正在膨胀。

●出自“全集然文明X档案”【一个绝对机密的档案，记录因研究自然万物共有本质和规律而得到的“具体发现”和“推测”】

【宇宙真的是“大爆炸”产生的吗？】

　　●首先，其“大爆炸奇点”之外的“空间”是什么？难道那就不是“宇宙”的一部分吗？

　　●其次，“真空”到底是什么，如果没有“真空”还会有“奇点”吗？

　　●以上是两个最重要的问题；下面分析其他的：

　　●如果“宇宙”是“大爆炸”而后在“膨胀”的话，那么“大爆炸”之“中心”的周围就必然是“空无一物”的，而且这个“空洞”会一直的“加大”，然而为什么我们从来就没有看到过什么“宇宙空洞”呢？更不要说，是那么大的；除非有很多的“大爆炸”一块产生，互相挤压。

　　●但如果“宇宙”是一个或几个“大爆炸”而后在“膨胀”的话，就必然是有一个方向或几个方向的“星球”在向我们“飞”来，会离我们越来越近，然而，为什么在地球上看，所有的“星球”都“飞离”我们而去呢？然而我们又不是“大爆炸”的“中心”，凭什么会以“地球”为中心的“飞离”我们呢？（不过近代的后续研究好像有发现“蓝移”现象；如果真的是如此，那么我们也许可以依此判断一些“大爆炸中心”）

　　●而且“红移”现象，只和“距离”有关，不和“运动”直接关联，那么只有在一个“时间尺度”上，不同的时刻，相同的“星系/星球”有“波长”的差别，并且是“波长变长”/“越红”，才能证明那些“星系/星球”可能正在飞离我们，“宇宙”可能正在膨胀。

　　●“宇宙大爆炸”的另一个证据“宇宙微波背景辐射”；您说，就连那么不规则的各种物质组合而成的“星球”也“整合”成了“整体性磁场”，那么我们凭认为，这整个“宇宙”就不能“整合”成它自己的“整体性磁场”呢？

　　●综上所述，如果宇宙真的在膨胀，那么应该是很多个“大爆炸”一块产生，互相挤压的结果；而且只能说是“星球起源理论”，而不能说是“宇宙起源理论”，因为它并没有解释“真空”到底是怎么来的。

　　●出自“”【一个绝对机密的档案，记录因研究自然万物共有本质和规律而得到的“具体发现”和“推测”】

　　以上观点不敢苟同，建议好好看看“红移”概念；至于，地球为大爆炸中心提法，真自不必论，若按上作者假设为假。建议可取一气球，在其上任意标注3点或以上，吹大气球过程中，任取一点来观察其他点就会得出判断。另佩上作者“多爆说”之大胆猜测，建议小心求证或向科幻方向发展。

           星系

星系的定义

　　恒星系或称星系，是宇宙中庞大的星星的“岛屿”，它也是宇宙中最大、最美丽的天体系统之一。到目前为止，人们已在宇宙观测到了约一千亿个星系。它们中有的离我们较近，可以清楚地观测到它们的结构；有的非常遥远，目前所知最远的最系离我们有近一百三十亿光年。

　　星云.星系.星团的区别和定义

　　星系：在茫茫的宇宙海洋中，千姿百态的“岛屿”，星罗棋布，上面居住着无数颗恒星和各种天体，天文学上称为星系。我们居住的地球就在一个巨大的星系——银河系之中。在银河系之外的宇宙中，像银河这样的太空巨岛还有上亿个，它们统称为河外星系。

　　星团：在银河系众多的恒星中，除了以单个的形式，或组成双星、聚星的形式出现外，也有以更多的星聚集在一起的。星数超过10颗以上，彼此具有一定联系的恒星集团，称为星团。使这些恒星团结在一起的是引力。星团的成员多的可达几十万颗。它们又可以分成疏散星团和球状星团两类。银河系中遍布着星团，只是不同的地方星团的种类也不同。

　　星云： 星云是一种由星际空间的气体和尘埃组成的云雾状天体。星云中的物质密度是非常低的。如果拿地球上的标准来衡量，有些地方几乎就是真空。但星云的体积非常庞大，往往方圆达几十光年。因此，一般星云比太阳还要重得多。星云的形状千姿百态。有的星云形状很不规则，呈弥漫状，没有明确的边界，叫弥漫星云；有的星云像一个圆盘，淡淡发光，很像一个大行星，所以称为行星状星云。

星系的演化

　　按照宇宙大爆炸理论，第一代星系大概形成于大爆炸发生后十亿年。在宇宙诞生的最初瞬间，有一次原始能量的爆发。随着宇宙的膨胀和冷却，引力开始发挥作用，然后，幼年宇宙进入一个称为“暴涨”的短暂阶段。原始能量分布中的微小涨落随着宇宙的暴涨也从微观尺度急剧放大，从而形成了一些“沟”，星系团就是沿着这些“沟”形成的。

　　 哈勃太空望远镜拍摄的遥远的年轻星系照片，其中包含有正在形成中的星系团（原星系）。

　　十八个正在形成中的星系团的单独照片。每个团快距地球约一百十亿光年。

　　著名的“哈勃深空”照片。展示了一千多个在宇宙形成后不到十亿年内形成的年轻星系。

　　哈勃深空图片。箭头所指的可能是迄今为止发现的最遥远的星系。

　　阿贝尔2218星系群。照片反映了宇宙中的“引力透镜”现象。  　两个相邻的星系NGC1410、NGC1409因引力作用而互相吸取物质。

　　随着暴涨的转瞬即逝，宇宙又回复到如今日所见的那样通常的膨胀速率。在宇宙诞生后的第一秒钟，随着宇宙的持续膨胀冷却，在能量较为“稠密”的区域，大量质子、中子和电子从背景能量中凝聚出来。一百秒后，质子和中子开始结合成氦原子核。在不到两分钟的时间内，构成自然界的所有原子的成分就都产生出来了。大约再经过三十万年，宇宙就已冷却到氢原子核和氦原子核足以俘获电子而形成原子了。这些原子在引力作用下缓慢地聚集成巨大的纤维状的云。不久，星系就在其中形成了。大爆炸发生过后十亿年，氢云和氦云开始在引力作用下集结成团。随着云团的成长，初生的星系即原星系开始形成。那时的宇宙较小，各个原星系之间靠得比较近，因此相互作用很强。于是，在较稀薄较大的云中凝聚出一些较小的云，而其余部分则被邻近的云所吞并。

　　同时，原星系由于氢和氦的不断落入而逐渐增大。原星系的质量变得越大，它们吸引的气体也就越多。一个个云团各自的运动加上它们之间的相互作用，最终使得原星系开始缓慢自转。这些云团在引力的作用下进一步坍缩，一些自转较快的云团形成了盘状；其余的大致成为椭球形。这些原始的星系在获得了足够的物质后，便在其中开始形成恒星。这时的宇宙面貌与今天便已经差不多了。星系成群地聚集在一起，就像我们地球上海洋中的群岛一样镶嵌在宇宙空间浩瀚的气体云中，这样的星系团和星系际气体伸展成纤维状的结构，长度可以达到数亿光年。如此大尺度的星系的群集在广阔的空间呈现为球形。

术语：

　　1、椭圆星系:呈椭圆形，没有悬臂结构。

　　其中又分为：E0,E1……E7,数字越大，星系越扁

　　2、漩涡星系

　　（1）核心部分为椭圆形：Sa,Sb,Sc

　　（2）出现棒状结构：SBa,SBb

　　（3）透镜星系：介于E与Sa之间：SO

　　3、不规则星系

　　Irr 1(罗马数字）：颜色偏蓝

　　Irr 2（罗马数字）：颜色偏黄

星系的类别

　　宇宙中没有两个星系的形状是完全相同的，每一个星系都有自己独特的外貌。但是由于星系都是在一个有限的条件范围内形成，因此它们有一些共同的特点，这使人们可以对它们进行大体的分类。在多种星系分类系统中，天文学家哈勃于1925年提出的分类系统是应用得最广泛的一种。哈勃根据星系的形态把它们分成三大类：椭圆星系、旋涡星系和不规则星系。椭圆星系分为七种类型，按星系椭圆的扁率从小到大分别用E0-E7表示，最大值7是任意确定的。该分类法只限于从地球上所见的星系外形，原因是很难确定椭圆星系在空间中的角度。旋涡星系分为两族，一族是中央有棒状结构的棒旋星系，用SB表示；另一种是无棒状结构的旋涡星系，用S表示。这两类星系又分别被细分为三个次型，分别用下标a、b、c表示星系核的大小和旋臂缠绕的松紧程度。不规则星系没有一定的形状，而且含有更多的尘埃和气体，用Irr表示。另有一类用S0表示的透镜型星系，表示介于椭圆星系和旋涡星系之间的过渡阶段的星系。

　　属E0型椭圆星系的NGC4552。该星系位于室女座。

　　NGC4486，同样位于室女座，属E1型椭圆星系。

　　NGC4479属于E4型椭圆星系，位于室女座。

　　NGC205椭圆星系，属于E6型，位于仙女座。

　　位于六分仪座的NGC3115，属E7型椭圆星系，也有把它归为S0型的。

　　位于狮子座的NGC3623，属Sa型旋涡星系。

　　属Sb型的NGC3627旋涡星系，位于狮子座。

　　猎犬座的NGC5194旋涡星系，属Sc型。左侧是一个矮星系。

　　NGC3351位于狮子座，属SBb型棒旋星系。

　　SBc型棒旋星系NGC3992，位于狮子座。

　　银河系的卫星系“大麦哲伦云”，属不规则星系。

　　NGC3034不规则星系，位于大熊星座。

　　宇宙中的大部分大星系都是旋涡星系，其次是椭圆星系，不规则星系占的比较最小。旋涡星系自转得比较快，其盘面中含有大量尘埃和气体，这些物质聚集成能供恒星形成的区域。这些区域发育出含有许多蓝星的旋臂，所以盘面的颜色看上去偏蓝。而在其棒状结构和中央核球上稠密地分布着许多年老的恒星。与旋涡星系相比，椭圆星系自转得非常慢，其结构是均匀而对称的，没有旋臂，尘埃和气体也极少。造成这种局面的原因是早在数十亿年前恒星迅速形成时就已经将椭圆星系中的所有尘埃和气体消耗完了。其结果是造成这些星系中无法诞生新的恒星，因此椭圆星系中包含的全都是老年恒星。

　　宇宙中约有十亿个星系的中心有一个超大质量的黑洞，这类星系被称为“活跃星系”。类星体也属于这类星系。

　　此外还有一类个子矮小的“矮星系”。这类星系不象大型星系那样明亮，但其数量非常多。银河系附近有许多矮星系，其数量比所有其它类型星系之和都多。在邻近的星系团中也已发现了大量的矮星系。其中一些形状规则，多半都含有星族II的恒星；形状不规则的矮星系一般含有明亮的蓝星。

　　星系的形状一般在其诞生之时就已经确定了，此后一直都保持着相对稳定，除非发生了星系碰撞或邻近星系的引力干扰。

四大星系种类

　　椭圆星系/椭球星系(EllipticalGalaxy,E-typeGalaxy)

　　椭圆星系是河外星系的一种，呈圆球型或椭球型。中心区最亮，亮度向边缘递减，对距离较近的，用大型望远镜望远镜可以分辨出外围的成员恒星。同一类型的河外星系，质量差别很大，有巨型和矮型之分。其中以椭圆星系的质量差别最大：质量最小的矮椭圆星系和球状星团相当，而质量最大的超巨型椭圆星系可能是宇宙中最大的恒星系统；质量范围约为太阳的千万倍到百万亿倍，光度幅度范围从绝对星等-9等到-23等。椭圆星系质量光度比约为50~100，而旋涡星系的质光比约为2~15。表明椭圆星系的产能效率远远低于旋涡星系。椭圆星系的直径范围是1~150千秒差距。总光谱型为K型，是红巨星的光谱特征。颜色比旋涡星系红，说明年轻的成员星没有旋涡星系里的多，由星族II天体组成，没有或仅有少量星际气体和星际尘埃，椭圆星系中没有典型的星族I天体蓝巨星。椭圆星系根据哈勃分类，按其椭率大小分为E0、E1、E2、E3、…、E7共八个次型，E0型是圆星系，E7是最扁的椭圆星系。同一类型的河外星系，质量差别很大，有巨型和矮型之分，其中以椭圆星系的质量差别最大。质量最小的矮椭圆星系和球状星团相当，而质量最大的超巨型椭圆星系可能是宇宙中最大的恒星系统，质量范围约为太阳的千万倍到百万亿倍，光度幅度范围从绝对星等-9等到-23等。椭圆星系质量光度比约为50~100，而旋涡星系的质光比约为2~15。这表明椭圆星系的产能效率远远低于旋涡星系。椭圆星系的直径范围是1~150千秒差距。总光谱型为K型，是红巨星的光谱特征。颜色比旋涡星系红，说明年轻的成员星没有旋涡星系里的多，由星族II天体组成，没有或仅有少量星际气体和星际尘埃，椭圆星系中没有典型的星族I天体蓝巨星。关于椭圆星系的形成，有一种星系形成理论认为，椭圆星系是由两个旋涡扁平星系相互碰撞、混合、吞噬而成。天文观测说明，旋涡扁平星系盘内的恒星的年龄都比较轻，而椭圆星系内恒星的年龄都比较老，即先形成旋涡扁平星系，两个旋涡扁平星系相遇、混合后再形成椭圆星系。还有人用计算机模拟的方法来验证这一设想，结果表明，在一定的条件下，两个扁平星系经过混合的确能发展成一个椭圆星系。加拿大天文学家考门迪在观测中发现，某些比一般椭圆星系质量大的多的巨椭圆星系的中心部分，其亮度分布异常，仿佛在中心部分另有一小核。他的解释就是由于一个质量特别小的椭圆星系被巨椭圆星系吞噬的结果。但是，星系在宇宙中分布的密度毕竟是非常低的，它们相互碰撞的机会极小，要从观测上发现两个星系恰好处在碰撞和吞噬阶段是是非常困难的。所以，这种形成理论还有待人们去深入探索。

　　旋涡星系(Spiral Galaxy, S-type Galaxy)

　　具有旋涡结构的河外星系称为旋涡星系，在哈勃的星系分类中用S代表．螺旋星系的螺旋形状，最早是在1845年观测猎犬座星系M51时发现的．螺旋星系的中心区域为透镜状，周围围绕着扁平的圆盘．从隆起的核球两端延伸出若干条螺线状旋臂，叠加在星系盘上．螺旋星系可分为正常漩涡星系和棒旋星系两种．按哈勃分类，正常漩涡星系又分为 a、b、c三种次型：Sa型中心区大，稀疏地分布着紧卷旋臂；Sb型中心区较小，旋臂较大并较开展；Sc型中心区为小亮核，旋臂大而松弛。除了旋臂上集聚高光度O、B型星、超巨星、电离氢区外,同时还有大量的尘埃和气体分布在星系盘上。从侧面看在主平面上呈现为一条窄的尘埃带，有明显的消光现象。漩涡星系通常有一个笼罩整体的、结构稀疏的晕，叫做星系晕。其中主要是星族Ⅱ天体，其典型代表是球状星团。一个中等质量的漩涡星系往往有100~300个球状星团。随机地散布在星系盘周围空间。在往外，可能还有更稀疏的气体球，称为星系晕。漩涡星系的质量为十亿到一万亿个太阳质量，对应的光度是绝对星等-15~-21等。直径范围是5~50Kpc。Sa型星系的总光谱型为K，Sb型为F~K, Sc型为A~F。产生总光谱的主要天体既有高光度早型星，又有高光度晚型星。星族Ⅰ天体组成星系盘和旋臂，星族Ⅱ天体主要构成星系核、星系晕和星系冕。

　　棒旋星系(Barred Sprial Galaxy, SB-type Galaxy)

　　棒旋星系是中心呈长棒形状的螺旋形星系，一般的螺旋形星系的中心是有圆核的，而棒旋形星系的中心是棒形状，棒的两边有旋形的臂向外伸展。

　　不规则星系(Irregular Galaxy, Irr-type Galaxy)

　　外形不规则,没有明显的核和旋臂,没有盘状对称结构或者看不出有旋转对称性的星系,用字母Irr表示。在全天最亮星系中,不规则星系只占5%。 按星系分类法,不规则星系分为Irr I型和Irr II型两类。 I型的是典型的不规则星系, 除具有上述的一般特征外,有的还有隐约可见不甚规则的棒状结构。它们是矮星系,质量为太阳的一亿倍到十亿倍,也有可高达100亿倍太阳质量的。它们的体积小,长径的幅度为2~9千秒差距。星族成分和Sc型螺旋星系相似:O-B型星、电离氢区、气体和尘埃等年轻的星族I天体占很大比例。 II型的具有无定型的外貌,分辨不出恒星和星团等组成成分,而且往往有明显的尘埃带。 一部分II型不规则星系可能是正在爆发或爆发后的星系，另一些则是受伴星系的引力扰动而扭曲了的星系。所以I型和II型不规则星系的起源可能完全不同。

银河系

　　在没有灯光干扰的晴朗夜晚，如果天空足够黑，你可以看到在天空中有一条弥漫的光带。这条光带就是我们置身其内而侧视银河系时所看到的它布满恒星的圆面——银盘。银河系内有约两千多亿颗恒星，只是由于距离太远而无法用肉眼辩认出来。由于星光与星际尘埃气体混合在一起，因此看起来就像一条烟雾笼罩着的光带。银河系的中心位于人马座附近。

　　银河系是一个中型恒星系，它的银盘直径约为十二万光年。它的银盘内含有大量的星际尘埃和气体云，聚集成了颜色偏红的恒星形成区域，从而不断地给星系的旋臂补充炽热的年轻蓝星，组成了许多疏散星团或称银河星团。已知的这类疏散星团约有一千两百多个。银盘四周包围着很大的银晕，银晕中散布着恒星和主要由老年恒星组成的球状星团。

　　天鹅-人马座方向的银河。

　　辉煌的银河系中心（银核）部分。

　　辉煌的银河系中心（银核）部分II。

　　织女、牵牛星-人马座方向的银河。

　　天鹰-人马座方向的银河。

　　长盾-人马座方向的银河。

　　从我们所处的角度很难确切地知道银河系的形状。但随着近代科技的发展，探测手段的进步在某种程度上克服了这些障碍，揭示出银河系具有的某些出人意料的特征。长期以来人们一直以为银河系是一个典型的旋涡星系，与仙女座星系类似。但最近的观测却发现，它的中央核球稍带棒形。这意味着银河系很可能是一种棒旋星系。另外，银河系是一个比较活跃的星系，银核有强烈的宇宙射线辐射，在那里恒星以高速围绕着一个不可见的中心旋转。这表明在银河系的核心有一个超大质量的黑洞。

　　银河系有两个较矮小的邻居——大麦哲伦云和小麦哲伦云，它们都属于不规则星系。由于引力的作用，银河系在不断地从这两个小星系中吸取尘埃和气体，使这两个邻居中的物质越来越少。预计在一百亿年里，银河系将会吞没这两个星系中的所有物质，这两个近邻将不复存在。

河外星系

　　它们是与银河系类似的天体系统,距离都超出了银河系的范围,因此称它们为“河外星系”。仙女座星系就是位于仙女座的一个河外星系。河外星系与银河系一样,也是由大量的恒星、星团、星云和星际物质组成。目前我们观测到的河外星系有100亿个之多。

          星系爆炸

    原子弹，氢弹爆炸时会产生巨大的能量，这是人们所共知的。而太阳每秒钟辐射的能量据计算约为3.826×10^33尔格，这相当于“滴答”一声，在太阳上就爆炸了九百十亿颗氢弹。太阳以生存了几十亿年，这样的爆炸也持续了几十亿年。可是在银河系中，太阳的这点能量也是微乎其微的。有一种超新星在一个瞬间所释放出来的能量，相当于10^18颗氢弹爆炸，是太阳能量的几千万倍，这更令人惊奇了。

　　在宇宙中，有着千千万万个象银河系这样的星系，星系爆炸是宇宙中规模最大的爆炸。据美国报纸报道，科学家曾从人造卫星自动记录下来的材料中，发现了宇宙空间中一个星系的一次大爆炸，爆炸只持续了十分之一秒，但释放出来的能量相当于太阳三千年释放的能量，这是有记录以来最强大的一次大爆炸。当科学家看到记录这次大爆炸的材料时，都惊讶得瞠目结舌，他们认为这次爆炸释放能量的比率比太阳的能量释放率大一千亿倍，如果同样的爆炸发生在银河系附近，那将使地球周围的大气层变得灼热，如果太阳也喷出与这次爆炸同样数量的能量，地球就要立刻气化。由此产生的问题：如星系内部结构是什么样的，巨大的能量究竟从何而来……都吸引着人们去探索。

　　100亿或200亿年前，一件了不得的事情发生了--宇宙大爆炸，炸出了我们的这个宇宙。大爆炸为什么会发生，这对我们来说是最大的奥秘。毫无疑问，大爆炸确实发生了。现在宇宙中的一切物质和能量也许都以极高的密度——一种令人联想到许多民族文化中关于天地万物的种种神话的宇宙蛋——集结成完全无量纲的数学点。这并不是说把所有的物质和能量硬塞人当今宇宙较小的一隅，而是说，整个宇宙、物质和能量以及它们所充斥的空间、只占很小很小的一点体积，这就没有多少余地可供种种事件在其间发生了。

　　在那次巨大的宇宙爆炸中，宇宙开始了一种至今从未停止的膨胀过程。把宇宙爆炸描述为从外部观察到的一种膨胀泡，这容易引起误解。就定义而言、我们所说的外部其实什么也不是，所以最好还是从内部来考虑它。也许可以用想象中依附于空间运动结构且向各个方向均匀膨胀的格线来表示。当空间扩展时。宇宙中的物质和能量随之膨胀并迅速冷缩那个过去和现在一样充满整个空间的宇宙火球的辐射，通过光谱——从γ射线到X射线再到紫外光，通过可见光谱的虹色，进入红外区和射电区、现在，用射电望远镜可以探测到那个火球的残骸。即从天空各处散发出来的宇宙本底辐射。在早期的宇宙中，太空是灿烂辉煌的。随着时间的流逝，太空的结构继续膨胀。辐射停息了。在普通可见光中。太空第一次变得黑暗起来了。就像今天这个样子。

　　早期的宇宙充满了辐射和最初由氢和氦组成的充实的物质团。这些物质团是由原始致密火球中的基本粒子形成的。如果当时附近有人去观察，那是几乎什么也看不见的。然后，少量气囊——不均匀的小囊开始增大。巨大而轻薄的卷须状气态云形成了。一群群发出隆隆响声的。缓慢旋转的物体，平稳地发着光，最后形成了含有亿万个闪光点的各种天体。宇宙中最大的可辨认的结构就这样形成了。我们今天见到了它们，我们自己就居住在它们中一个默默无闻的角落，后来，我们把它们叫做星系。

　　在大爆炸发生约10亿年之后，大概是因为大爆炸本身的非均匀性，宇宙中的物质形成了略微凹凸不平的块状分布。物质在这些块状结构中比在其他地方更为稠密。它们的引力把附近大量的气体引向它们，从而增大了必将成为星系团的氢和氦的云。后来，极小的初始的非均匀性又使得物质形成了坚固的凝块。

　　当引力坍缩继续时，因为角动量守恒，初生星系的旋转便不断加快。有的变平，在离心力不能抵消重力的地方，沿着自转轴把自己压扁。这些就变成了第一个漩涡星系，即一种在广袤太空中快速旋转着的轮状物质。其他一些引力较弱或自转初速度较小的原始星系只稍微变平，结果变成了第一批椭圆星系。因为万有引力和角动量守恒这些简单的自然定律在整个宇宙都一致不二，所以宇宙中有相类似的星系存在，就好像用同一个模子冲压出来的一样。为地球这个微观世界中的自由落体和花样滑冰尽力提供理论根据的物理学，造就了宇宙这个宏观世界中的种种星系。

　　在新生星系里，小得多的云块也经历了引力坍缩，内部温度变得非常高，激发了热核反应，第一批恒星也就开始运行。灼热而巨大的年轻恒星迅速演化，像浪子一样，毫不在意地挥霍其氢燃料资源，很快就在辉煌的超新星爆炸中结束了它们的生命，将热核尘埃——氦、碳、氧和种种较重的元素——还原为不断生成一代代新恒星的星际云。大量早期恒星的超新星爆炸，在紧邻的气体中产生了连续重选的冲击波，挤压着星系间的媒介物质，从而加速星系团的形成。引力是有机必乘的，即使是很小的物质凝块，它也会使之扩大膨胀。超新星爆炸的冲击波也许已经以各种规模促成了物质的增大，宇宙演变的史诗已经开始，即开始了对大爆炸产生的下列气体物质的凝缩进行分类：星系团、星系、恒星、行星，还有最终出现的生命，以及能认识一点导致生命起源奇妙过程的智慧生物——人。

　　今天的宇宙充满各种星系团。其中有些只是几十个星系毫无意义的、微不足道的集合体。被亲切地称之为“本星系群”中只包含两个还算大的星系，即两个漩涡星系：银河系和M31。其他星系团则大到含有数以千计的相互吸引旋转的巨大星系群。有线索表明，室女座星系团含有成千上万个星系。

　　从宏观着眼，我们居住在一个充满星系的宇宙之中，这些星系是1000亿个宇宙形成和衰变的优美楷模，有的井井有条，有的杂乱无章，二者都一目了然：正常的旋涡形，与我们地球视线成不同角度的旋臂（从正面我们见到的是旋臂，从侧面看还可以看到贯穿旋臂中心的气体，如尘埃所形成的暗带）；棒旋星系，有一条气体尘埃和恒星的河，流过中心并连接两头的旋臂；稳定的椭圆巨星系，包含上百万颗恒星，因为它们已吸收或与其他星系汇合，因此变得非常大；许多矮椭圆体，星系中的矮子，每一个包含有千百万无足轻重的太阳；许许多多各种各样的神秘的不规则星系，表明了在星系世界中有许多已出现毛病的地方；而互绕星系如此接近，以致它们的边缘因它们的伴星系引力作用而扭曲，还有这样的情况，引力拉出一条条气体和恒星的长条，成为星系间的桥梁。

　　有些星系团中的成员星系是按球面几何体排列起来的，它们主要由椭圆体组成。其中又常以一个巨椭圆体（即假定的银河野人）处于支配地位。其他那些以更无规则的几何体排列的星系团，比较而言，拥有相当多的旋涡形和不规则形的星系。星系碰撞的结果，改变了原始球状星系团的形状，同时可能促进从椭圆形往旋涡形和无规则形演变的过程。星系的形态及其数量足以向我们讲述一个可能是最为壮观的有关古代事件的故事，一个我们刚开始阅读的故事。

　　高速计算机的发展，使我们有可能对几十或几万个集体运动点进行数值实验，每一动点代表一颗恒星，每个星都处在其他诸点的引力作用之下。在某些情况下，在已扁化为圆盘的星系中，旋臂完全以其自身的力量而形成。偶尔也有个把旋臂是由两个各自足足含有几十亿颗恒星的星系间的近距引力冲突而造成的。通过这种星系而弥漫扩散开来的气体和尘埃，会互相碰撞而变暖。但是当两个星系碰撞时，由于一个星系主要是空虚的，而且各恒星间的空间距离又很大，所以恒星就像子弹穿过蜂群一样。毫不费力地互相穿越。虽然如此，星系的外观还是会发生严重的变形。一个星系对另一个星系的直接撞击，能使该星系的成员恒星流入星系际空间，这样。一个星系就瓦解了。当一个小星系在正面撞上一个较大的星系时，它能产生一个最壮丽罕见的不规则星系，一个跨度达数千光年宽的环形星系，反衬着星系际空间的天鹅绒背景。它是星系池中一种飞溅、崩裂瓦解后的恒星的一种暂时的外貌。一个被拔除了核心的星系。

　　不规则星系的结构不清的黑斑，漩涡星系的旋臂，以及环形星系的环面，在宇宙影中只闪现在不多的几个镜头中，然后就消散了，而后往往又重新形成。我们感觉中的星系是极重的坚固天体，这其实是一种错觉。它们是由1000亿个星状成分组成的流体结构。正如一个人。他是由100万亿个细胞组成的集合体，很有特征地处于合成和衰变间的稳定状态，整个人体大于其各部分的总和。星系也是这样。

　　星系中的自杀率很高。强大的X射线源、红外辐射和射电波源就是一些近例。距离约有数千万或几亿光年远。它们有着极度发光的核，在光亮中波动达数星期之久。有些显示出辐射流、1000光年长的羽状物和在混沌中的尘埃盘，这是一些正在炸毁自己的星系。在诸如NGC625和M87一类的巨形椭圆星系的核中、可能存在质量比太阳大几百万倍到几亿万倍的黑洞。在M87里面。有些从比太阳系小的区域来的质量巨大、密度极高而体积又很小的东西，像钟表似地在持续活动，并且呜呜作响。黑洞很复杂，而在数10亿光年之外则是更为混杂的天体——类星体，它们可能是一些年轻星系的大爆炸，即自宇宙大爆炸本身发生以来宇宙史上最大的事件。

　　“Quasar”（类星体）这个词是“quasi-stellar radio source”（类—恒星的射电源）的缩略词。在它们并不都是强大的射电源这一事实弄清楚后、它们就被称为QSOs（类恒星天体quasi-stellar object）了。因为它们表面像星，所以人们曾自然而然地认为它们是我们这个星系中的恒星了。但用分光仪对它们的红移现象进行观察表明。它们的距离可能极为遥远。它们似乎朝气蓬勃地参与了宇宙的膨胀，有些正以90%的光速退离我们。如果它们确实非常遥远，那么它们必定本身就极为明亮。才可能在那么远的距离外还能被看见，其中有的就像1000颗同时爆炸的超新星一样亮，正如“天鹅座X—1”一样，它们的迅速波动，表明它们的巨大亮度被封闭在一个很小的容积内。这样它就小于太阳系的体积了。一定有某些巨大的活动使类星体内的能量大量外泄。对此有各种假说，其中包括（1）类星体是巨型的脉冲星、有一个与强磁场相连的迅速自转的超大型的核；（2）类星体是由于密集于星系核心内的数百万颗恒星多次碰撞而撕开了其外层。把巨大恒星内部高达1O亿度的温度暴露在整个视野之下而出现的；（3）一个与此有关连的观点是：类星体也是一种星系，在这种星系内，恒星如此紧密地聚集在一起，以致一个类星体内的超新星爆炸会掀掉另一个类星体的外层而使它变成一颗超新星，从而产生恒星链锁反应；（4）类星体是从始至今日还多少保存于类星体内的物质和反物质相互间的激烈的湮灭中获得动力的；（5）类星体是一种当气体、尘埃及恒星落入该星系核中的巨大黑洞时释放出来的能量，这个星系本身也许就是较小的黑洞长年累月的碰撞和凝聚过程的产物；（6）类星体是作为黑洞的反面的“白洞”，一种使注入宇宙其他部分甚至别的宇宙的大批黑洞中去的物质汇集和显示的过程。

　　在考虑类星体时，我们遇到了许多深奥的秘密。不论类星体爆炸的原因何在，有一点似乎是很明显的：这样的极端猛烈的事件必定造成不可言状的大破坏。在每次类星体爆炸过程中，都有几百万个世界——其中有的世界有生命和能够理解所发生的事件的智力存在——可能被彻底毁灭。对星系的研究揭示了宇宙的秩序和宇宙之美，同样也向我们显示了一种至今连做梦也想象不到的剧烈的混乱。我们能生活在允许生命存在的宇宙中，这是非同寻常的；我们生活于其中的是一个毁灭星系，毁灭恒星和毁灭种种世界的宇宙，这也同样是非同寻常的。这个宇宙对诸如我们人类这样的微不足道的生物来说，似乎既无善意，也无恶意，只是漠不关心罢了。

　　甚至像银河系那样，看起来彬彬有礼的行星，也自有其激动起舞的时候。射电观察表明，有两片足以制造几百万个太阳的巨大氢云从银心骤然跌落，就好像那儿不时在发生轻度爆炸似的。一个在地球轨道上运行的高能天文台已经发现，银心是某种独特的γ射线谱线的巨大源泉，这完全符合那种认为在银心隐藏着巨大黑洞的观点。像银河系这样的星系也许正处于不断演化进程中的稳重的中年；这种星系，在其激烈的青春期中包含有类星体和爆发星系，因为这些类星体距离如此遥远，以致我们见到的只是它们的青春期，是它们几十亿年前的模样。

　　银河系的恒星运动起来优美雅致，自成流派。球状星团冲过银面，并从另一边出来，此后，它们就降低速度，返身冲回。如果我们能够尾随一个个具体的恒星看它们在银面上疾驰的独特运动，就会发现它们像是一锅炒玉米花。我们从未看见某个星系较明显地改变其形式，这是因为这个变化过程需要很长时间。银河每自转一次要2．5亿年。如果我们使之加速自转，我们会见到银河系是一个活动的、几乎是有机的实体，有几分像一个多细胞有机体。星的任何一张天文照片，只不过是它笨重缓慢的运动和演化过程中某一阶段的一张快照而已。②星系内部区域像固体一样自转。但是，此外其外层地区的自转运动逐步变慢，就跟太阳周围的行星遵循开普勒第三定律而自转一样。它的旋臂有缠绕其核的趋向，并且旋涡在不断紧缩，而气体和尘埃则以更大密度的旋涡型式而聚积，它们又成了那年轻、炽热和光亮的恒星的形成场所，这些恒星勾出了其旋臂外形的轮廓。这些恒星照耀1000万年左右，只相当于银河系自转周期的5％。但当那些勾出了旋臂外部轮廓的恒星燃烧殆尽时，新的恒星和相联星云便随后形成，而旋涡型式则持续不变。那些勾勒出旋臂外部轮廓的恒星的生命比银河自转一次的时间短得多，留下的只有旋涡型式。

　　绕银心转动的任何一个特定恒星的速度，通常与旋臂中恒星的速度不同。太阳一直以每秒200公里（大约每小时50万公里）的速度绕银河系中心旋转，而它进出旋臂的速度则经常是前者的20倍。平均说来，太阳和它的行星在一个旋臂里要花4000万年时间，在外面要花8000万年时间，进去还要花4000万年，循环往复。旋臂勾勒出最近正在形成的许多新恒星的区域，但并不一定是像太阳一样的中年恒星所在的区域。在这个纪元，我们住在旋臂之间。

　　太阳系穿过旋臂的周期也许对我们具有很重要的影响。大约在1000万年前，太阳从猎户旋臂的谷德带中出来。猎户旋臂现在的距离略远于1000光年（猎户臂的内部是人马座臂；而英仙座臂则在猎户座臂之外）。当太阳穿过旋臂时，与现状相比则更能进入气体星云和星际尘埃云、并更可能遇到次星质量的天体。已经有人提出，我们行星上的主要冰川期，也许是由于太阳和地球间星际物质的介入造成的。大概每隔1亿年左右重现一次。W·纳皮尔和S·克拉波已经提出太阳系中的许多卫星、小行星、彗星和绕行星旋转环，曾在星际空间自由徘徊，直到太阳冲过猎户旋臂时，它们才被捕获。虽然这也许不大可能。但却是一种引人入胜的想法，也是能测定的。我们所要做的一切，就是设法得到像火星的内卫星或彗星那样的取样，然后检验其镁同位素。相当丰富的镁同位素，（都有相同数目的质子。但有不同数目的中子）取决于产生了镁的任何特殊标本的恒星核聚变事件的精确结果。其中包括邻近超新星爆炸的时限。在银河系的不同角落，本会出现事件的不同结果，并总会出现不同比率的镁同位素。

　　大爆炸的发现和星系的退行，来自一种叫做多普勒效应的常见的自然现象。对于声物理学的多普勒效应，我们是习惯的。从我们身边疾驰而过的汽车，当司机按响喇叭时，司机在车内听到的是一种固定音调的平稳的嘟嘟声；而我们在车外听到的则是音调的特有变化。在我们听来，喇叭声从高频向低频逝去。以每小时200公里的速度行驶的一辆高速汽车，几乎是空气中一高一低、一高一低的连续波，波与波离得越近，音调就越高。如果一辆汽车驶离我们而去，它便拉长了声波，在我们看来，它便使声波降到较低声调，产生了我们所熟悉的特有的声音。如果汽车向我们驶来，声波就会被压缩，其频率就增高，我们就会听到一阵高音调的声音。我们闭上眼睛也能从其音调的变化来推定汽车的速度。　　多普勒效应。一个静止的光源或声源发射出一组圆形波。如果其源从右向左移动。波的中心便由1渐进到6。在B处的观察者看到波拉长了，而在A处的观察者则看到波缩短了。远去的源被看做红移（波长拉长）近来的源被看作蓝移（波长缩短）。多普勒效应是宇宙学的关键。

　　光也是一种波。与声音不同的是，光极易穿过真空。多普勒效应在此也起作用。如果汽车由于某种原因向前方发射出一束纯黄色的光，而不是发出声音。那么汽车向我们逼近时，光频就会稍微降低。在通常速度下一这种效应难以觉察。然而，如果设法使汽车以几分之一的光速行驶，我们便能观察到向高频变化的光色，即当汽车逼近我们时，光色接近于蓝色，当汽车退离我们时，这向低频变化的光色就接近于红色。我们能觉察到以非常高的速度向我们逼近的天体具有蓝移的谱线色彩；以极高速度退离我们的天体则具有红移谱线。③在遥远星系谱线中观察并解释为多普勒效应的这种红移，是宇宙学的关键。

　　本世纪初，为眺望当时还是晴朗的洛杉矾上空，以便发现遥远的星系的红移现象，在威尔逊山上建造世界上最大的望远镜。望远镜的大部件必须运送到山顶上，这项工作是由骡马队干的。一位名叫弥尔顿·哈马森的年轻骡皮商，帮助把望远镜的机械和光学设备、科学家、工程师以及种种显贵人物运送上山。哈马森经常骑马指挥他的骡马队。马鞍后边站着他的白色小猎犬，它的前爪就搭在他的肩膀上。他是一个刁着烟斗的杂工、一个赌场老手、弹子戏行家，是一个当时被称为好对妇女献殷勤的男子。他受的正规教育不过8年，但他聪明好奇、天生好学，对被自己艰难地运到高山顶上去的设备很感兴趣。哈马森那时与天文台一位工程师的女儿相好，而这位工程师看到自己的女儿看中一个只甘当骡皮商而没有更大抱负的小伙子，便持保留的态度。因此，哈马森在天文台干一些杂活，诸如电工助理、看门、擦地板等。真是无巧不成书，一天夜里，值夜班的望远镜助理身感不适，便问哈马森是否可以暂代他的岗位。哈马森便趁机显露了他对于仪器的精湛技巧，小心照管好仪器，结果很快成为一名固定的望远镜操作员和助理观察员。

　　第一次世界大战后，埃德温·哈布尔（扫校者注：即埃温德·哈勃，哈勃定律的提出者）来到威尔逊山，并且很快就出了名。他是一位文雅、善于交际的天才学者，说话带有浓厚的英国腔，在短短一年里就获得牛津大学的罗兹（Rhodes）奖学金。正是这个哈布尔，提出了这样一个确定的论断，即：旋涡星云实际上就是“宇宙岛”，像我们自己的银河系一样，是由无数个恒星组成的集合体。他计算出了用来测量星系距离所需的恒星标准烛光。哈布尔和哈马森合作得很好，是一对难得的和谐共事的望远镜工作者。他们效法洛韦尔天文台天文学家V·M·斯莱弗，开始测量遥远星系的光谱。不久，哈马森就明显地表现出比世界上任何一个职业天文学家更具有才智去测得遥远星系的高质量的光谱。他成了威尔逊天文台的正式工作人员，学会了他工作上所需要的许多科学基础知识。他逝世时颇受天文学界的尊敬。

　　来自某个星系的光是该星系内几十亿颗恒星所发射的光的总和。当光离开这些恒星时，恒星最外层的原子就吸收了它的一定频率和某些颜色。最后，这些光谱线向我们表明数百万光年远的恒星含有与我们的太阳及其邻近恒星所含的相同化学元素。哈马森和哈布尔惊奇地发现．所有遥远星系的光谱都有红移，他们更为惊讶的是，星系离我们越远，谱线红移就越多。

　　对红移的最明确的解释要依据多普勒效应：星系在远离我们，星系离我们越远，其远离速度就越大。但是，星系为什么会逃离我们呢？难道我们在宇宙中所处的位置有什么特殊，银河在星系社会生活中似乎表现了某种漫不经心而又令人不快的举动吗？似乎更为可能的是，宇宙本身在膨胀，从而影响了星系。逐渐澄清的事实是：哈马森和哈布尔发现了大爆炸——它即使不是宇宙的起源，至少也是宇宙起源的最新化身。

　　几乎所有的现代宇宙学——特别是关于膨胀宇宙和大爆炸的观点——都是基于这么一个观点的，即：遥远星系的红移是多普勒效应，并起因于它们的远离速度。但是，自然界中还存在着其他种种红移。例如引力红移，在这种红移中，有一种离开强引力场的光，必须做许多功才能摆脱强引力，这样，它在其行程中便失去能量。这是一个被遥远的观察者理解为逸散光移为较长波长和更红颜色的过程。因为我们认为在某些星系中心可能有一些巨大的黑洞，所以这是对它们红移现象的一种可信的解释。然而，观察到的特殊谱线经常具有非常轻薄的扩散气体的特色。附近黑洞并非一定出现很高的密度。或者，红移也许是多普勒效应，并不是由宇宙的一般膨胀引起的，而是由一个较小和局部的星系爆炸引起的。不过。这么一来，我们就应指望飞向我们的爆炸碎片与飞离我们的一样多，指望蓝移与红移一样多。然而，不管我们把望远镜对准本星系群以外的多么遥远的天体，我们实际上看到的几乎只有红移，别无它物。

　　不过，关于从多普勒效应到星系红移以及宇宙在膨胀的推导是否完全正确。一些大文学家对此抱有吹毛求疵的怀疑态度。天文学家霍尔顿·阿尔普发现了种种不可思议的和混乱的情形，即：处在明显自然共生组中的一个星系和一个类星体，——或一对星系，具有极不相同的红移。偶尔似乎有连结它们的气体、尘埃和恒星桥的存在。如果红移是由宇宙的膨胀而引起的。那么极不相同的红移寓示着极不相同的距离。但自然连结着的两个星系几乎不可能又彼此离得很远，有时竟相隔有10亿光年远。持怀疑态度的人说这个共生的说法纯属统计学上的认识。例如。邻近亮星系和遥远得多的类星体只是偶尔沿视线排列。每个都有极不相同的红移和极不将同的远离速度；它们之间并没有真正形体上的联系。这种统计排列一定会不时地偶尔发生。这种争论的中心在于巧合的数目是否大于偶然的数目。阿尔普提到了其他情况，在这些情况下，红移小的星系的两侧有两个具有几乎相同的大红移的类星体。他认为，类星体不在宇宙论距离上，而被处在“前景”的星系或左或右地逐出去。这种红移是某种尚未探明的作用过程的产物。持怀疑态度的人论证了偶然巧合的排列和传统的哈布尔——哈马森对红移的解释。如果阿尔普是正确的，那么，用来解释遥远类星体能源的外来机理——超新星链式反应、超大黑洞等等——就证明是没有必要的了。那么，类星体就不一定是非常遥远的、这就需要某些其他外来机理来解释红移。在任何一种情形中，太空深处都正在发生着一些非常奇怪的事。

　　用多普勒效应解释的具有红移的星系视退离，并不是大爆炸的惟一证据。独立而又相当有说服力的证据来源于宇宙黑体背景辐射，即来源于以我们纪元中所期望的强度，相当均匀地来自宇宙中的各方向电波模糊的静电干扰，以及来自现在实际上冷却了的大爆炸的辐射。但在这点上也同样存在着令人困惑的东西。用U—2飞机把敏感的无线电天线送到接近地球大气层顶部所进行的观察已经表明，背景辐射大体上在所有方向都一样强，好像大爆炸火球相当均匀地膨胀一样，具有很准确。很对称的宇宙起源。但背景辐射一经更精确的检查，便证实并非完全对称。如果整个银河系（也许还有本星系群的其他成员）以每小时100多万英里（每秒600公里）的速度朝室女座星系团疾驰，则有一个可能被理解的很小的系统效应。以这种速率。我们将在百亿年内到达室女座星系团，那么研究河外天文学也就会容易得多了。室女星团是已知的最丰富的星系集团，充满了旋涡、椭圆体和不规则体，真是天空中的上个珠宝盒。但为什么我们会朝着它疾驶而去呢？乔治·斯姆特和他的同事们进行了这些高空观察，指出在引力作用下，银河系正被拖向室女座星团的中心，该星团有着比我们以前已探测到的多得多的星系；更令人惊讶的是，这个星系团具有巨大的容积，能跨越10亿或20亿光年远的巨大空间。

　　可探测的宇宙本身只有数百亿光年宽，要是室女座群星有一庞大的超星系团，那么在遥远得多的距离中大概还有其他相类似的超星系团存在，相对来说，要探测到这类超星系团就更困难了。在宇宙生命史中，初始引力多相性显然没有足够时间来聚积似乎存在于室女座超星系团中的大量的物质，因此，斯姆特试图得出这么一个结论，即大爆炸的一致性要比他从其他观察中所发现的少得多，宇宙中的原始物质是以多块状播散开来的（某些小块度是在预料之中的，而且甚至确实是了解星系的凝缩时所必需的。但在这个尺度上小块度却是一种意外）。或许只能通过设想有两个或更多个几乎同时发生的大爆炸，才能解答这个难题。

　　即使对膨胀宇宙和大爆炸的整个描述是正确的，我们也一定还会遇到更加棘手的难题。大爆炸时的种种情形是怎样的呢？在此之前发生过什么情况呢？是否有一个极小的宇宙，它没有任何物质，然后物质突然从虚无中冒了出来？那一切又是怎样发生的呢？许多民族的文化惯于用上帝从虚无中创造世界来回答这个问题。但这种解释只是暂时成立的。如果我们有勇气打破砂锅问到底的话，当然我们就要接着提出上帝又是从哪儿来的问题，要是我们觉得这是一个无法解答的问题那为什么不直截了当地断定：宇宙的起源同样也是一个无法解答的问题呢？换一句话说，如果我们认为上帝一直就固有存在，那为什么又不直截了当地肯定宇宙也是一直就固有存在的呢？

　　每一种民族的文化都有其创世之前和创造世界的神话，这些神话往往又配上神明或安排一个“宇宙蛋”。通常，宇宙又被天真地想象为遵循人或动物的先例。这里列举5个太平洋海盆区的神话，这些神话的复杂程度各不相同：

　　最初，一切都在永恒的黑暗中休眠：夜幕就像不能穿越的灌木丛一样笼罩着一切。

　　中澳大利亚阿拉达族创世祖神话

　　一切都处于悬疑之中，平静而默然；一切都静止不动；天空浩瀚而空荡。

　　玛雅族克丘亚人神话

　　那·阿里安像一朵在虚无中飘浮的云彩一样，孤独地坐在太空之中。他不睡，因为不知睡为何物；他不饿，因为他不知饿为何感；于是他就这样不吃不睡地过了很长时间，直到一个思想在他脑海中浮现。他自言自语地说：“我要创造出一件东西来。”

　　吉尔伯特群岛迈亚纳岛神话

　　起先有一个很大的宇宙蛋。蛋内是一团混沌：这混沌中漂浮着发育不全的神圣胚胎盘古。盘古从宇宙蛋中迸发出来。后来，身材比现在任何人大4倍，手握他用来开天辟地的锤子和凿子。

　　中国的盘古神话（大约3世纪）

　　天空和大地成形之前，一切都含混而无形……那些清澈而轻盈的东西飘扬而上，变为天空；而那些混浊而沉重的东西凝固下来，变为大地。那些纯洁、精细的物质很容易聚集在一起，而那些沉重混浊的物质则极难凝固成形。所以，天空先完整地形成了，而后才形成大地。当天空和大地在虚无中接合起来时，一切都还是原始而朴素。就这样，未经任何创造，事物就出现了。这就是大同。一切事物都出自这个大同，但都变得互不相同了……。

　　中国《淮南子》（大约公元前1世纪）

　　这些神话歌颂了人类的胆识。这些神话与我们关于大爆炸的现代科学神话之间的主要差别在于，科学是自问自答的，我们能进行实验和观察来验证我们的设想。而那些关于创世的故事只值得我们深深地敬佩。

　　人类各种文化都喜欢自然界中的循环现象。但是，有人认为，如果神不授意于它们，那些循环又怎能出现呢？如果在人类漫长的岁月中存在着循环，那么在永恒的神境里就不可以有循环吗？在致力于阐明宇宙本身经历了许多次，实际上无限多次的消亡和再生方面，印度教是世界上惟一享有盛誉的宗教。它是惟一的一种，其时间尺度无疑是偶然地与现代科学宇宙学的时间尺度相一致的宗教。其循环周期是我们平常的一天一夜到婆罗门的一天一夜，86.4亿年，比地球或太阳的年龄还长，大约是大爆炸发生以来的时间的一半，而且还有长久得多的时间尺度。

　　有一种十分引人的深奥信念，说宇宙只不过是一种神的梦境，这神在100个婆罗门年后，自己将消失在无梦的睡眠中。宇宙随着神而消失，直到另一个婆罗门世纪时，他动起来，重整旗鼓又开始做伟大的宇宙梦。同时，别处还有无穷多的其他宇宙，各有自己的神在做着各自的宇宙梦。这些伟大的设想被另一个或许更为伟大的想法所冲淡。据说，人不可能成为神梦的对象，相反，神却能成为人梦的对象。

银河系

    银河系 Milky Way galaxy 或 The Milky Way system

　　银河系是地球和太阳所属的星系^[1]。因其主体部分投影在天球上的亮带被我国称为银河而得名。银河系是一个由2000多亿颗恒星、数千个星团和星云组成的盘状恒星系统。银河系侧看像一个中心略鼓的大圆盘，整个圆盘的直径约为10万光年，太阳位于距银河中心2.3万光年处。鼓起处为银心是恒心密集区，故望去白茫茫的一片。银河系俯视像一个巨大的漩涡，这个漩涡有四个旋臂组成。太阳系位于其中一个旋臂（猎户座臂），逆时针旋转（太阳绕银心旋转一周需要2.5亿年）。

　　 银河系呈旋涡状，有4条螺旋状的旋臂从银河系中心均匀对称地延伸出来。银河系中心和4条旋臂都是恒星密集的地方。有9460800000亿公里。中间最厚的部分约12000光年。太阳位于一条叫做猎户臂的旋臂上，距离银河系中心约2.3万光年。

　银河系的发现经历了漫长的过程。望远镜发明后，伽利略首先用望远镜观测银河，发现银河由恒星组成。而后，T.赖特、I.康德、J.H.朗伯等认为，银河和全部恒星可能集合成一个巨大的恒星系统。18世纪后期，F.W.赫歇尔用自制的反射望远镜开始恒星计数的观测，以确定恒星系统的结构和大小，他断言恒星系统呈扁盘状，太阳离盘中心不远。他去世后，其子J.F.赫歇尔继承父业，继续进行深入研究，把恒星计数的工作扩展到南天。20世纪初，天文学家把以银河为表观现象的恒星系统称为银河系。J.C.卡普坦应用统计视差的方法测定恒星的平均距离，结合恒星计数，得出了一个银河系模型。在这个模型里，太阳居中，银河系呈圆盘状，直径8千秒差距，厚2千秒差距。H.沙普利应用造父变星的周光关系，测定球状星团的距离，从球状星团的分布来研究银河系的结构和大小。他提出的模型是：银河系是一个透镜状的恒星系统，太阳不在中心。沙普利得出，银河系直径80千秒差距，太阳离银心20千秒差距。这些数值太大，因为沙普利在计算距离时未计入星际消光。20世纪20年代，银河系自转被发现以后，沙普利的银河系模型得到公认。

　　银河系是一个巨型旋涡星系，Sb型，共有4条旋臂。包含一、二千亿颗恒星。银河系整体作较差自转，太阳处自转速度约220千米／秒，太阳绕银心运转一周约2.5亿年。银河系的目视绝对星等为－20.5等，银河系的总质量大约是我们太阳质量的1万亿倍，大致10倍于银河系全部恒星质量的总和。这是我们银河系中存在范围远远超出明亮恒星盘的暗物质的强有力证据。关于银河系的年龄，目前占主流的观点认为，银河系在宇宙诞生的大爆炸之后不久就诞生了，用这种方法计算出，我们银河系的年龄大概在145亿岁左右，上下误差各有20多亿年。而科学界认为宇宙诞生的“大爆炸”大约发生137亿年前。

　　9,454,254,955,488,000米

特征

　　银河系是太阳系所在的恒星系统，包括一千二百亿颗恒星和大量的星团、星云，还有各种类型的星际气体和星际尘埃。它的总质量是太阳质量的1400亿倍。在银河系里大多数的恒星集中在一个扁球状的空间范围内，扁球的形状好像铁饼。扁球体中间突出的部分叫“核球”，半径约为7千光年。核球的中部叫“银核”，四周叫“银盘”。在银盘外面有一个更大的球形，那里星少，密度小，称为“银晕”，直径为7万光年。银河系是一个旋涡星系，具有旋涡结构，即有一个银心和两个旋臂，旋臂相距4500光年。其各部分的旋转速度和周期，因距银心的远近而不同。太阳距银心约2.3万光年，以220～250千米/秒的速度绕银心运转，运转的周期约为2.4亿年。

　　银河系物质约90％集中在恒星内 。恒星的种类繁多。按照恒星的物理性质、化学组成、空间分布和运动特征，恒星可以分为5个星族。最年轻的极端星族Ⅰ恒星主要分布在银盘里的旋臂上；最年老的极端星族Ⅱ恒星则主要分布在银晕里。恒星常聚集成团。除了大量的双星外，银河系里已发现了1000多个星团。银河系里还有气体和尘埃，其含量约占银河系总质量的10％，气体和尘埃的分布不均匀，有的聚集为星云，有的则散布在星际空间。20世纪60年代以来，发现了大量的星际分子，如CO、H2O等 。分子云是恒星形成的主要场所。银河系核心部分，即银心或银核，是一个很特别的地方。它发出很强的射电、红外，X射线和γ射线辐射。其性质尚不清楚，那里可能有一个巨型黑洞，据估计其质量可能达到太阳质量的250万倍。对于银河系的起源和演化，知之尚少。

　　1971年英国天文学家林登·贝尔和马丁·内斯分析了银河系中心区的红外观测和其他性质，指出银河系中心的能源应是一个黑洞，并预言如果他们的假说正确，在银河系中心应可观测到一个尺度很小的发出射电辐射的源，并且这种辐射的性质应与人们在地面同步加速器中观测到的辐射性质一样。三年以后，这样的一个源果然被发现了，这就是人马A。

　　人马A有极小的尺度，只相当于普通恒星的大小，发出的射电辐射强度为2*10（34次方）尔格/秒，它位于银河系动力学中心的0.2光年之内。它的周围有速度高达300公里/秒的运动电离气体，也有很强的红外辐射源。已知所有的恒星级天体的活动都无法解释人马A的奇异特性。因此，人马A似乎是大质量黑洞的最佳候选者。但是由于目前对大质量的黑洞还没有结论性的证据，所以天文学家们谨慎地避免用结论性的语言提到大质量的黑洞。我们的银河系大约包含两千亿颗星体，其中恒星大约一千多亿颗，太阳就是其中典型的一颗。银河系是一个相当大的螺旋状星系，它有三个主要组成部分：包含旋臂的银盘，中央突起的银心和晕轮部分。

　　螺旋星系M83，它的大小和形状都很类似于我们的银河系。银盘外面是由稀疏的恒星和星际物质组成的球状体，称为银晕，直径约10万光年。

　　依据欧洲南天天文台(ESO)的研究报告，估计银河系的年龄约为136亿岁(109年)，几乎与宇宙一样老。由天文学家Luca Pasquini, Piercarlo Bonifacio, Sofia Randich, Daniele Galli, and Raffaele G. Gratton.所组成的团队在2004年使用甚大望远镜(VLT)的紫外线视觉矩阵光谱仪进行的研究，首度在球状星团NGC 6397的两颗恒星内发现了铍元素。这个发现让他们将第一代恒星与第二代恒星交替的时间往前推进了2至3亿年，因而估计球状星团的年龄在134±8亿岁，因此银河系的年龄不会低于136±8亿岁。

　　银河系有4条旋臂，分别是人马臂，猎户臂，英仙臂，天鹅臂。太阳位于猎户臂内侧。旋臂主要由星际物质构成。银河系也有自转。太阳系以每秒250千米速度围绕银河中心旋转，旋转一周约2.2亿年。银河系有两个伴星系：大麦哲伦星系和小麦哲伦星系。与银河系相对的称之为河外星系。

　　一般认为，银河系中的恒星多为双星或聚星。而2006年新的发现认为，银河系的主序星中2/3都是单星。

　　最新消息（2008 6.5）

　　据美国国家地理杂志报道，日前，天文学家描绘出了银河系最真实的地图，最新地图显示，银河系螺旋手臂与之前所观测的结果大相径庭，原先银河系的四个主螺旋手臂，现只剩下两个主螺旋手臂，另外两个手臂处于未成形状态。

　　这个描绘银河系进化结构的研究报告发表在本周美国密苏里州圣路易斯召开的第212届美国天文学协会会议上。3日，威斯康星州立大学怀特沃特分校的罗伯特?本杰明将这项研究报告向记者进行了简述。他指出，银河系实际上只有两个较小的螺旋手臂，与之前天文学家所推断结果不相符。

　　在像银河系这样的棒旋星系，主螺旋手臂包含着高密度恒星，能够诞生大量的新恒星，与星系中心的长恒星带清晰地连接在一起。与之比较，未成形螺旋手臂所具有的高气体密度不足以形成恒星。

　　长期以来，科学家认为银河系有四个主螺旋手臂，但是最新的绘制地图显示银河系实际上是由两个主手臂和两个未成形手臂构成。本杰明说，“如果你观测银河系的形成过程，主螺旋手臂连接恒星带具有着重要的意义。同样，这对最邻近银河系的仙女座星系也是这样的。”

　　绘制银河系地图是一个不同寻常的挑战，这对于科学家而言就如同一条小鱼试图探索整个太平洋海域一样。尤其是灰尘和气体时常模糊了我们对星系结构的观测。据悉，这个银河系最新地图主要基于“斯皮策”空间望远镜红外线摄像仪所收集的观测数据。威斯康星州立大学麦迪逊分校星系进化专家约翰?加拉格尔说，“通过红外线波长，你可以透过灰尘实际地看到我们银河系的真实结构。”目前，“斯皮策”空间望远镜所呈现的高清晰图像使天文学家能够观测大质量恒星是如何进化、宇宙结构是如何成形的。

　　“斯皮策”空间望远镜科学中心从事摄像仪研究的肖恩?凯里说，“通过这些清晰图片，你将真实地看到个别的太空目标，更加真实地理解银河系的结构特征。”

　　这张最新的银河系地图包括螺旋手臂密度和位置的数据资料，马萨诸塞州哈佛-史密森天体物理学中心(CfA)马克?里德说，“目前我们开始以立体距离跟踪银河系的螺旋手臂结构。”

　　CfA的托马斯?戴姆指出，之前人们都认为我们的银河系有两对非常对称的螺旋手臂，但最新研究显示我们之前生活在美丽螺旋手臂星系梦想已破灭

结构

　　银河系的总体结构是：银河系物质的主要部分组成一个薄薄的圆盘，叫做银盘，银盘中心隆起的近似于球形的部分叫核球。在核球区域恒星高度密集，其中心有一个很小的致密区，称银核。银盘外面是一个范围更大、近于球状分布的系统，其中物质密度比银盘中低得多，叫作银晕。银晕外面还有银冕，它的物质分布大致也呈球形。

　　观测到的银河旋臂结构2005年，银河系被发现以哈柏分类来区分应该是一个巨大的棒旋星系SBc(旋臂宽松的棒旋星系)，总质量大约是太阳质量的6,000亿至30,000亿倍。有大约1,000亿颗恒星。

　　从80年代开始，天文学家才怀疑银河是一个棒旋星系而不是一个普通的螺旋星系。2005年，斯必泽空间望远镜证实了这项怀疑，还确认了在银河的核心的棒状结构与预期的还大。

　　银河的盘面估计直径为100,000光年，太阳至银河中心的距离大约是26,000光年，盘面在中心向外凸起。

　　银河的中心有巨大的质量和紧密的结构，因此强烈怀疑它有超重质量黑洞，因为已经有许多星系被相信有超重质量黑洞在核心。

　　就像许多典型的星系一样，环绕银河系中心的天体，在轨道上的速度并不由与中心的距离和银河质量的分布来决定。在离开了核心凸起或是在外围，恒星的典型速度是每秒钟210～240公里之间。因此这星恒星绕行银河的周期只与轨道的长度有关，这与太阳系不同，在太阳系，距离不同就有不同的轨道速度对应著。

　　银河的棒状结构长约27,000光年，以44±10度的角度横亘在太阳与银河中心之间，他主要由红色的恒星组成，相信都是年老的恒星。

　　被观察到与推论的银河旋臂结构每一条旋臂都给予一个数字对应(像所有旋涡星系的旋臂)，大约可以分出12段。相信有四条主要的旋臂起源自银河的核心，它们的名称如下：

　　2 and 8 - 3kpc 和 英仙臂

　　3 and 7 - 距尺臂 和 天鹅臂 (与最近发现的延伸在一起 - 6)

　　4 and 10 - 南十字座 和 盾牌臂

　　5 and 9 - 船底座 和 人马臂

　　至少还有两个小旋臂或分支，包括：

　　11 - 猎户臂 (包含太阳和太阳系在内 - 12)

　　在主要的旋臂外侧是外环或称为麒麟座环，这是天文学家布赖恩·颜尼 (Brian Yanny)和韩第·周·纽柏格(Heidi Jo Newberg)提出，是环绕在银河系外由恒星组成的环，其中包括在数十亿年前与其他星系作用诞生的恒星和气体。

　　银河的盘面被一个球状的银晕包围著，估计直径在250,000至400,000光年。.由于盘面上的气体和尘埃会吸收部份波长的电磁波，所以银晕的组成结构还不清楚。盘面(特别是旋臂)是恒星诞生的活耀区域，但是银晕中没有这些活动，疏散星团也主要出现在盘面上。

　　银河中大部分的质量是暗物质，形成的暗银晕估计有6,000亿至3兆个太阳质量，以银河为中心被聚集著。

　　新的发现使我们对银河结构与维度的认识有所增加，比早先经由仙女座星系(M31)的盘面所获得的更多。最近新发现的证据，证实外环是由天鹅臂延伸出去的，明确的支持银河盘面向外延伸的可能性。人马座矮椭球星系的发现，与在环绕著银极的轨道上的星系碎片，说明了他因为与银河的交互作用而被扯碎。同样的，大犬座矮星系也因为与银河的交互作用，使得残骸在盘面上环绕著银河。

　　在2006年1月9日， Mario Juric和普林斯顿大学的一些人宣布，史隆数位巡天在北半球的天空中发现一片巨大的云气结构(横跨约5,000个满月大小的区域)位在银河之内，但似乎不合于目前所有的银河模型。他将一些恒星汇聚在垂直于旋臂所在盘面的垂在线，可能的解释是小的矮星系与银河合并的结果。这个结构位于室女座的方向上，距离约30,000光年，暂时被称为室女恒星喷流。

　　在2006年5月9日， Daniel Zucker 和 Vasily Belokurov宣布史隆数位巡天在猎犬座和牧夫座又发现了两个矮星系。

　　（1）银盘

　　银盘（Galactic disk）：在旋涡星系中，由恒星、尘埃和气体组成的扁平盘.

　　银河系的物质密集部分组成一个圆盘，称为银盘。银盘中心隆起的球状部分称核球。核球中心有一个很小的致密区，称银核。银盘外面范围更大、近于球状分布的系统，称为银晕，其中的物质密度比银盘的低得多。银晕外面还有物质密度更低的部分，称银冕，也大致呈球形。银盘直径约25千秒差距，厚1～2秒差距，自中心向边缘逐渐变薄，太阳位于银盘内，离银心约8.5千秒差距，在银道面以北约8秒差距处 。银盘内有旋臂，这是气体、尘埃和年轻恒星集中的地方。银盘主要由星族Ⅰ天体组成，如G～K型主序星、巨星、新星、行星状星云、天琴RR变星、长周期变星、半规则变星等。核球是银河系中心恒星密集的区域 ，近似于球形 ，直径约4千秒差距，结构复杂。核球主要由星族Ⅱ天体组成，也有少量星族Ⅰ天体 。核球的中心部分是 银 核 。它发出很强的射电、红外、X射线和γ射线 。其性质尚不清楚 ，可能包含一个黑洞。银晕主要由晕星族天体，如亚矮星、贫金属星、球状星团等组成，没有年轻的O、B型星，有少量气体。银晕中物质密度远低于银盘。银晕长轴直径约30千秒差距 ，年龄约1010年，质量还不十分清楚。在银晕的恒星分布区以外的银冕是一个大致呈球形的射电辐射区，其性质了解得甚少。

　　1785 年， F.W.赫歇尔第一个研究了银河系结构。他用恒星计数方法得出银河系恒星分布为扁盘状、太阳位于盘面中心的结论。1918年，H.沙普利研究球状星团的空间分布 ，建立了银河系透镜形模型，太阳不在中心。到了20世纪20年代，沙普利模型得到公认。但由于未计入星际消光，沙普利模型的数值不准确。研究银河系结构传统上是用光学方法，但光学方法有一定的局限性。近几十年来发展起来的射电方法和红外技术成为研究银河系结构的强有力的工具。在沙普利模型的基础上，对银河系的结构已有了较深刻的了解。

　　银盘是银河系的主要组成部分，在银河系中可探测到的物质中，有九成都在银盘范围以内。银盘外形如薄透镜，以轴对称形式分布于银心周围，其中心厚度约1万光年，不过这是微微凸起的核球的厚度，银盘本身的厚度只有2000光年，直径近10万光年，可见总体上说银盘非常薄。

　　除了1000秒差距范围内的银核绕银心作刚体转动外，银盘的其他部分都绕银心作较差转动，即离银心越远转得越慢。银盘中的物质主要以恒星形式存在，占银河系总质量不到10％的星际物质，绝大部分也散布在银盘内。星际物质中，除含有电离氢、分子氢及多种星际分子外，还有10％的星际尘埃，这些直径在1微米左右的固态微粒是造成星际消光的主要原因，它们大都集中在银道面附近。

　　由于太阳位于银盘内，所以我们不容易认识银盘的起初面貌。为了探明银盘的结构，根据本世纪40年代巴德和梅奥尔对旋涡星系M31（仙女座大星云）旋臂的研究得出旋臂天体的主要类型，进而在银河系内普查这几类天体，发现了太阳附近的三段平行臂。由于星际消光作用，光学观测无法得出银盘的总体面貌。有证据表明，旋臂是星际气体集结的场所，因而对星际气体的探测就能显示出旋臂结构，而星际气体的21厘米射电谱线不受星际尘埃阻挡，几乎可达整个银河系。光学与射电观测结果都表明，银盘确实具有旋涡结构。

　　（2）银心

　　星系的中心凸出部分，是一个很亮的球状，直径约为两万光年，厚一万光年，这个区域由高密度的恒星组成，主要是年龄大约在一百亿年以上老年的红色恒星，很多证据表明，在中心区域存在着一个巨大的黑洞，星系核的活动十分剧烈。银河系的中心﹐即银河系的自转轴与银道面的交点。

　　银心在人马座方向﹐1950年历元坐标为﹕赤经174229﹐赤纬 -28°5918。银心除作为一个几何点外﹐它的另一含义是指银河系的中心区域。太阳距银心约10千秒差距﹐位于银道面以北约8秒差距。银心与太阳系之间充斥著大量的星际尘埃﹐所以在北半球用光学望远镜难以在可见光波段看到银心。射电天文和红外观测技术兴起以后﹐人们才能透过星际尘埃﹐在2微米到73厘米波段﹐探测到银心的信息。中性氢21厘米谱线的观测揭示﹐在距银心4千秒差距处o有氢流膨胀臂﹐即所谓“三千秒差距臂”(最初将距离误定为3千秒差距﹐后虽订正为 4千秒差距﹐但仍沿用旧名)。大约有 1﹐000万个太阳质量的中性氢﹐以每秒53公里的速度涌向太阳系方向。在银心另一侧﹐有大体同等质量的中性氢膨胀臂﹐以每秒135公里的速度离银心而去。它们应是1﹐000万至1﹐500万年前﹐以不对称方式从银心抛射出来的。在距银心 300秒差距的天区内﹐有一个绕银心快速旋转的氢气盘﹐以每秒70～140公里的速度向外膨胀。盘内有平均直径为 30秒差距的氢分子云。

　　在距银心70秒差距处﹐则有激烈扰动的电离氢区﹐也以高速向外扩张。现已得知﹐不仅大量气体从银心外涌﹐而且银心处还有一强射电源﹐即人马座A﹐它发出强烈的同步加速辐射。甚长基线干涉仪的探测表明﹐银心射电源的中心区很小﹐甚至小于10个天文单位﹐即不大于木星绕太阳的轨道。12.8微米的红外观测资料指出﹐直径为1秒差距的银核所拥有的质量﹐相当于几百万个太阳质量﹐其中约有100万个太阳质量是以恒星形式出现的。腥巳衔o银心区有一个大质量致密核﹐或许是一个黑洞。流入致密核心吸积盘的相对论性电子﹐在强磁场中加速﹐于是产生同步加速辐射。银心气体的运动状态﹑银心强射电源以及有强烈核心活动的特殊星系(如塞佛特星系)的存在﹐使我们认为﹕在星系包括银河系的演化史上﹐曾有过核心激扰活动﹐这种活动至今尚未停息。

　　（3）银晕

　　银河晕轮弥散在银盘周围的一个球形区域内，银晕直径约为九万八千光年,这里恒星的密度很低，分布着一些由老年恒星组成的球状星团，有人认为，在银晕外面还存在着一个巨大的呈球状的射电辐射区，称为银冕，银冕至少延伸到距银心一百千秒差距或三十二万光年远。

　　银河系是一个透镜形的系统，直径约为25千秒差距，厚约为1～2千秒差距。它的主体称为银盘。高光度星、银河星团和银河星云组成旋涡结构迭加在银盘上。银河系中心为一大质量核球，长轴长4～5千秒差距,厚4千秒差距。银河系为直径约30千秒差距的银晕笼罩。银晕中最亮的成员是球状星团。银河系的质量为1.4×1011太阳质量,其中恒星约占90％，气体和尘埃组成的星际物质约占10％。 银河系整体作较差自转。太阳在银道面以北约8秒差距处距银心约10千秒差距，以每秒250公里速度绕银心运转,2.5亿年转一周。太阳附近物质（恒 星和星际物质）的总密度约为0.13太阳质量/秒差距3或 8.8×10-24克/厘米3。银河系是一个Sb或Sc型旋涡星系， 拥有一、二千亿颗恒星，为本星系群中除仙女星系外最大的巨星系。它的视绝对星等为Mv=-20.5。它以 1010年 的时间尺度演化。

研究

　　（1）古代探索史

　　虽然从非常久远的古代，人们就认识了银河系。但是对银河系的真正认识还是从近代开始的。

　　1750年，英国天文学家赖特（Wright Thomas）认为银河系是扁平的。1755年，德国哲学家康德提出了恒星和银河之间可能会组成一个巨大的天体系统；随后的德国数学家郎伯特（Lambert Johann heinrich）也提出了类似的假设。到1785年，英国天文学家威廉·赫歇耳绘出了银河系的扁平形体，并认为太阳系位于银河的中心。

　　1918年，美国天文学家沙普利（Harlow Shapley）经过4年的观测，提出太阳系应该位于银河系的边缘。1926年，瑞典天文学家林得布拉德（Lindblad Bertil）分析出银河系也在自转。

　　（2）近代研究

　　十八世纪中叶人们已意识到，除行星、 月球等太阳系天体外，满天星斗都是远方的“太阳”。赖特、康德和朗伯特最先认为，很可能是全部恒星集合 成了一个空间上有限的巨大系统。

　　第一个通过观测研究恒星系统本原的是F.W.赫歇耳。 他用自己磨制的反射望远镜，计数了若干天区内的恒星。 1785年，他根据恒星计数的统计研究，绘制了一幅扁而平、轮廓参差、太阳居其中心的银河系结构图。他用50 厘米和120厘米口径望远镜观测,发现望远镜贯穿本领增 加时，观察到的暗星也增多，但是仍然看不到银河系的边缘。F.W.赫歇耳意识到，银河系远比他最初估计的为大。F.W.赫歇耳死后，其子J.F.赫歇耳继承父业，将恒星计数工作范围扩展到南半天。十九世纪中叶，开始测定恒星的距离，并编制全天星图。1906年，卡普坦为了重新研究恒星世界的结构,提出了“选择星区”计划,后 人称为“卡普坦选区”。他于1922年得出与F.W.赫歇耳的类似的模型，也是一个扁平系统，太阳居中，中心的恒星密集，边缘稀疏。沙普利在完全不同的基础上，探讨银河系的大小和形状。他利用1908～1912年勒维特发现的麦哲伦云中造父变星的周光关系，测定了当时已发现有造父变星的球状星团的距离。在假设没有明显星际消光的前提下，于1918年建立了银河系透镜形模型，太阳不在中心。到二十年代，沙普利模型已得到天文界公认。由于未计入星际消光效应，沙普利把银河系估计过大。到1930年，特朗普勒证实星际物质存在后，这一偏差才得到纠正。

　　银河系物质约90％集中在恒星内。1905年，赫茨普龙发现恒星有巨星和矮星之分。1913年，赫罗图问世后，按照光谱型和光度两个参量，得知除主序星外，还有超巨星、巨星、亚巨星、亚矮星和白矮星五个分支。 1944年，巴德通过仙女星系的观测，判明恒星可划分为星族Ⅰ和星族Ⅱ两种不同的星族。星族Ⅰ是年轻而富金属的天体，分布在旋臂上，与星际物质成协。星族Ⅱ是 年老而贫金属的天体，没有向银道面集聚的趋向。1957年，根据金属含量、年龄、空间分布和运动特征，进而将两个星族细分为中介星族Ⅰ、旋臂星族(极端星族Ⅰ)、 盘星族、中介星族Ⅱ和晕星族（极端星族Ⅱ）。

　　恒星成双、成群和成团是普遍现象。在太阳附近25 秒差距以内，以单星形式存在的恒星不到总数之半。迄今已观测到球状星团132个,银河星团1,000多个,还有为数不少的星协。据统计推论，应当有18,000个银河星团 和500个球状星团。二十世纪初,巴纳德用照相观测，发现了大量的亮星云和暗星云。1904年，恒星光谱中电离钙谱线的发现，揭示出星际物质的存在。随后的分光和偏振研究，证认出星云中的气体和尘埃成分。近年来通过红外波段的探测发现在暗星云密集区有正在形成的恒星。射电天文学诞生后，利用中性氢21厘 米谱线勾画出银河系旋涡结构。根据电离氢区的描绘，发现太阳附近有三条旋臂:人马臂、猎户臂和英仙臂;太阳位于猎户臂的内侧。此外，在银心方向还发现了一条3千秒差距臂。旋臂间的距离约1.6千秒差距。1963年,用 射电天文方法观测到星际分子OH，这是自从1937～1941年间,在光学波段证认出星际分子CH、CN和CH+以来的重 大突破。到1979年底，发现的星际分子已超过50种。

　　银河系的起源这一重大课题目前还了解得很差。这不仅要研究一般星系的起源和演化，还必须研究宇宙学。按大爆炸宇宙学假说，我们观测到的全部星系都是1010年前高密态原始物质因密度发生起伏,出 现引力不稳定和不断膨胀，逐步形成原星系，并演化为包括银河系在内的星系团的。而稳恒态宇宙模型假说则 认为，星系是在高密态的原星系核心区连续形成的。

　　银河系演化的研究近年来才有一些成就。关于太阳附近老年恒星空间运动的资料表明，在原银河星云的坍缩过程中，最早诞生的是晕星族,它们的年龄是100多亿年，化学成分是氢约占73％，氦约占27％。而大部分气体物质集聚为银盘，并随后形成盘星族。近年还从恒星的形成和演化、元素的丰度的变迁、银核的活动及其在演化中的地位等角度探讨银河系的整体演化。六十年代发展起来的密度波理论，很好地说明了银河系旋涡结构的整体结构及其长期的维持机制。

相关资料

　　（1）周边星系

　　NGC 7331经常被视为"银河的双胞胎"，从银河系之外回顾我们的银河或许就是这个样子。银河、仙女座星系和三角座星系是本星系群主要的星系，这个群总共约有50个星系，而本地群又是室女座超星系团的一份子。

　　银河被一些本星系群中的矮星系环绕著，其中最大的是直径达21,000光年的大麦哲伦云，最小的是船底座矮星系、天龙座矮星系和狮子II矮星系，直径都只有500光年。其他环绕著银河系的还有小麦哲伦云，最靠近的是大犬座矮星系，然后是人马座矮椭圆星系、小熊座矮星系、玉夫座矮星系、六分仪座矮星系、天炉座矮星系和狮子I矮星系。

　　在2006年1月，研究人员的报告指出，过去发现银河的盘面有不明原因的倾斜，现在已经发现是环绕银河的大小麦哲伦云的扰动所造成的涟漪。是在她们穿过银河系的边缘时，导致了某些频率的震动所造成的。这两个星系的质量大约是银河的2%，被认为不足以影响到银河。但是加入了暗物质的考量，这两个星系的运动就足以对较大的银河造成影响。在加入暗物质之后的计算结果，对银河的影响增加了20倍，这个计算的结果是根据麻萨诸塞州大学阿默斯特分校马丁·温伯格的电脑模型完成的。在他的模型中，暗物质的分布从银河的盘面一直分布到已知的所有层面中，结果模型预测当麦哲伦星系通过银河时，重力的冲击会被放大。

　　（2）穿过空间的速度

　　一般而言，根据爱因斯坦的狭义相对论，任何物体通过空间时的绝对速度是没有意义的，因为在太空中没有合适的惯性参考系统, 可以作为测量银河速度的依据(运动的速度, 总是需要与另一个物体比较才能量度)。

　　因为各向宇宙微波背景辐射非常的均匀, 只有万分之几的起伏. 所以就让乔治·斯穆特想到了一个方法, 就是测量宇宙微波背景辐射有没有偶极异向性。

　　在1977年, 美国劳伦斯伯克莱国立实验室的乔治·斯穆特等人, 将微波探测器安装在U-2侦察机上面, 确切地测到了宇宙微波背景辐射的偶极异向性, 大小为 3.5±0.6 mK, 换算后, 太阳系在宇宙中的运动速度约为 390±60 km/s, 但这个速度, 与太阳系绕行银河系核的速度 220 km/s 方向相反, 这代表银河系核在宇宙中的速度, 约为600 多km/s。

　　有鉴于此，许多天文学家相信银河以每秒600公里的速度相对于邻近被观测到的星系在运动，大部份的估计值都在每秒130～1,000 公里之间。如果银河的确以每秒600公里的速度在运动，我们每天就会移动5,184万公里，或是每年189 亿公里。相较于太阳系内，每年移动的距离是地球与冥王星最接近时距离的4.5倍。银河在空间中运动的方向是指向长蛇座的方向。

　　（3）神话

　　世界各地有许多创造天地的神话围绕著银河系发展出来。很特别的是，在希腊就有两个相似的希腊神话故事在解释银河是怎么来的。有些神话将银河和星座结合在一起，认为成群牛只的乳液将深蓝色的天空染白了。在东亚，人们相信在天空中群星间的雾状带是银色的河流，也就是我们所说的天河。

　　Akashaganga是印度人给银河的名称，意思是天上的恒河。

　　依据希腊神话，银河是赫拉在发现宙斯以欺骗的手法诱使他去喂食年幼的赫尔克里斯因而溅洒在天空中的奶汁。另一种说法则是赫耳墨斯偷偷的将赫尔克里斯带去奥林匹斯山，趁著赫拉沉睡时偷吸他的奶汁，而有一些奶汁被射入天空，于是形成了银河。

　　在芬兰神话中，银河被称为鸟的小径，因为它们注意到候鸟在向南方迁徙时，是靠著银河来指引的，它们也认为银河才是鸟真正的居所。现在，科学家已经证实了这项观测是正确的，候鸟确实在依靠银河来引导，在冬天才能到温暖的南方陆地居住。即使在今天，芬兰语中的银河依然使用Linnunrata这个字。

　　在瑞典，银河系被认为是冬天之路，因为在斯堪的纳维亚地区，冬天的银河是一年中最容易被看见的。

　　古代的亚美尼亚神话称银河系为麦秆贼之路，叙述有一位神祇在偷窃麦秆之后，企图用一辆木制的运货车逃离天堂，但在路途中掉落了一些麦秆。

　　（4）银河的未来

　　目前的观测认为仙女座星系(M31)正以每秒300公里的速度朝向银河系运动，在30-40亿年后可能会撞上银河系。但即始真的的发生碰撞，太阳以及其他的恒星也不会互相碰撞，但是这两个星系可能会花上数十亿年的时间合并成椭圆星系。

　　天文学家发现银河系“比之前想象的要大”

　　据英国广播公司6日报道，由国际天文学家组成的研究小组发现，地球所在的银河系比原来以为的要大，运转的速度也更快。

　　 天文学家利用在夏威夷、加勒比海地区和美国东北部的天文望远镜观察得出结论，银河系正以每小时90万公里的速度转动，比之前估计的快大约百分之十。

　　银河系的体积也比之前预计的大一半左右。

　　科学家们指出，体积越大，与邻近星河发生灾难性撞击的可能性也增大。

　　不过，即使发生也将是在二、三十亿年之后。

　　美国哈佛-史密森天体物理学中心的研究员利用"超长基线阵列"(Very LongcenterArray)仪器来推论地球所在银河系的质量和速度。

　　研究员表示，使用这个方法找出的数据更准确，比较以前的方式所需要的假定更小。

　　研究员还说，最新发现显示银河系与仙女座星系(Andromeda Galaxy)的大小相约。

　　仙女座星系、银河系和三角星系是地球所在的星系中三个最大的星系群。

　　此前，科学家一直认为仙女座最大，银河系只是仙女座的"小妹妹"。

　　研究员在美国加利福尼亚州第213届美国太空学会会议上发表有关研究结果。

　　【银河系常用数据表】

　　银河系常用数据表

　　质量≈10E11太阳质量

　　直径≈100千秒差距

　　银心方向：α=17h42m.5， δ=-28°59′

　　太阳距银心≈9千秒差距

　　北银极：α=12h49m， δ=-27°24′

　　太阳处银河系旋转速度≈250公里/秒

　　太阳处银河系旋转周期≈220E6年

　　相对于3K背景的运动速度≈600公里/秒

　　（朝向α=10h， δ=-20°方向）

　　太阳常用数据表

　　太阳质量 ＝ 1.9891×1033克

　　日地距离：

　　日地平均距离 (天文单位) = 1.49597870×1011 米（1亿5千万公里）

　　日地最远距离 ＝ 1.5210×1011 米

　　日地最近距离 ＝ 1.4710×1011 米

　　太阳常数 f ＝ 1.97 卡·厘米-2·分-1

　　太阳半径 R ＝ 696265 公里

　　太阳表面积 ＝ 6.087×1012 平方公里

　　太阳体积 ＝ 1.412×1018 立方公里

　　太阳平均密度 ＝ 1.409 克·厘米-3

　　太阳表面有效温度 ＝ 5770 K

　　自转会合周期：

　　赤道＝26.9天

　　极区＝31.1天

　　光谱型： G2V

　　目视星等 ＝ －26.74 等

　　绝对目视星等 ＝ 4.83 等

　　热星等 ＝－-26.82 等

　　绝对热星等 ＝ 4.75 等

　　太阳表面重力加速度 ＝ 2.74×104 厘米／秒2 (为地球表面重力加速度的27.9倍)

　　太阳表面脱离速度 ＝ 618 公里／秒

　　太阳中心温度：1.5×107 K

　　太阳中心密度：160 ·厘米-3

　　地球附近太阳风的速度： 450公里／秒

　　太阳运动速度 (方向α＝18h07m，δ＝+30°) ＝ 19.7 公里／秒

　　太阳主要化学成分：氢（71％）、氮（27％），氧、碳、氮、氖；硅、铁等

　　太阳年龄 ～ 5×109 年

　　太阳活动周期 ＝ 11.04 年

　　地球常用数据表

　　地球质量: M = 5.9742×1027克　

　　赤道半径 = 6378.140 公里　

　　极半径 = 6356.755 公里　

　　平均半径 = 6371.004 公里　

　　赤道周长 = 40075.13 公里　

　　纬度1°长度 = 111.133－0.559cos2φ 公里 (纬度φ处)　

　　经度1°长度 = 111.413cosφ－0.094cos3φ 公里　

　　标准大气压P0 = 760 毫米汞柱　

　　大气中的声速(0度) V = 331.36 米／秒　

　　大气中的声速(常温) V = 340米／秒　

　　地球表面磁场强度 ～ 5×10-5 忒斯拉　

　　北磁极：76°N, 101°W;　

　　南磁极：66°S, 140°E　

　　地球表面重力加速度(φ = 45°) : g = 9.8061 米／秒2　

　　地球表面积 = 5.11×108平方公里　

　　陆地面积 = 1.49×108平方公里 (占总表面积的29.2％)　

　　海洋面积 = 3.62×108平方公里 (占总表面积的70.8％)　

　　地球体积 = 1.0832×1012 立方公里

　　地球平均密度 = 5.518 克·厘米-3：　

　　地球年龄 ～ 46 亿年　

　　地球表面脱离速度 ＝ 11.2 公里/秒　

　　光行差常数(J2000) k = 20.49552"　

　　黄赤交角(J2000) ε = 23°26'21".448　

　　黄径总岁差(J2000) P = 5029”.0966 (每世纪)　

　　岁差周期 ＝ 25800 年　

　　平均轨道速度 ＝ 29.79 公里/秒　

　　月球常用数据表

　　月球质量 M = 7.3506 × 1025克(相对于地球的1/81)

　　月球直径 ＝ 3476.4 公里

　　月球体积 ＝ 2.200×1010 立方公里

　　月球平均密度 ＝ 3.34 克·厘米-3

　　月地平均距离 ＝ 384401 公里 = 0.00257 天文单位

　　= 60.2682 地球赤道半径

　　近地点平均距离 ＝ 363300 公里

　　远地点平均距离 ＝ 405500 公里

　　月球表面积 ～ 1/14 的地球表面积

　　黄道与白道交角 ＝ 5°09’

　　轨道偏心率 ＝ 0.0549

　　赤道面与黄道面交角 ＝ 1°32’

　　赤道面与白道面交角 ＝ 6°41’

　　平均轨道速度 ＝ 1 公里/秒

　　在平均距离处满月的亮度 ＝ －12．7 等

　　月球表面温度：

　　最高温度 = + 127 摄氏度

　　最低温度 = －183 摄氏度

　　月球表面重力加速度 ＝ 1.62 米/秒2 (为地球表面重力加速度的1/6)

　　月球表面脱离速度 ＝ 2.38 公里/ 秒

　　月球年龄 ～ 4.6×109 年

        河外星系

    17世纪，人们陆续发现了一些朦胧的天体，于是称它们为“星云”。有的星云是气体的，有的被认为像银河系一样，是由许许多多恒星组成的宇宙岛，由于距离地球太远，观测都分辨不清那些由大量恒星构成的朦胧天体。那么，它们有多远呢？是银河系内的，还是银河系外的呢？

　　20世纪20年代，美国天文学家哈勃在仙女座大星云中发现了一种叫作“造父变星”的天体，从而计算出星云的距离，终于肯定它是银河系以外的天体系统，称它们为“河外星系”。

　　河外星系，简称为星系，是位于银河系之外、由几十亿至几千亿颗恒星、星云和星际物质组成的天体系统。目前已发现大约10亿个河外星系。银河系也只是一个普通的星系。人们估计河外星系的总数在千亿个以上，它们如同辽阔海洋中星罗棋布的岛屿，故也被称为"宇宙岛^[1]"。

　　关于河外星系的发现过程可以追溯到两百多年前。在当时法国天文学家梅西耶 ( Messier Charles ) 为星云编制的星表中，编号为M31的星云在天文学史上有着重要的地位。初冬的夜晚，熟悉星空的人可以在仙女座内用肉眼找到它——一个模糊的斑点，俗称仙女座大星云。从1885年起，人们就在仙女座大星云里陆陆续续地发现了许多新星，从而推断出仙女座星云不是一团通常的、被动地反射光线的尘埃气体云，而一定是由许许多多恒星构成的系统，而且恒星的数目一定极大，这样才有可能在它们中间出现那么多的新星。如果假设这些新星最亮时候的亮度和在银河系中找到的其它新星的亮度是一样的，那么就可以大致推断出仙女座大星云离我们十分遥远，远远超出了我们已知的银河系的范围。但是由于用新星来测定的距离并不很可靠，因此也引起了争议。直到1924年，美国天文学家哈勃用当时世界上最大的2.4米口径的望远镜在仙女座大星云的边缘找到了被称为"量天尺"的造父变星，利用造父变星的光变周期和光度的对应关系才定出仙女座星云的准确距离，证明它确实是在银河系之外，也像银河系一样，是一个巨大、独立的恒星集团。因此,仙女星云应改称为仙女星系。

　　从河外星系的发现，可以反观我们的银河系。它仅仅是一个普通的星系，是千亿星系家族中的一员，是宇宙海洋中的一个小岛，是无限宇宙中很小很小的一部分。

分类

　　目前的星系分类法是哈勃在1926年提出的，分为：

　　椭圆星系：

　　椭圆星系：外形呈正圆形或椭圆形，中心亮，边缘渐暗。按外形又分为E0到E7八种次型。椭圆星系是河外星系的一种，呈圆球型或椭球型。中心区最亮，亮度向边缘递减，对距离较近的，用大型望远镜望远镜可以分辨出外围的成员恒星。椭圆星系根据哈勃分类，按其椭率大小分为E0、E1、E2、E3、…、E7共八个次型，E0型是圆星系，E7是最扁的椭圆星系。同一类型的河外星系，质量差别很大，有巨型和矮型之分，其中以椭圆星系的质量差别最大。质量最小的矮椭圆星系和球状星团相当，而质量最大的超巨型椭圆星系可能是宇宙中最大的恒星系统，质量范围约为太阳的千万倍到百万亿倍，光度幅度范围从绝对星等-9等到-23等。 椭圆星系质量光度比约为50~100，而旋涡星系的质光比约为2~15。这表明椭圆星系的产能效率远远低于旋涡星系。椭圆星系的直径范围是1~150千秒差距。总光谱型为K型，是红巨星的光谱特征。颜色比旋涡星系红，说明年轻的成员星没有旋涡星系里的多，由星族II天体组成，没有或仅有少量星际气体和星际尘埃，椭圆星系中没有典型的星族I天体蓝巨星。关于椭圆星系的形成，有一种星系形成理论认为，椭圆星系是由两个旋涡扁平星系相互碰撞、混合、吞噬而成。天文观测说明，旋涡扁平星系盘内的恒星的年龄都比较轻，而椭圆星系内恒星的年龄都比较老，即先形成旋涡扁平星系，两个旋涡扁平星系相遇、混合后再形成椭圆星系。还有人用计算机模拟的方法来验证这一设想，结果表明，在一定的条件下，两个扁平星系经过混合的确能发展成一个椭圆星系。加拿大天文学家考门迪在观测中发现，某些比一般椭圆星系质量大的多的巨椭圆星系的中心部分，其亮度分布异常，仿佛在中心部分另有一小核。他的解释就是由于一个质量特别小的椭圆星系被巨椭圆星系吞噬的结果。但是，星系在宇宙中分布的密度毕竟是非常低的，它们相互碰撞的机会极小，要从观测上发现两个星系恰好处在碰撞和吞噬阶段是是非常困难的。所以，这种形成理论还有待人们去深入探索。

　　漩涡星系：

　　太阳系所处的银河系是一个漩涡星系，主要由质量和年龄不尽相同的数以千亿计的恒星和星际介质（气体和尘埃）所组成。它们大都密集地分布在银河系对称平面附近，形成银盘，其余部分则散布在银盘上下近于球状的银晕里。恒星和星际介质在银盘内也不是均匀分布的，而是更为密集地分布在由银河中心伸出的几个螺旋形旋臂内，成条带状。一般分布在旋臂内的恒星，年轻而富金属，并多与电离氢云之类的星际介质成协。而点缀在银晕里的恒星则是年老而贫金属的。其中最老的恒星年龄达１５０亿年，有的恒星早已衰老并通过超新星爆发将内部所合成的含有重元素的碎块连同灰烬一起降落到银盘上。

　　透镜星系：

　　在椭圆星系中，比E7型更扁的并开始出现旋涡特征的星系，被称为透镜星系。透镜星系是椭圆星系向旋涡星系或者椭圆星系向棒旋星系的过渡时的一种过度型星系。

　　不规则星系：

　　外形不规则,没有明显的核和旋臂,没有盘状对称结构或者看不出有旋转对称性的星系,用字母Irr表示。在全天最亮星系中,不规则星系只占5%。 按星系分类法,不规则星系分为Irr I型和Irr II型两类。 I型的是典型的不规则星系, 除具有上述的一般特征外,有的还有隐约可见不甚规则的棒状结构。它们是矮星系,质量为太阳的一亿倍到十亿倍,也有可高达100亿倍太阳质量的。它们的体积小,长径的幅度为2~9千秒差距。星族成分和Sc型螺旋星系相似:O-B型星、电离氢区、气体和尘埃等年轻的星族I天体占很大比例。 II型的具有无定型的外貌,分辨不出恒星和星团等组成成分,而且往往有明显的尘埃带。 一部分II型不规则星系可能是正在爆发或爆发后的星系，另一些则是受伴星系的引力扰动而扭曲了的星系。所以I型和II型不规则星系的起源可能完全不同。

河外星系的特征

　　大小：

　　椭圆星系的大小差异很大，直径在3300多光年至49万光年之间；旋涡星系的直径一般在1.6万光年至16万光年之间；不规则星系直径一般在6500光年至2．9万光年之间。当然，由于星系的亮度总是由中心向边缘渐暗，外边缘没有明显界线，往往用不同的方法测得的结果也是不一样的。

　　质量：

　　星系质量一般在太阳质量的100万至10000亿倍之间。椭圆星系的质量差异很大，大小质量差竟达1亿倍。相比之下，旋涡星系质量居中，不规则星系一般较小。

　　运动：

　　星系内的恒星在运动，星系本身也有自转，星系整体在空间同样在运动。星系的红移现象所谓星系的红移现象，就是在星系的光谱观测中，某一谱线向红端的位移。为什么有这种位移呢？这种位移现象说明了什么呢？根据物理学中的多普勒效应，红移表明被观测的天体在空间视线方向上正在远离我们而去。1929年，哈勃发现星系红移量与星系离我们的距离成正比。距离越远，红移量越大。这种关系被称之为哈勃定律。这是大爆炸宇宙学的实测依据。

　　分布：

　　星系在宇宙空间的总体分布是各个方向都一样，近于均匀。但是从小尺度看，星系的分布又是不均匀的，与恒星的分布一样，有成团集聚的倾向，大麦哲伦星系和小麦哲伦星系组成双重星系。它们又和银河系组成三重星系。加上仙女座大星系等构成了本星系群。

　　演化：

　　作为庞大的天体系统来说，星系也是有形成、发展到衰亡的演化过程。星系从形态序列看有椭圆星系、旋涡星系和不规则星系。这种形态上的差别是否代表它们演化阶段的不同呢？谁属年轻？谁是中年？谁算老年？现在仍未有结论，尚处于探索之中。

　　目前，已发现10亿个河外星系。最著名的河外星系有：仙女座河外星系、猎犬座河外星系、大麦哲伦星系、小麦哲伦星系和室女座河外星系等。

        活跃星系核

    活跃星系核（active galactic nucleus，缩写为AGN）是一类中央核区活动性很强的系外星系。这些星系显得比普通星系活跃，在从无线电波到伽玛射线的全波段里都发出很强的电磁辐射，光度大约在1036-1041J/s之间，人们将它们称为活跃星系。活跃星系核是这些星系明亮的核心部分，尺度通常在1光年上下，只占整个活跃星系的很小一部分。但由于其光度大大超过宿主星系，因此活跃星系核通常也指整个活跃星系。

　　1960年代类星体发现以来，又相继发现了许多具有类似特征的天体，都是系外星系，统称为活跃星系核，共同点是光谱具有很高的红位移，表明距离远在宇宙学尺度上，同时光度很高，远远高于普通的星系。进一步观测显示，这些天体往往具有快速的光变，光变时标从数小时到到数日不等，显示其尺度只占整个星系的很小一部分。此外，活跃星系核的光谱范围非常宽，表现为非热辐射谱，还具有很强的发射线，同时往往伴有喷流现象。几十年来发现的活动星系核种类繁多，包括西佛星系、类星体、射电星系、蝎虎座BL型天体等，而且不同种类之间观测特征相互混杂。长期以来人们一直对它们的机制和演化感到困惑，投入了大量的人力物力进行研究，使得活动星系核成为20世纪90年代以来天文学最热门和最活跃的研究领域之一。目前得到广泛接受的观点认为，活动星系核由超大质量黑洞和吸积盘构成。依据理论和观测研究，人们建立了活动星系核标准模型，即中央是一个黑洞，周围的物质受到引力作用下落，在黑洞周围形成了吸积盘。由于耗散作用气体被加热到很高的温度，并逐渐下落到黑洞中央，并且形成了沿吸积盘法线方向的喷流。活动星系核的观测特征主要依赖于中心黑洞、吸积盘的特征以及视线方向。

活跃星系核的分类

　　各种活动星系核的观测特征依赖于所采用的观测手段，而不是活动星系核本身。因此各种活动星系核特征往往相互混杂在一起。虽然如此，它们大体上可分为如下几类：

　　西佛星系（Seyfert galaxies）：最早被证认的活跃星系核。特点是核的亮度高，具有强的高电离发射线，谱线很宽，强大、变化的X射线，很强的红外辐射，大部分为漩涡星系，也有不规则星系。根据发射线的宽度、形状可分为Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型塞弗特星系具有宽的发射线，Ⅱ型只具有窄的发射线。进一步还可以划分成1.5、1.8、1.9等类型。

　　类星体（Quasars）：具有非常大的红移，光度很高，光谱中有发射线，可见光波段为幂律谱，多数有X射线辐射，少部分具有很强的射电辐射。

　　射电星系：具有很强的射电辐射，大部分有两个辐射源，称为双源型射电星系。通常为椭圆星系。根据发射线的宽度大体可分为宽线射电星系（BLRG）和窄线射电星系（NLRG）。

　　蝎虎座BL型天体：星系核非常亮，短时间曝光和恒星很类似。光度具有很快的变化，射电辐射有很强的偏振，光谱中既没有吸收线也没有发射线，因此其红移只能从宿主星系的光谱推断出来。  　光学剧变类星体（OVV）：光度具有很快的变化，往往是强射电源。与蝎虎座BL型天体合称耀变体（Blazar）。

　　低电离核发射线区（LINER）：核光度比较低，具有低电离的核发射线区，有时发现为低光度的2型塞弗特星系。

　　窄线X射线星系（NLXG）：具有高电离发射线，类似塞弗特星系，但光度较低。被认为是光谱受到星系内尘埃消光的塞弗特星系。

　　星爆星系：具有巨大的恒星形成区，红外光度高于可见光光度，大部分为旋涡星系。属于活动星系，但与活动星系核的关系尚无定论。

　　除此之外还有N星系、兹威基星系、高偏振类星体（HPQ）、低光度活跃星系核（MAGN）、热星体（Warmer）等。

　　根据射电波段的辐射，还可以分为射电宁静活动星系核与射电噪活动星系核两大类。其中，射电宁静活动星系核包括：低电离核发射线区、塞弗特星系、以及部分类星体，射电噪活动星系核包括射电噪类星体、耀变体（包括蝎虎座BL型天体和光学剧变类星体）、射电星系等。

黑洞-吸积盘模型

　　黑洞-吸积盘模型是得到广泛承认的是活动星系核标准模型。在这个模型中，活动星系核的“中央引擎”是一个超大质量黑洞。在引力的作用下，黑洞周围的气体朝黑洞下落。由于具有角动量，物质形成了一个围绕黑洞的吸积盘。吸积盘中具有耗散作用，气体会被加热到很高的温度，同时不断损失角动量，逐渐下落到黑洞中央，与此同时释放出巨大的引力能，以电磁波的形式辐射出来，其中主要是非热辐射。当黑洞的吸积率很高，远远超过星系的其他部分时，就表现为活动星系核。随着黑洞周围的物质逐渐耗尽，核心的光度减小，活动星系演化为正常的星系。吸积盘两端沿法线方向形成高速喷流，这一过程中，磁场扮演了很重要的角色。当喷流的方向与观测者视线方向夹角很小时，还会观测到视超光速现象。

活跃星系核的统一模型

　　活跃星系核的统一模型试图将两种或两种以上的活跃星系核用一个模型进行描述，不同类型的活跃星系核只是由于观测视角的不同。电波弱(radio-quiet)活跃星系核与电波强(radio-loud)活跃星系核分别具有各自的统一模型：电波弱统一模型和电波强统一模型。电波弱统一模型认为西佛Ⅰ型星系是直接观察到的光度较低的活跃星系核本身，西佛Ⅱ型星系则是由于视线方向上受到了环绕在吸积盘周围的遮蔽环的阻挡。如果活跃星系核的光度较高，直接观测到的就不是西佛I型星系而是类星体。电波强统一模型主要关注于高光度的电波强类星体，它们能够与窄发射线电波星系用类似电波弱统一模型的方式统一在一起，即电波星系被遮蔽环挡住了视线，而类星体没有。如果视线方向与喷流夹角非常小，则会观察到蝎虎BL型类星体(blazar)。

太阳系

    太阳系（Solar System）就是我们现在所在的恒星系统。它是以太阳为中心，和所有受到太阳引力约束的天体的集合体：8颗行星、至少165颗已知的卫星,和数以亿计的太阳系小天体。这些小天体包括小行星、柯伊伯带的天体、彗星和星际尘埃。

　　广义上，太阳系的领域包括太阳、4颗像地球的内行星、由许多小岩石组成的小行星带、4颗充满气体的巨大外行星、充满冰冻小岩石、被称为柯伊伯带的第二个小天体区。在柯伊伯带之外还有黄道离散盘面、太阳圈和依然属于假设的奥尔特云。

　　依照至太阳的距离，行星序是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，（离太阳较近的水星、金星、地球及火星称为类地行星）8 颗中的7颗有天然的卫星环绕着，这些星习惯上因为地球的卫星被称为月球而都被视为月球。在外侧的行星都有由尘埃和许多小颗粒构成的行星环环绕着，而除了地球之外，肉眼可见的行星以五行为名，在西方则全都以希腊和罗马神话故事中的神仙为名。

1.概述和轨道

　　太阳系的主角是位居中心的太阳，它是一颗光谱分类为G2V的主序星，拥有太阳系内已知质量的99.86%，并以引力主宰着太阳系。木星和土星，是太阳系内最大的两颗行星，又占了剩余质量的90%以上，目前仍属于假说的奥尔特云，还不知道会占有多少百分比的质量。

　　太阳系内主要天体的轨道，都在地球绕太阳公转的轨道平面（黄道^[1]）的附近。行星都非常靠近黄道，而彗星和柯伊伯带天体，通常都有比较明显的倾斜角度。

　　由北方向下鸟瞰太阳系，所有的行星和绝大部分的其他天体，都以逆时针（右旋）方向绕着太阳公转。有些例外的，像是哈雷彗星。

　　环绕着太阳运动的天体都遵守开普勒行星运动定律，轨道都以太阳为椭圆的一个焦点，并且越靠近太阳时的速度越快。行星的轨道接近圆形，但许多彗星、小行星和柯伊伯带天体的轨道则是高度椭圆的。

　　在这么辽阔的空间中，有许多方法可以表示出太阳系中每个轨道的距离。在实际上，距离太阳越远的行星或环带，与前一个的距离就会更远，而只有少数的例外。例如，金星在水星之外约0.33天文单位的距离上，而土星与木星的距离是4.3天文单位，海王星又在天王星之外10.5天文单位。曾有些关系式企图解释这些轨道距离变化间的交互作用。

2.形成和演化

　　 太阳系的形成据信应该是依据星云假说，最早是在1755年由康德和1796年由拉普拉斯各自独立提出的。这个理论认为太阳系是在46亿年前在一个巨大的分子云的塌缩中形成的。这个星云原本有数光年的大小，并且同时诞生了数颗恒星。研究古老的陨石追溯到的元素显示，只有超新星爆炸的心脏部分才能产生这些元素，所以包含太阳的星团必然在超新星残骸的附近。可能是来自超新星爆炸的震波使邻近太阳附近的星云密度增高，使得重力得以克服内部气体的膨胀压力造成塌缩，因而触发了太阳的诞生。

　　被认定为原太阳星云的地区就是日后将形成太阳系的地区，直径估计在7,000至20,000天文单位，而质量仅比太阳多一点（多0.1至0.001太阳质量）。当星云开始塌缩时，角动量守恒定律使它的转速加快，内部原子相互碰撞的频率增加。其中心区域集中了大部分的质量，温度也比周围的圆盘更热。当重力、气体压力、磁场和自转作用在收缩的星云上时，它开始变得扁平成为旋转的原行星盘，而直径大约200天文单位，并且在中心有一个热且稠密的原恒星。

　　对年轻的金牛T星的研究，相信质量与预熔合阶段发展的太阳非常相似，显示在形成阶段经常都会有原行星物质的圆盘伴随着。这些圆盘可以延伸至数百天文单位，并且最热的部分可以达到数千K的高温。

　　一亿年后，在塌缩的星云中心，压力和密度将大到足以使原始太阳的氢开始热融合，这会一直增加直到流体静力平衡，使热能足以抵抗重力的收缩能。这时太阳才成为一颗真正的恒星。

　　相信经由吸积的作用，各种各样的行星将从云气（太阳星云）中剩余的气体和尘埃中诞生：

　　1.当尘粒的颗粒还在环绕中心的原恒星时，行星就已经开始成长；

　　2.然后经由直接的接触，聚集成1至10公里直径的丛集；

　　3.接着经由碰撞形成更大的个体，成为直径大约5公里的星子；

　　4.在未来得数百万年中，经由进一步的碰撞以每年15厘米的的速度继续成长。

　　在太阳系的内侧，因为过度的温暖使水和甲烷这种易挥发的分子不能凝聚，因此形成的星子相对的就比较小（仅占有圆盘质量的0.6%），并且主要的成分是熔点较高的硅酸盐和金属等化合物。这些石质的天体最后就成为类地行星。再远一点的星子，受到木星引力的影响，不能凝聚在一起成为原行星，而成为现在所见到的小行星带。

　　在更远的距离上，在冻结线之外，易挥发的物质也能冻结成固体，就形成了木星和土星这些巨大的气体巨星。天王星和海王星获得的材料较少，并且因为核心被认为主要是冰（氢化物），因此被称为冰巨星。

　　一旦年轻的太阳开始产生能量，太阳风会将原行星盘中的物质吹入行星际空间，从而结束行星的成长。年轻的金牛座T星的恒星风就比处于稳定阶段的较老的恒星强得多。

　　根据天文学家的推测，目前的太阳系会维持直到太阳离开主序。由于太阳是利用其内部的氢作为燃料，为了能够利用剩余的燃料，太阳会变得越来越热，于是燃烧的速度也越来越快。这就导致太阳不断变亮，变亮速度大约为每11亿年增亮10％。

　　从现在起再过大约76亿年，太阳的内核将会热得足以使外层氢发生融合，这会导致太阳膨胀到现在半径的260倍，变为一个红巨星。此时，由于体积与表面积的扩大，太阳的总光度增加，但表面温度下降，单位面积的光度变暗。

　　随后，太阳的外层被逐渐抛离，最后裸露出核心成为一颗白矮星，一个极为致密的天体，只有地球的大小却有着原来太阳一半的质量。最后形成暗矮星。

3.结构和组成

　　太阳系是由受太阳引力约束的天体组成的系统是宇宙中的一个小天体系统，

　　太阳系的结构可以大概地分为五部分：

　　3.1.太阳(Sun)

　　太阳是太阳系的母星，也是最主要和最重要的成员。它有足够的质量让内部的压力与密度足以抑制和承受核融合产生的巨大能量，并以辐射的型式，例如可见光，让能量稳定的进入太空。

　　太阳在分类上是一颗中等大小的黄矮星，不过这样的名称很容易让人误会，其实在我们的星系中，太阳是相当大与明亮的。恒星是依据赫罗图的表面温度与亮度对应关系来分类的。通常，温度高的恒星也会比较明亮，而遵循此一规律的恒星都会位在所谓的主序带上，太阳就在这个带子的中央。但是，但是比太阳大且亮的星并不多，而比较暗淡和低温的恒星则很多。

　　太阳在恒星演化的阶段正处于壮年期，尚未用尽在核心进行核融合的氢。太阳的亮度仍会与日俱增，早期的亮度只是现在的75%。

　　计算太阳内部氢与氦的比例，认为太阳已经完成生命周期的一半，在大约50亿年后，太阳将离开主序带，并变得更大与更加明亮，但表面温度却降低的红巨星，届时它的亮度将是目前的数千倍。

　　太阳是在宇宙演化后期才诞生的第一星族恒星，它比第二星族的恒星拥有更多的比氢和氦重的金属（这是天文学的说法：原子序数大于氦的都是金属。）。比氢和氦重的元素是在恒星的核心形成的，必须经由超新星爆炸才能释入宇宙的空间内。换言之，第一代恒星死亡之后宇宙中才有这些重元素。最老的恒星只有少量的金属，后来诞生的才有较多的金属。高金属含量被认为是太阳能发展出行星系统的关键，因为行星是由累积的金属物质形成的。

　　行星际物质

　　除了光，太阳也不断的放射出电子流（等离子），也就是所谓的太阳风。这条微粒子流的速度为每小时150万公里，在太阳系内创造出稀薄的大气层（太阳圈），范围至少达到100天文单位（日球层顶），也就是我们所认知的行星际物质。太阳的黑子周期（11年）和频繁的闪焰、日冕物质抛射在太阳圈内造成的干扰，产生了太空气候。伴随太阳自转而转动的磁场在行星际物质中所产生的太阳圈电流片，是太阳系内最大的结构。

　　地球的磁场从与太阳风的互动中保护著地球大气层。水星和金星则没有磁场，太阳风使它们的大气层逐渐流失至太空中。太阳风和地球磁场交互作用产生的极光，可以在接近地球的磁极（如南极与北极）的附近看见。

　　宇宙线是来自太阳系外的，太阳圈屏障著太阳系，行星的磁场也为行星自身提供了一些保护。宇宙线在星际物质内的密度和太阳磁场周期的强度变动有关，因此宇宙线在太阳系内的变动幅度究竟是多少，仍然是未知的。

　　行星际物质至少在在两个盘状区域内聚集成宇宙尘。第一个区域是黄道尘云，位于内太阳系，并且是黄道光的起因。它们可能是小行星带内的天体和行星相互撞击所产生的。第二个区域大约伸展在10－40天文单位的范围内，可能是柯伊伯带内的天体在相似的互相撞击下产生的。

　　3.2.内太阳系

　　内太阳系在传统上是类地行星和小行星带区域的名称，主要是由硅酸盐和金属组成的。这个区域挤在靠近太阳的范围内，半径还比木星与土星之间的距离还短。

　　内行星

　　四颗内行星或是类地行星的特点是高密度、由岩石构成、只有少量或没有卫星，也没有环系统。它们由高熔点的矿物，像是硅酸盐类的矿物，组成表面固体的地壳和半流质的地幔，以及由铁、镍构成的金属核心所组成。四颗中的三颗（金星、地球、和火星）有实质的大气层，全部都有撞击坑和地质构造的表面特征（地堑和火山等）。内行星容易和比地球更接近太阳的内侧行星（水星和金星）混淆。行星运行在一个平面，朝着一个方向。

　　水星

　　水星（Mercury）（0.4 天文单位）是最靠近太阳，也是最小的行星（0.055地球质量）。它没有天然的卫星，仅知的地质特征除了撞击坑外，只有大概是在早期历史与收缩期间产生的皱折山脊。水星，包括被太阳风轰击出的气体原子，只有微不足道的大气。目前尚无法解释相对来说相当巨大的铁质核心和薄薄的地幔。假说包括巨大的冲击剥离了它的外壳，还有年轻时期的太阳能抑制了外壳的增长。

　　金星

　　金星 （Venus）（0.7 天文单位）的体积尺寸与地球相似（0.86地球质量），也和地球一样有厚厚的硅酸盐地幔包围着核心，还有浓厚的大气层和内部地质活动的证据。但是，它的大气密度比地球高90倍而且非常干燥，也没有天然的卫星。它是颗炙热的行星，表面的温度超过400°C，很可能是大气层中有大量的温室气体造成的。没有明确的证据显示金星的地质活动仍在进行中，但是没有磁场保护的大气应该会被耗尽，因此认为金星的大气是经由火山的爆发获得补充。

　　地球

　　地球（Earth）（1 天文单位）是内行星中最大且密度最高的，也是唯一地质活动仍在持续进行中并拥有生命的行星。它也拥有类地行星中独一无二的水圈和被观察到的板块结构。地球的大气也于其他的行星完全不同，被存活在这儿的生物改造成含有21%的自由氧气。它只有一颗卫星，即月球；月球也是类地行星中唯一的大卫星。地球公转（太阳）一圈约365天，自转一圈约1天。（太阳并不是总是直射赤道，因为地球围绕太阳旋转时，稍稍有些倾斜。）

　　火星

　　火星（Mars）（1.5 天文单位）比地球和金星小（0.17地球质量），只有以二氧化碳为主的稀薄大气，它的表面，例如奥林匹斯山有密集与巨大的火山，水手号峡谷有深邃的地堑，显示不久前仍有剧烈的地质活动。火星有两颗天然的小卫星，戴摩斯和福伯斯，可能是被捕获的小行星。

　　小行星带

　　小行星是太阳系小天体中最主要的成员，主要由岩石与不易挥发的物质组成。

　　主要的小行星带位于火星和木星轨道之间，距离太阳2.3至3.3 天文单位，它们被认为是在太阳系形成的过程中，受到木星引力扰动而未能聚合的残余物质。

　　小行星的尺度从大至数百公里、小至微米的都有。除了最大的谷神星之外，所有的小行星都被归类为太阳系小天体，但是有几颗小行星，像是灶神星、健神星，如果能被证实已经达到流体静力平衡的状态，可能会被重分类为矮行星。

　　小行星带拥有数万颗，可能多达数百万颗，直径在一公里以上的小天体。尽管如此，小行星带的总质量仍然不可能达到地球质量的千分之一。小行星主带的成员依然是稀稀落落的，所以至今还没有太空船在穿越时发生意外。

　　直径在10至10-4 米的小天体称为流星体。

　　谷神星

　　谷神星 （Ceres）（2.77 天文单位）是主带中最大的天体，也是主带中唯一的矮行星。它的直径接近1000公里，因此自身的引力已足以使它成为球体。它在19世纪初被发现时，被认为是一颗行星，在1850年代因为有更多的小天体被发现才重新分类为小行星；在2006年，又再度重分类为矮行星。

　　小行星族

　　在主带中的小行星可以依据轨道元素划分成几个小行星群和小行星族。小行星卫星是围绕着较大的小行星运转的小天体，它们的认定不如绕着行星的卫星那样明确，因为有些卫星几乎和被绕的母体一样大。

　　在主带中也有彗星，它们可能是地球上水的主要来源。

　　特洛依小行星的位置在木星的 L4或L5点（在行星轨道前方和后方的不稳定引力平衡点），不过"特洛依"这个名称也被用在其他行星或卫星轨道上位于拉格朗日点上的小天体。希耳达族是轨道周期与木星2:3共振的小行星族，当木星绕太阳公转二圈时，这群小行星会绕太阳公转三圈。

　　内太阳系也包含许多“淘气”的小行星与尘粒，其中有许多都会穿越内行星的轨道。

　　3.3.中太阳系

　　太阳系的中部地区是气体巨星和它们有如行星大小尺度卫星的家，许多短周期彗星，包括半人马群也在这个区域内。此区没有传统的名称，偶尔也会被归入"外太阳系"，虽然外太阳系通常是指海王星以外的区域。在这一区域的固体，主要的成分是"冰"（水、氨和甲烷），不同于以岩石为主的内太阳系。

　　外行星

　　在外侧的四颗行星，也称为类木行星，囊括了环绕太阳99%的已知质量。木星和土星的大气层都拥有大量的氢和氦，天王星和海王星的大气层则有较多的“冰”，像是水、氨和甲烷。有些天文学家认为它们该另成一类，称为“天王星族”或是“冰巨星”。这四颗气体巨星都有行星环，但是只有土星的环可以轻松的从地球上观察。“外行星”这个名称容易与“外侧行星”混淆，后者实际是指在地球轨道外面的行星，除了外行星外还有火星。

　　木星

　　木星（Jupiter）（5.2 天文单位），主要由氢和氦组成，质量是地球的318倍，也是其他行星质量总合的2.5倍。木星的丰沛内热在它的大气层造成一些近似永久性的特征，例如云带和大红斑。木星已经被发现的卫星有63颗，最大的四颗，甘尼米德、卡利斯多、埃欧、和欧罗巴，显示出类似类地行星的特征，像是火山作用和内部的热量。甘尼米德比水星还要大，是太阳系内最大的卫星。

　　土星

　　土星（Saturn）（9.5 天文单位），因为有明显的环系统而著名，它与木星非常相似，例如大气层的结构。土星不是很大，质量只有地球的95倍，它有60颗已知的卫星，泰坦和恩塞拉都斯，拥有巨大的冰火山，显示出地质活动的标志。泰坦比水星大，而且是太阳系中唯一实际拥有大气层的卫星。

　　天王星

　　天王星（Uranus）（19.6 天文单位），是最轻的外行星，质量是地球的14倍。它的自转轴对黄道倾斜达到90度，因此是横躺着绕着太阳公转，在行星中非常独特。在气体巨星中，它的核心温度最低，只辐射非常少的热量进入太空中。天王星已知的卫星有27颗，最大的几颗是泰坦尼亚、欧贝隆、乌姆柏里厄尔、艾瑞尔、和米兰达。

　　海王星

　　海王星（Neptune）（30 天文单位）虽然看起来比天王星小，但密度较高使质量仍有地球的17倍。他虽然辐射出较多的热量，但远不及木星和土星多。海王星已知有13颗卫星，最大的崔顿仍有活跃的地质活动，有着喷发液态氮的间歇泉，它也是太阳系内唯一逆行的大卫星。在海王星的轨道上有一些1:1轨道共振的小行星，组成海王星特洛伊群。

　　彗星

　　彗星归属于太阳系小天体，通常直径只有几公里，主要由具挥发性的冰组成。它们的轨道具有高离心率，近日点一般都在内行星轨道的内侧，而远日点在冥王星之外。当一颗彗星进入内太阳系后，与太阳的接近会导致她冰冷表面的物质升华和电离，产生彗发和拖曳出由气体和尘粒组成、肉眼就可以看见的彗尾。

　　短周期彗星是轨道周期短于200年的彗星，长周期彗星的轨周期可以长达数千年。短周期彗星，像是哈雷彗星，被认为是来自柯伊伯带；长周期彗星，像海尔·波普彗星，则被认为起源于奥尔特云。有许多群的彗星，像是克鲁兹族彗星，可能源自一个崩溃的母体。有些彗星有着双曲线轨道，则可能来自太阳系外，但要精确的测量这些轨道是很困难的。挥发性物质被太阳的热驱散后的彗星经常会被归类为小行星。

　　半人马群

　　半人马群是散布在9至30 天文单位的范围内，也就是轨道在木星和海王星之间，类似彗星以冰为主的天体。半人马群已知的最大天体是10199 Chariklo，直径在200至250 公里。第一个被发现的是2060 Chiron，因为在接近太阳时如同彗星般的产生彗发，目前已经被归类为彗星。有些天文学家将半人马族归类为柯伊伯带内部的离散天体，而视为是外部离散盘的延续。

　　3.4.外海王星区

　　在海王星之外的区域，通常称为外太阳系或是外海王星区，仍然是未被探测的广大空间。这片区域似乎是太阳系小天体的世界（最大的直径不到地球的五分之一，质量则远小于月球），主要由岩石和冰组成。

　　柯伊伯带

　　柯伊伯带，最初的形式，被认为是由与小行星大小相似，但主要是由冰组成的碎片与残骸构成的环带，扩散在距离太阳30至50 天文单位之处。这个区域被认为是短周期彗星——像是哈雷彗星——的来源。它主要由太阳系小天体组成，但是许多柯伊伯带中最大的天体，例如创神星、伐楼拿、2003 EL61、2005 FY9和厄耳枯斯等，可能都会被归类为矮行星。估计柯伊伯带内直径大于50 公里的天体会超过100,000颗，但总质量可能只有地球质量的十分之一甚至只有百分之一。许多柯伊伯带的天体都有两颗以上的卫星，而且多数的轨道都不在黄道平面上。

　　柯伊伯带大致上可以分成共振带和传统的带两部分，共振带是由与海王星轨道有共振关系的天体组成的（当海王星公转太阳三圈就绕太阳二圈，或海王星公转两圈时只绕一圈），其实海王星本身也算是共振带中的一员。传统的成员则是不与海王星共振，散布在39.4至47.7 天文单位范围内的天体。传统的柯伊伯带天体以最初被发现的三颗之一的1992 QB1为名，被分类为类QB1天体。

　　冥王星和卡戎

　　目前还不能确定卡戎（Charon）是否应被归类为当前认为的卫星还是属于矮行星，因为冥王星和卡戎互绕轨道的质心不在任何一者的表面之下，形成了冥王星-卡戎双星系统。另外两颗很小的卫星尼克斯（Nix）与许德拉（Hydra），则绕着冥王星和卡戎公转。

　　冥王星在共振带上，与海王星有着3:2的共振（冥王星绕太阳公转二圈时，海王星公转三圈）。柯伊伯带中有着这种轨道的天体统称为类冥天体。

　　离散盘

　　离散盘与柯伊伯带是重叠的，但是向外延伸至更远的空间。离散盘内的天体应该是在太阳系形成的早期过程中，因为海王星向外迁徙造成的引力扰动才被从柯伊伯带抛入反覆不定的轨道中。多数黄道离散天体的近日点都在柯伊伯带内，但远日点可以远至150 天文单位；轨道对黄道面也有很大的倾斜角度，甚至有垂直于黄道面的。有些天文学家认为黄道离散天体应该是柯伊伯带的另一部分，并且应该称为"柯伊伯带离散天体"。

　　阋神星

　　阋神星（136199 Eris）（平均距离68 天文单位）是已知最大的黄道离散天体，并且引发了什么是行星的辩论。他的直径至少比冥王星大15%，估计有2,400公里（1,500英里），是已知的矮行星中最大的。阋神星有一颗卫星，阋卫一（Dysnomia），轨道也像冥王星一样有着很大的离心率，近日点的距离是38.2 天文单位（大约是冥王星与太阳的平均距离），远日点达到97.6 天文单位，对黄道面的倾斜角度也很大。

　　齐娜

　　美国加州技术研究所的科学家2003年在太阳系的边缘发现了一颗行星，编号为2003UB313，暂时命名为齐娜，直到2005年7月29日才向外界公布这个发现。据悉，各国天文学家于2006年8月24日的国际天文学联合会大会上否认其为大行星。

　　据介绍，齐娜的直径约一千四百九十英里，较太阳系边缘的矮行星冥王星还要大七七英里。而齐娜距离太阳九十亿英里，这个距离大约是冥王星和太阳间距离的三倍,也就是大约97个天文单位，一个天文单位指的太阳与地球之间的距离。齐娜绕行太阳一周，得花五百六十年它也是迄今为止我们所知道的太阳系中最远的星体，是“库伊伯尔星带”里亮度占第三位的星体。它比冥王星表面的温度低，约零下214摄氏度，是一个非常不适合居住的地方。

　　这个星体呈圆形，最大可能是冥王星的两倍。他估计新发现的这颗星星的直径估计有2100英里，是冥王星的1.5倍。

　　这个星体与太阳系统的主平面保持着45度的夹角，大部分其它行星的轨道都在这个主平面里。布朗说，这就是它一直没有被发现的原因。

　　3.5.最远的区域

　　太阳系于何处结束，以及星际介质开始的位置没有明确定义的界线，因为这需要由太阳风和太阳引力两者来决定。太阳风能影响到星际介质的距离大约是冥王星距离的四倍，但是太阳的洛希球，也就是太阳引力所能及的范围，应该是这个距离的千倍以上。

　　日球层顶

　　太阳圈可以分为两个区域，太阳风传递的最大距离大约在95 天文单位，也就是冥王星轨道的三倍之处。此处是终端震波的边缘，也就是太阳风和星际介质相互碰撞与冲激之处。太阳风在此处减速、凝聚并且变得更加纷乱，形成一个巨大的卵形结构，也就是所谓的日鞘，外观和表现得像是彗尾，在朝向恒星风的方向向外继续延伸约40 天文单位，但是反方向的尾端则延伸数倍于此距离。太阳圈的外缘是日球层顶，此处是太阳风最后的终止之处，外面即是恒星际空间。

　　太阳圈外缘的形状和形式很可能受到与星际物质相互作用的流体动力学的影响，同时也受到在南端占优势的太阳磁场的影响；例如，它形状在北半球比南半球多扩展了9个天文单位（大约15亿公里）。在日球层顶之外，在大约230天文单位处，存在着弓激波，它是当太阳在银河系中穿行时产生的。

　　还没有太空船飞越到日球层顶之外，所以还不能确知星际空间的环境条件。而太阳圈如何保护在宇宙射线下的太阳系，目前所知甚少。为此，人们已经开始提出能够飞越太阳圈的任务。

　　奥尔特云（Oort cloud）

　　是一个假设包围着太阳系的球体云团，布满着不少不活跃的彗星，距离太阳约50,000至100,000个天文单位，差不多等于一光年，即太阳与比邻星（Proxima）距离的四分一。

　　理论上的奥尔特云有数以兆计的冰冷天体和巨大的质量，在大约5,000 天文单位，最远可达10,000天文单位的距离上包围着太阳系，被认为是长周期彗星的来源。它们被认为是经由外行星的引力作用从内太阳系被抛至该处的彗星。奥尔特云的物体运动得非常缓慢，并且可以受到一些不常见的情况的影响，像是碰撞、或是经过天体的引力作用、或是星系潮汐。

　　塞德娜和内奥尔特云

　　塞德娜(Sedna)是颗巨大、红化的类冥天体，近日点在76 天文单位，远日点在928 天文单位，12,050年才能完成一周的巨大、高椭率的轨道。米高·布朗在2003年发现这个天体，因为它的近日点太遥远，以致不可能受到海王星迁徙的影响，所以认为它不是离散盘或柯伊伯带的成员。他和其他的天文学家认为它属于一个新的分类，同属于这新族群的还有近日点在45 天文单位，远日点在415 天文单位，轨道周期3,420年的2000 CR105，和近日点在21 天文单位，远日点在1,000 天文单位，轨道周期12,705年的(87269) 2000 OO67。布朗命名这个族群为"内奥尔特云"，虽然它远离太阳但仍较近，可能是经由相似的过程形成的。塞德娜的形状已经被确认，非常像一颗矮行星。

　　疆界

　　我们的太阳系仍然有许多未知数。考量邻近的恒星，估计太阳的引力可以控制2光年（125,000天文单位）的范围。奥尔特云向外延伸的程度，大概不会超过50,000天文单位。尽管发现的塞德娜，范围在柯伊伯带和奥尔特云之间，仍然有数万天文单位半径的区域是未曾被探测的。水星和太阳之间的区域也仍在持续的研究中。在太阳系的未知地区仍可能有所发现。

　　矮行星

　　矮行星是由谷神星(Ceres)、齐娜星(Xena)和卡戎星（Charon）组成的

4.星系的关联

　　太阳系位于一个被称为银河系的星系内，直径100,000光年，拥有约二千亿颗恒星的棒旋星系。我们的太阳位居银河外围的一条旋涡臂上，称为猎户臂或本地臂。太阳距离银心25,000至28,000光年，在银河系内的速度大约是220公里/秒，因此环绕银河公转一圈需要2亿2千5百万至2亿5千万年，这个公转周期称为银河年。

　　太阳系在银河中的位置是地球上能发展出生命的一个很重要的因素，它的轨道非常接近圆形，并且和旋臂保持大致相同的速度，这意味着它相对旋臂是几乎不动的。因为旋臂远离了有潜在危险的超新星密集区域，使得地球长期处在稳定的环境之中得以发展出生命。太阳系也远离了银河系恒星拥挤群聚的中心，接近中心之处，邻近恒星强大的引力对奥尔特云产生的扰动会将大量的彗星送入内太阳系，导致与地球的碰撞而危害到在发展中的生命。银河中心强烈的辐射线也会干扰到复杂的生命发展。即使在太阳系目前所在的位置，有些科学家也认为在35,000年前曾经穿越过超新星爆炸所抛射出来的碎屑，朝向太阳而来的有强烈的辐射线，以及小如尘埃大至类似彗星的各种天体，曾经危及到地球上的生命。

　　太阳向点（apex）是太阳在星际空间中运动所对着的方向，靠近武仙座接近明亮的织女星的方向上。　

　　4.1.邻近的区域

　　太阳系所在的位置是银河系中恒星疏疏落落，被称为本星际云的区域。这是一个形状像沙漏，气体密集而恒星稀少，直径大约300光年的星际介质，称为本星系泡的区域。这个气泡充满的高温等离子，被认为是由最近的一些超新星爆炸产生的。 在距离太阳10光年（94.6万亿公里）内只有少数几颗的恒星，最靠近的是距离4.3光年的三合星，半人马座α。半人马座α的A与B是靠得很近且与太阳相似的恒星，而C（也称为半人马座比邻星）是一颗小的红矮星，以0.2光年的距离环绕着这一对双星。接下来是距离6光年远的巴纳德星、7.8光年的沃夫359、8.3光年的拉兰德21185。在10光年的距离内最大的恒星是距离8.6光年的一颗蓝巨星——天狼星，它质量约为太阳2倍，有一颗白矮星（天狼B星）绕着其公转。在10光年范围内，还有距离8.7光年，由两颗红矮星组成的鲸鱼座UV；和距离9.7光年，孤零零的红矮星罗斯154。与太阳相似而我们最接近我们的单独恒星是距离11.9光年的鲸鱼座τ，质量约为太阳的80%，但光度只有60%。

5.发现和探测

　　数千年来的人类，除了少数几个例外，都不相信太阳系的存在。地球不仅被认为是固定在宇宙的中心不动的，并且绝对与在虚无飘渺的天空中穿越的对象或神祇是完全不同的。当哥白尼与前辈们，像是印度的数学与天文学家Aryabhata和希腊哲学家亚里斯塔克斯（Aristarchus），以太阳为中心重新安排宇宙的结构时，仍是在17世纪最前瞻性的概念，经由伽利略、开普勒和牛顿等的带领下，才逐渐接受地球不仅会移动，还绕着太阳公转的事实；行星由和支配地球一样的物理定律支配着，有着和地球一样的物质与世俗现象：火山口、天气、地质、季节和极冠。

　　最靠近地球的五颗行星，水星、金星、火星、木星和土星，是天空中最明亮的五颗天体，在古希腊被称为"πλαν?τη?"（行星，意思是漫游者），已经被知道会在以恒星为背景的天球上移动，这就是"行星"这个名词的由来。天王星在最亮时虽然也能用肉眼看见，但仍然逃过了裸眼的观测，直到1781年才被发现。

　　5.1.望远镜的观测

　　太阳系的地一次探测是由望远镜开启的，始于天文学家首度开始绘制这些因光度暗淡而肉眼看不见的天体之际。

　　伽利略是第一位发现太阳系天体细节的天文学家。他发现月球的火山口，太阳的表面有黑子，木星有4颗卫星环绕着。惠更斯追随着伽利略的发现，发现土星的卫星泰坦和土星环的形状。后继的卡西尼发现了4颗土星的卫星，还有土星环的卡西尼缝、木星的大红斑。

　　1705年，爱德蒙·哈雷认识到在1682年出现的彗星，实际上是每隔75-76年就会重复出现的一颗彗星，现在称为哈雷彗星。这是除了行星之外的天体会围绕太阳公转的第一个证据。

　　1781年，威廉·赫歇尔在观察一颗它认为的新彗星时，在金牛座发现了联星。事实上，它的轨道显示是一颗行星，天王星，这是第一颗被发现的行星。

　　1801年，朱塞普·皮亚齐发现谷神星，这是位于火星和木星轨道之间的一个小世界，而一开始他被当成一颗行星。然而，接踵而来的发现使在这个区域内的小天体多达数以万计，导致他们被重新归类为小行星。

　　到了1846年，天王星轨道的误差导致许多人怀疑是不是有另一颗大行星在远处对他施力。埃班·勒维耶的计算最终导致了海王星的发现。在1859年，因为水星轨道近日点有一些牛顿力学无法解释的微小运动（“水星近日点进动”），因而有人假设有一颗水内行星祝融星（中文常译为“火神星”）存在；但这一运动最终被证明可以用广义相对论来解释，但某些天文学家仍未放弃对“水内行星”的探寻。

　　为解释外行星轨道明显的偏差，帕西瓦尔·罗威尔认为在其外必然还有一颗行星存在，并称之为X行星。在他过世后，它的罗威尔天文台继续搜寻的工作，终于在1930年由汤博发现了冥王星。但是，冥王星是如此的小，实在不足以影响行星的轨道，因此它的发现纯属巧合。就像谷神星，他最初也被当作行星，但是在邻近的区域内发现了许多大小相近的天体，因此在2006年冥王星被国际天文学联会重新分类为矮行星。

　　在1992年，夏威夷大学的天文学家大卫·朱维特和麻省理工学院的珍妮·卢发现1992 QB1，被证明是一个冰冷的、类似小行星带的新族群，也就是现在所知的柯伊伯带，冥王星和卡戎都被是其中的成员。

　　米高·布朗、乍德·特鲁希略和大卫·拉比诺维茨在2005年宣布发现的阋神星是比冥王星大的离散盘上天体，是在海王星之后绕行太阳的最大天体。

5.2.太空船的观测

　　　自从进入太空时代，许多的探测都是各国的太空机构所组织和执行的无人太空船探测任务。

　　太阳系内所有的行星都已经被由地球发射的太空船探访，进行了不同程度的各种研究。虽然都是无人的任务，人类还是能观看到所有行星表面近距离的照片，在有登陆艇的情况下，还进行了对土壤和大气的一些实验。

　　第一个进入太空的人造天体是前苏联在1957年发射的史泼尼克一号，成功的环绕地球一年之久。美国在1959年发射的先驱者6号，是第一个从太空中送回影像的人造卫星。

　　第一个成功的飞越过太阳系内其他天体的是月球1号，在1959年飞越了月球。最初是打算撞击月球的，但却错过了目标成为第一个环绕太阳的人造物体。水手2号是第一个环绕其他行星的人造物体，在1962年绕行金星。第一颗成功环绕火星的是1964年的水手4号。直到1974年才有水手10号前往水星。

　　探测外行星的第一艘太空船是先驱者10号，在1973年飞越木星。在1979年，先驱者11号成为第一艘拜访土星的太空船。旅行者计划在1977年先后发射了两艘太空船进行外行星的大巡航，在1979年探访了木星，1980和1981年先后访视了土星。旅行者2号继续在1986年接近天王星和在1989年接近海王星。 旅行者太空船已经远离海王星轨道外，在发现和研究终端震波、日鞘和日球层顶的路径上继续前进。依据NASA的资料，两艘旅行者太空船已经在距离太阳大约93天文单位处接触到终端震波。

　　还没有太空船曾经造访过柯伊伯带天体。而在2006年1月19日发射的新视野号将成为第一艘探测这个区域的人造太空船。这艘无人太空船预计在2015年飞越冥王星。如果这被证明是可行的，任务将会扩大以继续观察一些柯伊伯带的其他天体。

　　在1966年，月球成为除了地球之外第一个有人造卫星绕行的太阳系天体（月球10号），然后是火星在1971年（水手9号），金星在1975年（金星9号），木星在1995年（伽利略号，也在1991年首先飞掠过小Gaspra），爱神星在2000年（会合-舒梅克号），和土星在2004年（卡西尼号－惠更斯号）。信使号太空船正在前往水星的途中，预计在2011年开始第一次绕行水星的轨道；同一时间，黎明号太空船将设定轨道在2011年环绕灶神星，并在2015年探索谷神星。

　　第一个在太阳系其它天体登陆的计划是前苏联在1959年都登陆月球的月球2号。从此以后，抵达越来越遥远的行星，在1966年计划登陆或撞击金星（金星3号），1971年到火星（火星3号），但直到1976年才有维京1号成功登陆火星，2001年登陆爱神星（会合-舒梅克号），和2005年登陆土星的卫星泰坦（惠更斯号）。伽利略太空船也在1995年抛下一个探测器进入木星的大气层；由于木星没有固体的表面，这个探测器在下降的过程中被逐渐增高的温度和压力摧毁掉。

　　5.3.载人探测

　　载人的探测目前仍被限制在邻近地球的环境内。第一个进入太空（以超过100公里的高度来定义）的人是前苏联的太空人尤里·加加林，于1961年4月12日搭乘东方一号升空。第一个在地球之外的天体上漫步的是尼尔·阿姆斯特朗，它是在1969年的太阳神11号任务中，于7月21日在月球上完成的。美国的航天飞机是唯一能够重覆使用的太空船，并已完成许多次的任务。在轨道上的第一个太空站是NASA的太空实验室，可以有多位乘员，在1973年至1974年间成功的同时乘载着三位太空人。第一个真正能让人类在太空中生活的是前苏联的和平号空间站，从1989年至1999年在轨道上持续运作了将近十年。它在2001年退役，后继的国际空间站也从那时继续维系人类在太空中的生活。在2004年， 太空船1号成为在私人的基金资助下第一个进入次轨道的太空船。同年，美国前总统乔治·布什宣布太空探测的远景规划：替换老旧的航天飞机、重返月球、甚至载人前往火星。

6.研究和其他

　　6.1.研究太阳系

　　对太阳系的长期研究，分化出了这样几门学科：

　　·太阳系化学：空间化学的一个重要分科，研究太阳系诸天体的化学组成（包括物质来源、元素与同位素丰度）和物理－化学性质以及年代学和化学演化问题。太阳系化学与太阳系起源有密切关系。

　　·太阳系物理学：研究太阳系的行星、卫星、小行星、彗星、流星以及行星际物质的物理特性、化学组成和宇宙环境的学科。

　　·太阳系内的引力定律：太阳系内各天体之间引力相互作用所遵循的规律。

　　·太阳系稳定性问题：天体演化学和天体力学的基本问题之一

　　 6.2.其他行星系（包括地月系）

　　虽然学者同意另外还有其他和太阳系相似的天体系统，但直到1992年才发现别的行星系。至今已发现几百个行星系，但是详细材料还是很少。这些行星系的发现是依靠多普勒效应，通过观测恒星光谱的周期性变化，分析恒星运动速度的变化情况，并据此推断是否有行星存在，并且可以计算行星的质量和轨道。应用这项技术只能发现木星级的大行星，像地球大小的行星就找不到了。

　　此外，关于类似太阳系的天体系统的研究的另一个目的是探索其他星球上是否也存在着生命。

提丢斯数列

　　提丢斯-波得定则（Titius-Bode law），简称“波得定律”，是关于太阳系中行星轨道的一个简单的几何学规则。它是在1766年德国的一位中学教师戴维·提丢斯（Johann Daniel Titius，1729~1796）发现的。后来被柏林天文台的台长波得（Johann Elert Bode）归纳成了一个经验公式来表示。

　　行星同太阳平均距离的经验定律。1766年﹐德国人提丢斯提出﹐取一数列0﹐3﹐6 ﹐12﹐24﹐48﹐96﹐192……﹐然后将每个数加上4﹐再除以10﹐就可以近似地得到以天文单位表示的各个行星同太阳的平均距离。1772年﹐德国天文学家波得进一步研究了这个问题﹐发表了这个定则﹐因而得名为提丢斯-波得定则﹐有时简称提丢斯定则或波得定则。这个定则可以表述为﹕从离太阳由近到远计算﹐对应于第n 个行星(对水星而言﹐n 不是取为1﹐而是-∞)﹐其同太阳的距离a =0.4+0.3×2n-2)(天文单位)

　　行星 公式推得 值实测值

　　水星 0.4 0.39

　　金星 0.7 0.72

　　地球 1.0 1.00

　　火星 1.6 1.52

　　小行星带 2.8 2.9

　　木星 5.2 5.20

　　土星 10.0 9.54

　　天王星 19.6 19.18

　　海王星 38.8 30.06

　　【冥王星 77.2 39.44（不符合数列）】

总星系

　　通常把我们观测所及的宇宙部分称为总星系。也有人认为，总星系是一个比星系更高一级的天体层次，它的尺度可能小于、等于或大于观测所及的宇宙部分。总星系的典型尺度约100亿光年，年龄为150亿年量级。通过星系计数和微波背景辐射测量证明总星系的物质和运动的分布在统计上是均匀和各向同性的，不存在任何特殊的位置和方向。总星系物质含量最多的是氢，其次是氦。从1914年以来，发现星系谱线有系统的红移。如果把它解释为天体退行的结果，那就表示总星系在均匀地膨胀着。总星系的结构和演化，是宇宙学研究的重要对象。有一种观点认为，总星系是2×10e10年以前在一次大爆炸中形成的。这种大爆炸宇宙学解释了不少观测事实（元素的丰度、微波背景辐射、红移等）。另一种观点则认为,现今的总星系是由更大的系统坍缩后形成的,但这种观点并不能解释微波背景辐射^[1]。

　　总星系并不是一个具体的星系，也不像本星系群、本超星系团那样的天体系统，而是指用现有的观测手段和方法，所能被人们观测和探测到的全部宇宙间范围。也有人认为，总星系是一个比星系更高一级的天体层次，它的尺度可能小于、等于或大于观测所及的宇宙部分。

范围

　　现在认为，其半径为200亿光年，年龄为200亿年，所包含的星系在10亿个以上。从目前的认识水平来说，包括这些星系在内的总星系物质，在运动和分布上是均匀的，也不存在任何特殊的方向和位置。也就是说，既没有发现总星系的核心和边缘，也没有发现运动的特殊趋向。总星系所含的物质中，最多的是氢，其次是氦。

　　星系谱线红移这一现象，如果用多普勒效应解释为它们都有极大的速度，那就意味着总星系在不断地膨胀和扩大。总星系的结构、演化是宇宙学研究中的根本问题之一。

红移

红移(Red shift)：

　　1.由于多普勒效应，从离开我们而去的恒星发出的光线的光谱向红光光谱方向移动。

　　2.一个天体的光谱向长波（红）端的位移。天体的光或者其它电磁辐射可能由于运动、引力效应等被拉伸而使波长变长。因为红光的波长比蓝光的长，所以这种拉伸对光学波段光谱特征的影响是将它们移向光谱的红端，于是这些过程被称为红移^[1]。

　　3. 在高光谱遥感领域的红移。在植被的光谱曲线中，遭胁迫的植物的红-红外透射曲线向更短波长方向移动（Cibula和Carter，1992）的现象称为“红端蓝移”简称 红移。

　　简单的说，就是700纳米波长范围的拐点向短波方向移动（如左图曲线）。红移一般是植被遭受胁迫所致，具体解释如下：

　　叶片的光谱反射最有可能在敏感的可见光范围（535～640纳米和685～700纳米）首先反映植被受胁迫的情况。当植被遭受胁迫和叶绿素生产量开始下降时，由于叶绿素的缺乏一般会使植物在叶绿素吸收带上的吸收减少。这样的植物具有高得多的反射，特别是在红光和绿光部分。（John R Jensen）因此，植物会变成黄色或萎黄色。可见光的反射率增加实际上与植被遭受胁迫时叶片反射率的响应完全一致。只有当足够大并造成这篇严重脱水时，红外反射率才会开始响应（即，开始红移）。

　　图右是遥远的星系在可见光波段的光谱，与图左太阳的光谱比较，可以看见谱线)朝红色的方向移动，即波长增加（频率降低）

多普勒红移、引力红移和宇宙学红移的区别

　　红移有3种：多普勒红移（由于辐射源在固定的空间中远离我们所造成的）、引力红移（由于光子摆脱引力场向外辐射所造成的）和宇宙学红移（由于宇宙空间自身的膨胀所造成的）。对于不同的研究对象，牵涉到不同的红移，具体的见下表：

　　天体类型 多普勒红移 引力红移 宇宙学红移

　　行星 X X

　　恒星 X

　　星云 X

　　中子星 X X

　　白矮星 X X

　　近距离星系 X X

　　远距离星系 X X

　　黑洞 X X

　　通常引力红移都比较小，只有在中子星或者黑洞周围这一效应才会比较大。对于遥远的星系来说，宇宙学红移是很容易区别的，但是在星系随着空间膨胀远离我们的时候，由于其自身的运动，在宇宙学红移中也会参杂进多普勒红移。

　　一般说来，为了从其他红移中区别引力红移，你可以将这个天体的大小与这个天体质量相同的黑洞的大小进行比较。类似星云和星系这样的天体，它们的半径是相同质量黑洞半径的千亿倍，因此其红移的量级也大约是静止频率的千亿分之一。对于普通的恒星而言，它们的半径是同质量黑洞半径的十万倍左右，这已经接近目前光谱观测分辨率的极限了。中子星和白矮星的半径大约是同质量黑洞半径的10和3000倍，其引力红移的量级可以达到静止波长的1/10和1/1000。

　　宇宙学红移在100个百万秒差距的尺度上是非常明显的。但是对于比较近的星系，由于星系本身在星系团中的运动所造成的多普勒红移和宇宙学红移的量级差不多，你必须仔细的区别开这两者。通常星系在星系团中的速度为3000km/s，这大约与在5个百万秒差距处的星系的退行速度相当。

详解：

　　天体的光或者其他电磁辐射可能由于三种效应被拉伸而使波长变长。因为红光的波长比蓝光的长，所以这种拉伸对光学波段光谱特征的影响是将它们移向光谱的红端，于是全部三种过程都被称为‘红移’。

　　第一类红移在1842年由布拉格大学的数学教授克里斯琴·多普勒做了说明，它是由运动引起的。当一个物体，比如一颗恒星，远离观测者而运动时，其光谱将显示相对于静止恒星光谱的红移，因为运动恒星将它朝身后发射的光拉伸了。类似地，一颗朝向观测者运动的恒星的光将因恒星的运动而被压缩，这意味着这些光的波长较短，因而称它们蓝移了。目前为止，恒星都出现红移，说明宇宙在膨胀。

　　一个运动物体发出的声波的波长(声调)也有与此完全相似的变化。朝向你运动的物体发出的声波被压缩，因而声调较高；离你而去的物体的声波被拉伸，因而声调较低。任何遇到过急救车或其他警车警笛长鸣擦身而过的人对以上两种情况都不会陌生。声波和电磁辐射的上述现象都叫做多普勒效应。

　　多普勒效应引起的红移和蓝移的测量使天文学家得以计算出恒星的空间运动有多快，而且还能够测定，比如说，星系的自转方式。天体红移的量度是用红移引起的相对变化表示，称为z。如果z=0.1，则表示波长增加了10％，等等。只要所涉及的速率远低于光速，z也将等于运动天体的速率除以光速。所以，0.1的红移意味着恒星以1/10的光速远离我们而去。

　　1914年，工作在洛韦尔天文台的维斯托·斯里弗发现，15个称为旋涡星云(现在叫做星系)的天体中有11个的光都显示红移。1922年，威尔逊山天文台的埃德温·哈勃和米尔顿·哈马逊进行了更多的类似观测。哈勃首先确定了星云是和银河系一样的另外的星系。然后，他们发现大量星系的光都有红移。到了1929年，哈勃主要通过将红移和视亮度的比较，确立了星系的红移与它们到我们的距离成正比的关系(现在称为哈勃定律)。这个定律仅对很少几个在空间上离银河系最近的星系不成立，例如仙女座星系的光谱显示的是蓝移。

　　起初，遥远星系的红移被解释成星系在空间运动的多普勒效应，似乎它们全都是由于以银河系为中心的一次爆炸而四散飞开。但很快就意识到，这种膨胀早已隐含在发现哈勃定律之前十几年发表的广义相对论方程式之中。当阿尔伯特·爱因斯坦本人1917年首次应用那些方程式导出关于宇宙的描述(宇宙模型)时，它发现方程式要求宇宙必须处于运动状态——要么膨胀，要么收缩。方程式排除了稳定模型存在的可能性。由于当时无人知晓宇宙是膨胀的，于是爱因斯坦在方程式中引入一个虚假的因子，以保持模型静止；他后来说这是他一生‘最大的失误’。

　　去掉那个虚假因子后，爱因斯坦方程式能准确描述哈勃观测到的现象。方程式表明，宇宙应该膨胀，这并不是因为星系在空间运动，而是星系之间的虚无空间(严格说是时空)在膨胀。这种宇宙学红移的产生，是因为遥远星系的光在其传播途中被膨胀的空间拉开了，而且拉开的程度与空间膨胀的程度一样。

　　由于红移正比于距离，这就给宇宙学家提供了一个测量宇宙的衡量标准。量竿必须通过测量较近星系来校准，虽然这种校准还有一些不确定性(见宇宙距离尺度)，但它仍然是宇宙学惟一最重要的发现。没有测量距离的方法，宇宙学家就不可能真正开始认识宇宙的本质，而哈勃定律的准确性表明，广义相对论是关于宇宙如何运转的极佳描述。

　　由于历史原因，星系的红移仍然用速度来表示，尽管天文学家知道红移并非由通过空间的运动所引起。一个星系的距离等于它的红移‘速度’除以一个常数，这个常数叫做哈勃常数，它的数值大约是60公里每秒每百万秒差距，这意味着星系和我们之间距离的每一个百万秒差距将引起60公里每秒的红移速度。对我们的最近邻居来说，宇宙学红移是很小的，而像仙女座星系那样的星系显示的蓝移确实是它们的空间运动造成的多普勒效应蓝移。遥远星系团(犹如一群蜜蜂)中的星系显示围绕某个中间值的红移扩散度；这个中间值就是该星系团的宇宙学红移，而对于中间值的偏差则是星系在星系团内部的运动引起的多普勒效应。

　　哈勃定律是惟一的红移/距离定律(稳定宇宙除外)，不论从宇宙中的哪个星系来观测，这个定律‘看起来都是一样’的。每个星系(非常近的邻居除外)退离另一个星系的运动都遵循这条定律，膨胀是没有‘中心’的。这种情形通常比作画在气球表面的斑点，当气球吹胀时，斑点彼此分开更远，这是因为气球壁膨胀了，而不是因为斑点在气球表面上移动了。从任意一个斑点进行的测量将证明，所有其他斑点的退行是均匀的，完全遵守哈勃定律。

　　当红移大到相当于大约1/3以上光速时，红移的计算就必须考虑狭义相对论的要求。所以红移等于2并不表示天体的宇宙学‘速度’是光速的两倍。事实上，z=2对应的宇宙学速度等于光速的80％。已知最遥远类星体的红移稍稍大于4，对应的‘速度’刚刚超过光速的90％；星系红移的最高记录属于一个叫做8C1435+63的天体，其红移值等于4.25。宇宙微波背景辐射的红移是1,000。

　　第三类红移是由引力引起的，而且也是爱因斯坦的广义相对论所阐明的。从一颗恒星向外运动的光是在恒星的引力场中做‘登山’运动，因而它将损失能量。当一个物体，比如火箭，在引力场中向上运动时，它损失能量并减速(这就是为什么火箭发动机必须点火才能将它推人轨道的原因)。但光不可能减速；光永远以比300,000公里每秒小一点点的同一速率c传播。既然光损失能量时不减速，那就只有增加波长，也就是红移。

　　原理上，逃离太阳的光，甚至地球上的火把向上发出的光，都有这种引力红移。但是，只有在如白矮星表面那样的强引力场中，引力红移才大到可测的程度。黑洞可以看成是引力场强大到使试图逃离它的光产生无穷大红移的物体。

　　所有三类红移可能同时起作用。如果我们的望远镜非常灵敏，能够看见遥远星系中的白矮星的话，那么白矮星光的红移将是多普勒红移、宇宙学红移和引力红移的联合效果。

　　大多数类星体的红移大于1。如果把类星体红移z解释为多普勒红移，则退行速度v可由下式算出：

式中c为光速，z=3.5时，v高达0.9c。

　　红移是河外天体共有的特征。因此，绝大多数天文学家认为，类星体是河外星体。红移-视星等关系的统计的结果表明：哈勃定律对于河外星系是适用的。就是说，它们的红移是宇宙学红移，它们的距离是宇宙学距离，它们的红移和视星等是统计相关的。可是，对类星体来说，红移和视星等的统计相关性很差，这就产生了两个彼此相关的问题：类星体的红移是否就是宇宙学红移，类星体的距离是否就是宇宙学的距离。大多数天文学家认为，类星体的红移是宇宙学红移。因此，红移反映了类星体的退行，而且符合哈勃定律。按照这种看法，作为一种天体类型而言，类星体是人类迄今为止观测到的最遥远的天体。持这种观点的人认为，类星体红移-视星等的统计相关性很差的原因，在于类星体的绝对星等弥散太大。如果按照一定的标准将类星体分类，对某种类型的类星体进行红移-视星等统计，则相关性便会显著提高。支持宇宙学红移的观测事实还有：已发现三个类星体分别位于三个星系团里，而这些类星体的红移和星系团的红移差不多；类星体与某些激扰星系（如塞佛特星系）很类似；蝎虎座BL型天体是一种在形态上类似恒星的天体，以前认为它们是银河系内的变星，现已确定，它们是遥远的河外天体。

　　少数天文学家认为类星体的红移不是宇宙学红移。这种观点所依据的观测事实有：某些类星体和亮星系（它们的红移相差很大）的抽样统计结果表明，它们之间存在一定的统计相关性；某些类星体（如马卡良星系205）似乎同亮星系之间有物质桥联系，而二者的红移相差极大。持这种观点的人对红移提出过一些解释。例如，认为类星体是银河系或其附近星系抛出来的，因此认为类星体红移是多普勒红移，而不是宇宙学红移。也有人认为，类星体红移是大质量天体的引力红移。还有一些理论认为类星体的红移可能是某种未知的物理规律造成的，这就向近代物理学提出了所谓的红移挑战。

                           宇宙学红移

指当光穿过一段空间时，空间自身发生的延展。在目前研究的各种天体中，被认为具有宇宙学红移的对象主要是远近各类星系。但事实上，只有对于相当遥远的星系（因而也是相当大型的），才能容易地将宇宙学红移与其它干扰相区分。因为离我们越近的天体自行越大，造成近距离星系的宇宙学红移无法与Doppler红移相区。要辨识引力红移，目前用得最多的方法是将对象天体的尺度与其黑洞半径作比较。星云、星系通常万亿倍大于它们的黑洞半径，所以，它们引力红移的大小约为原辐射频率的万亿分之一（这是目前实验装置根)本观测不到的）。普通恒星的半径通常只比它的黑洞半径大十万倍，所以，它表面辐射的引力红移接近于能被观测到的极限，也即十万分之一。至于中子星和白矮星，相应的是1/10和1/1000的原辐射频率。至于宇宙学红移，正如上所说，只有到十亿秒差距（三十亿光年）那么遥远才能清晰地被观察到。对于近距离天体，例如仙女座大星云，它围绕着本星系群的质心做300km/sec的绕行，这个速度与距离五百万秒差距的退行速度相同，而仙女座大星云本身离我们只有80万秒差距。

分类

　　光源相对观测者的运动导致红移和蓝移都卜勒红移：物体和观察者之间的相对运动可以导致红移，与此相对应的红移称为都卜勒红移，是由都卜勒效应引起的。

　　重力红移：根据广义相对论，光从重力场中发射出来时也会发生红移的现象。这种红移称为重力红移。

　　宇宙学红移：20世纪初，美国天文学家埃德温·哈勃发现，观测到的绝大多数星系的光谱线存在红移现象。这是由于宇宙空间在膨胀，使天体发出的光波被拉长，谱线因此「变红」，这称为宇宙学红移，并由此得到哈勃定律。 20世纪60年代发现了一类具有极高红移值的天体——类星体，成为近代天文学中非常活跃的研究领域。

简史

　　这个主题的发展开始于19世纪对波动力学现象的探索，因而连结到了都卜勒效应。稍后，因为克里斯琴·安德烈·都卜勒在1842年对这种现象提出了物理学上的解释，而被称为都卜勒效应[5]。他的假说在1845年被荷兰的科学家Christoph Hendrik Diederik Buys Ballot用声波做实验而获得证实。都卜勒预言这种现象可以应用在所有的波上，并且指出恒星的颜色不同可能是由于它们相对于地球的运动速度不同而引起的。后来这个推论被否认。恒星呈现不同的颜色是因为温度不同，而不是运动速度不同。　　都卜勒红移是法国物理学家斐索在1848年首先发现的，他指出恒星谱线位置的移动是由于都卜勒效应，因此也称为「都卜勒-斐索效应」。1868年，英国天文学家威廉·哈金斯首次次测出了恒星相对于地球的运动速度。

　　在1871年，利用太阳的自转测出在可见光太阳光谱的夫朗和斐谱线在红光有0.1 Å的位移。在1901年，Aristarkh Belopolsky在实验室中利用转动的镜片证明了可见光的红移。

　　在1912年开始的观测， Vesto Slipher发现绝大多数的螺旋星云都有不可忽视的红移。然后，埃德温·哈勃发现这些星云（现在知道是星系）的红移和距离有关联性，也就是哈勃定律。这些观察在今天被认为是造成宇宙膨胀大爆炸理论的强而有力证据。

测量、特性和解释

　　红移可以经由单一光源的光谱进行测量(参考上面理想化的光谱例证图)。如果在光谱中有一些特征，可以是吸收线、发射线、或是其他在光密度上的变化，那么原则上红移就可以测量。这需要一个有相似特征的光谱来做比较，例如，原子中的氢，当他发出光线时，有明确的特征谱线，一系列的特色谱线都有一定间隔的。如果有这种特性的谱线型态但在不同的波长上被比对出来，那么这个物体的红移就能测量了。因此,测量一个物体的红移,只需要频率或是波长的范围。只观察到一些孤立的特征,或是没有特征的光谱,或是白噪音(一种相当无序杂乱的波)，是无法计算红移的。

　　红移(和蓝移)可能会在天体被观测的和辐射的波长(或频率)而带有不同的变化特征，天文学习惯使用无因次的数量z来表示。如果λ代表波长，f代表频率(注意：λf = c，此处的c是光速)，那么z可以由下面的公式来定义：

　　红移的测量, z以波长为基础以频率为基础

　　在z被测量后，红移和蓝移的差别只是间单的正负号的区别。依据下一章节的机制，无论被观察到的是红移或蓝移，都有一些基本的说明。例如，都卜勒效应的蓝移(z < 0)会联想到物体朝向观测者接近并且能量增加，反过来说都卜勒红移(z > 0)，就会联想到物体远离观测者而去并且能量减少。同样的，爱因斯坦效应的蓝移可以联想到光线进入强引力场，而爱因斯坦效应的红移是离开引力场。

机制

　　一个光子在真空中传播可以有几种不同的红移机制，每一种机制都能产生类似都卜勒红移的现象，意谓着z是与波长无关的。这些机制分别使用伽利略、罗伦兹、或相对论转换在各个参考架构之间来比较。

　　红移摘要红移型式转换的架构所在度规定义[15]

　　都卜勒红移伽利略转换欧几里得度规

　　相对论的都卜勒罗伦兹转换闵考斯基度规

　　宇宙论的红移广义相对论转换FRW度规

　　重力红移广义相对论转换史瓦兹旭尔得度规}-

都卜勒效应

　　如果一个光源是远离观测者而去，那么会发生红移(z > 0)，当然，如果光源是朝向观测者移动，便会产生蓝移(z < 0)。这对所有的电磁波都适用，而且可以用都卜勒效应解释。当然的结果是，这种形式的红移被称为都卜勒红移。如果光源远离观测者的速度是v，忽略掉相对论的效应，红移可以表示为：

　　此处c是光速，在古典的都卜勒效应，光源的的频率是无需修正的，但是退行会造成低频的错觉。

　　对于声波等机械波，也有这样的效应。计，波源向观察者运动时，观察者接受到的波的频率变高；波源离开时则反之。

星系红移

星系离我们而去的时候光谱发生红移，叫做星系红移。

　　红移是什么？红移就是星体光源的频率不变的条件下观测点观测到的频率发生了变化。大家又叫他多普勒效应。

　　普勒效应

　　宇宙间的-切物质都在运动中。遥远的星系也在运动着，它们都在远离我们而去。例如，室女座星系团正以大约每秒1210公里的速度离开我们，后发座星系团约以每秒6700公里的速度离开我们，武仙座星系团约以每秒l0300公里的速度飞奔而去，而北冕座星系团离开我们的速度更大，大约每秒21600公里。星系为什么要离开我们?我们又是怎么知道它们在运动呢？

　　在生活中我们都有这样的经验：在火车站站台上，一列火车呼啸着向我们奔来，汽笛的声调越来越高，当火车离开我们时，汽笛的声调逐渐降低。这是什么道理呢？1842年，著名的奥地利物理学家多普勒首先阐述了造成这种现象的原因。他指出：生源想到对贯彻在运动时，观测者所听到的声音会发生变化。当声源离观测者而去时，声波的波长增加，音调变得低沉，当声源接近观测者时，声波的波长减小，音调就变高。音调的变化同声源与观测者间的相对速度和声速的比值有关。这一比值越大，改变就越显著，后人把它称为“多普勒效应”。

　　多普勒效应不仅适用于声波，而且也适用于光波。一个高速运动的光源发出的光到达我们眼睛时，其波长和频率也发生了变化，也就是说它的颜色会有所改变。虽然天文学家可以利用这一原理测量天体的运动，但是在一般情况下，天体相对于观测者的运动速度与光速相比是微不足道的，因此光源颜色的变化很难测定。

　　星系是巨大的恒星集团，但由于它们离我们非常遥远,每个星系往往只能在大望远镜拍摄的底片上看到一个微弱的光点。第一个观测和测定星系光谱的天文学家是美国洛韦尔天文台的斯里弗。l912—1925年，他拍摄了40个星系的光谱照片，除了两个星系外，其余都呈现波长偏长的多普勒频移，即向光谱的红端位移，所测得的离去速度高得惊人，最高达5700公里／秒。

　　对星系视向速度的研究继续进行着。天文学家发现，星系的谱线位移和恒星的谱线位移很不一样。首先，恒星的谱线位移有红移也有紫移，这反映恒星有的在远离我们，有的在接近我们，而星系的谱线位移绝大多数是红移，紫移的极少。其次，恒星的谱线位移不论是红移还是紫移，一般在每秒数十公里左右，最大的不超过每秒二三百公里，而星系的谱线红移每秒1000公里以下的只占少数，多数是每秒2000～3000公里，有的甚至达到每秒1万公里。

　　1929年，美国天文学家哈勃发现，在宇宙空间不仅几乎所有的星系都具有谱线红移现象，而且还存在着星系的红移量与该星系的距离成正比的关系，也就是说，越远的星系正在以越快的速度飞驰而去，这被称为哈勃定律。

　　有了哈勃定律，天文学家通过观测星系的谱线红移量，求出星系的视向速度，进而得出它们的距离。例如，一个以1700公里／秒的速度远离我们而去的星系，其距离约1亿光年；一个以17000公里／秒的速度远离我们而去的星系，其距离约10亿光年。目前已观测到的最远星系，正以与光速相差无几的速度远离我们而去，其距离达100多亿光年。为什么星系都在离我们而去呢？

　　红移的本质是什么？为什么会存在哈勃定律？这些问题已经争论了半个多世纪了，但一直未能得到圆满的解释，因而成了天文学里的老大难问题。

　　在哈勃定律发表前两年，比利时天文学家勒梅特就提出了宇宙膨胀的概念。1930年，英国天文学家爱丁顿把勒梅特的模型和哈勃定律联系起来，称宇宙为膨胀的宇宙。1932年勒梅特进一步提出现在观测到的宇宙是一个巨大的原始火球爆炸而形成的·到了40年代末，在发现了太阳的巨大能源来自热核反应后，美国物理学家伽英夫把宇宙膨胀论和基本粒子的运动联系起来，提出了热大爆炸宇宙学。他认为宇宙起源于高温、高密度的，“原始火球”的一次大爆炸。在热大爆炸模型提出后的一段时间内，很少有人关心它。直到1965年，美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊发现了3K微波背景辐射（也称宇宙背景辐射）后，才使大爆炸学说一跃成为最有影响的学说．随着其他研究者的后继测量，宇宙背景辐射已成为大爆炸模型有效性的有力见证，成为考虑宇宙中大足度流动的有用的“绝对框架”，还因其表现的各向同性，成为发表星系形成理论的重要约束。

　　天文学家认为，所谓宇宙大爆炸，并不能想象为高密度高能量的宇宙物质在爆炸后，高速冲向早已存在的空虚的空间之中，如果这样，原爆炸中心将会留下一个逐渐增大的空洞。同时，爆炸时辐射比物质走得快，结果爆炸时发出的所有辐射就会与物质分离。实际上这两种现象都不存在，因此宇宙大爆炸必须想象为空间本身自大爆炸开始以光速膨胀。

　　大爆炸学说比较自然地说明了许多观测现象，而且理论和观测结果比较好地相符。但是也遇到了一些问题，其中最突出的是“原始火球”是从哪里来的?有的天文学家认为：起初宇宙是极其稀薄的气体，由于万有引力的作用，逐渐收缩成一团超密物质。然后再爆炸，经过膨胀阶段，而重新归于稀薄，稀薄得简直和绝对真空相差无儿。我们恰巧生活在宇宙比较饱满的这个非常短暂的时期中。自然，以后还可以再收缩，再爆炸，再膨胀。1965年，美国天文学家桑得奇甚至估计这种“脉动宇宙”每振荡一次大约需要800多亿年。这种理论是现实，还是“神话”，目前还不能轻易下结论。

　　另外一些天文学家，他们不认为星系谱线红移是由它们的退行速度引起的，因此也就不存在宇宙膨胀的问题。然而，要在多普勒效应之外，再找出红移的另一种解释，实在太困难了，至少从目前看来是这样。

　　有一种解释认为：，发出光谱的天体因本身的物理状态不同而产生红移。例如由于星系那里引力特别大，因此发出的光谱中红移特别大，这叫做引力红移。引力红移是广义相对论的预言之一。根据广义相对论，当一个观察者从远离引力场的地方，观测处在引力场中的辐射源发射出来的光的时候，谱线会向长波方向移动，移动量与辐射源和观测者两处引力势差的大小成正比。这种效应最初是在白矮星中得到证实的。但根据引力理论计算的结果来看，引力对红移的影响很小，不足以说明观测到的星系红移现象。

　　另一种解释则认为光线与传播途中物质相互作用产生红移。光线由星系发出之后，要经过若干万光年才能到达地球，光在长途传播中要穿透许多星系际介质区域，光和介质发生了某种相互作用，使光谱产生红移。星系越远，途中遇到．的介质就越多，因而红移也就越大，但光与介质相遇如何相互作用而产生红移，还没有令人满意的解释。

　　还有一种解释是光线本身变化而产生红移。光线在几千万年的传播之中，光子发生了老化，波长变长而出现了红移，由此推断越远的星系光线走得越久，所以看到的红移也越大。这一假说没有得到实验的证实。

　　正当星系红移问题闹得不可开交的时候，60年代又出现了类星体的红移现象，使问题变得越发复杂了。根据对类星体物理性质的研究。可以肯定，类星体是河外天体。属于星系这一层次。既然如此．它们的红移是不是也像正常星系那样可以解释为退行并满足哈勃定律呢?要直接验证这一点是困难的，因为至今还没法求出类星体的距离。对类星体进行统计，结果发现在红移—视星等图上，它们的分布毫无规律，这到底是什么原因呢？

　　大多数天文学家坚持认为：类星体的红移是宇宙红移，即红移反映了退行，而且红移和距离之间存在着哈勃关系。证据是类星体的物理性质与某些活动星系很类似，而活动星系已被证明是满足哈勃定律的。另外，已发现几个类星体分别很靠近某个基系团或就在星系团内，而且类星体与星系团的红移近似相等。还发现某些类星体很靠近一些星系，而类星体和星系的红移也大致相同。他们认为，类星体在红移—视星等图上之所以弥散，是由于类基体的绝对星等弥散太大，而不是因为哈勃定律不成立。

　　少数天文学家认为类星体红移不是宇宙学的。对某些类星体和亮星系进行抽样统计研究，发现有些互相成协(即联在一起)的星系或成协的星系和类星体彼此之间的红移量完全不同或相差很大。另外发现有些类星体的光谱中，其吸收线的红移量与发射线的红移量互不相同，而且不同的吸收线还有各不相同的红移量，即多重红移。而成协天体的不同红移和同一天体的多重红移，都是用多普勒效应无法解释的，必须寻找新的红移机制。已提出的除了上面讲到的引力红移、光子老化、物理常数变化等红移机制外，还有一种所谓的“横向多普勒效应”。类星体的巨大红移可能说明它的横向速度很大。

　　上述这些观点，有的仅仅是假说，有的虽有理论根据，但并不能很好地解释类星体的红移．持非宇宙学红移观点的人认为，类量体的红移是对现代物理学的挑战。

　　对星系普遍存在的谱线红移的观测和研究．有力地推动了以整个可观测宇宙的结构、起源和演化为课题的现代宇宙学的迅速发展。星系红移的真相一旦被揭开，人类对宇宙的认识必将有一个更大的飞跃。

谱线红移

可能存在三中形成宇宙谱线红移的原因，即：宇宙学效应、多普勒效应、康普顿效应，本文从理论上提出鉴别那一种是形成主要原因的方法。并针对试验的可能性的结果提出对宇宙观念的可能性影响。

　　一、引言

　　1、牛顿力学导致的宇宙观念

　　在牛顿力学中,由于基础性的定义来自于牛顿运动定律,因此对于宇宙的观念存在着一定的局限性,主要表现为如下的方面:

　　牛顿第一运动定律决定了物质的存在属性——惯性。所有的物体在不受到外来作用的时候都将会保持它本身的运动状态。这样的一条规律推广到整个的宇宙，决定了宇宙的存在状态。当然，单靠这一点还是不够的，牛顿第二运动定律和牛顿第三运动定律可以推出动量守恒定律。根据动量守恒定律和牛顿第一运动定律就很自然的推出宇宙的状态了，即：在宇宙的宏观上，无边无际，各向均匀同性。这样的一种宇宙观念在相对论宇宙观念建立之前得到了一种认同。通常将这种观念叫做无限宇宙论。

　　物质的本身除了惯性之外，还存在另外一种属性，这种属性就是所有的物体之间都存在一种引力——万有引力。牛顿所建立的万有引力定律确定了物体之间的作用规律，这个作用规律在解决宇宙的问题上和牛顿运动定律的本身发生矛盾。如果宇宙是有限的，那么，物质间由于万有引力的作用，最终会所有的物质会由于万有引力的作用而凝聚到一起。如果宇宙是无限的，那么均匀分布在无限宇宙空间中内部区域的这些物质之间的万有引力的作用，则会互相抵消。但是，这导致了另一个问题，所有万有引力的叠加会导致引力势为无限大，这就是Neumann-Seeliger佯谬。在理论计算上，由于处理方法的局限性，必须引入处理区域边界的模式，因此，理论上的这种假设宇宙无限模式是无效的，或者说这是数值计算模式的局限性。这个问题体现了经典力学先天固有的不足。

　　在传统的观念中，关于均匀、静止、无限的宇宙的另一个矛盾则是奥伯斯佯谬，即：假设天体的光度为，以密度n均匀分布，则天空背景的亮度ι为

　　这样就出现了天空背景无限亮的矛盾。实际上，这个矛盾是不存在的。因为在采用上面的处理方法忽略了一个重要的问题，就是恒星发出的光与距离的关系。我们知道，光照强度同光源距离的平方成反比，这样的一个关系导致了奥伯斯佯谬不能成立。

　　2、相对论导致的宇宙观念

　　光作为宇宙信息很早就引起人们的注意，在光的传播问题上，十九世纪的麦克斯韦在解释电磁理论的基础上，提出了在宇宙空间中存在以太海的假设，但是在人们采用试验的方法来验证以太的存在时，比如比较有名的麦克尔逊——莫雷实验，却不能得到以太存在的证据。这说明采用十九世纪以前经典的力学方法不能对电磁理论关于光的传播问题很好的进行解释，或者更进一步说，经典的力学和电磁理论是不兼容的，采用试验的方法客观事实不支持这样的结论，至少在十九世纪是这样的。

　　爱因斯坦在当时的经验事实的基础上，（主要是根据如下的两点假设，第一光速与光源的运动无关，第二，人们采用各种方法测量到的光速为一近似常数的结论）提出光速为一常数并且与惯性参照系无关的结论。并进一步提出所有物体的运动速度不能超过光速，将光速设定为物体运动的极限速度。这通常叫做狭义相对论的光速不变原理。通过这个途径，建立了电磁理论的联系。这实际上是建立了关于宇宙中物体的运动和定量的一种关系，或者说宇宙中物体的描述状态的关系。当然，仅凭这一点还是不够的，因为在定量的过程中还存在定量体和被定量体，这一点是通过惯性系来实现的，即通常所说的狭义相对论的相对性原理。

　　狭义相对论的相对性原理实际上是伽利略相对性原理，在原理所表述的内容上几乎是没有区别的。即：关于力学定律在所有惯性参照系中都是相同的原理。或者更进一步的说，是牛顿运动定律扩展到描述系统的应用情况。另一方面说明，牛顿力学规律的普适性，在相对论中兼容了牛顿力学规律。在狭义相对论中，惯性参照系普遍的定量规律为推广到宇宙的定量状态打下了一个伏笔。

　　前面我们知道，物质本身的属性存在两种属性，一种属性是惯性，爱因斯坦通过惯性和光速不变原理建立了狭义相对论描述惯性系的基础。另一种属性则是万有引力，那么万有引力又是通过什么来进行描述的呢？下面我们来看这个问题。

　　物质本身所具有的万有引力和物质作用的关系，其本身是一种经验约定，在这个关系上，经典的牛顿力学采用平方反比定律来对这个问题进行描述。爱因斯坦则另辟小径，通过加速度和引力的等效模式来进行等效处理，或者说惯性质量等效于引力质量。如果说狭义相对论是处理惯性系的问题，那么广义相对论则是处理非惯性系参照系的问题。在广义相对论存在的问题——原理上的问题中，我们已经讨论了这个问题惯性质量和引力质量是不需要采用等效的模式来进行经验约定的，它们本身都是力学的定义系统。在广义相对论中还包括另一种涵义，这种含义就是通过等效的模式建立狭义相对论和广义相对论之间在观念、范围、描述模式上的联系，在和狭义相对论相等效的模式上，物体在不同惯性参照系中切换的过程中（变速运动），形成时间和空间的变率，如果是变速运动是稳定的，比如角动量为均匀的旋转系，那么时间和空间的变率也是相同的。我们知道，变速运动等效于引力，这使得广义相对论具有相似的描述模式，甚至可以进行等效切换。在数学上采用曲率张量来进行描述，引力系统的引入使得数学上的空间弯曲成为一种形象的描述模式。

　　在一个引力系统所造成的空间曲率描述中，无疑会形成一种以引力源为中心的中心对称。那么，如果将整个的宇宙系统当作一个引力系统，无疑将是一个球形。如果宇宙的物质分布是均匀的，那么将会得到一个准球形。

　　相对论的理论毕竟是理论，下面我们来看关于现代的宇宙理论以及客观事实是否支持这样的结论。

　　二、“膨胀”宇宙的发现

　　关于宇宙膨胀的观念主要来自于对星体距离的测量上，采用几何学三角测量的方法，以地球长轴为基线所测定的极限距离不超过150光年，利用某一期间的角位移和谱线得多普勒效应来对星团自转求线速度的方法，其测定出的距离不超过三千光年，超过这个极限则利用造父形脉动变星的距离测量法，即知道天体的绝对亮度和标准光源进行比较即可。1914年前后，V.M.Slipher根据谱线红移发现了几个大于10的三次方千米/秒的速度离开我们的天体。大约有过了十年，哈勃测定了这些天体的距离，结果证明这些天体是一些距离在10的7次方光年以上的遥远的星系。但是，如果恒星的距离太远，则不能分辨和看到，对这种情况，有的以星系内最亮的恒星作为标准，有的只能以星系整体亮度作为标准尽可能的确定更多的星系的距离和红移，经过整理，1922年哈勃发现具有巨大红移的星系，其退行速度和距离成正比。其中，为哈勃常数，其值为，他认为这是由于宇宙的均匀的膨胀而造成的。

　　后来利用二战后发展起来的射电望远镜是观测的范围更加扩大，可是由于射电波几乎都是连续的，所以信息量很少。只有从比较近的星系测得的21cm谱线的红移才于光学观测的情况相似。

　　[来自于宇宙物理学]

　　在宇宙膨胀的观念中，其主要的证据来自于宇宙光线的谱线红移，那么，谱线红移的客观事实结果的唯一解释是不是谱线发射体在远离我们而去呢？如果谱线发射体在远离我们而去是谱线红移的唯一的解释，那么宇宙的膨胀的解释则成立，否则，则不能成立。这样的结论关键在于谱线红移和谱线发射体在远离我们而去是唯一对应的解释。或者是主要的解释，其它可能包含的解释可以略而不计。

　　我们稍微对光波和宇宙空间的环境分析一下，就知道这样的解释不是唯一的，更不是主要的解释。下面我们来看引起谱线红移的可能性的解释。

　　1、引起谱线红移可能性的解释

　　第一、传递波的介质可能引起的红移（假设中的，很可能不存在）

　　引起谱线红移的可能性的解释我们可以先从常规波来探讨这个问题。

　　我们从平静的水面上投掷一颗石子，那么石子会在水面上形成水面波，只要我们稍微注意一下就会发现，随着水面波向远处传递，波峰的运动速度会越来越慢。其原因是由于水的粘滞系数的关系。

　　在声波上也有相似的结果，近处打雷的声音要清脆一些，而远处的雷声要低沉一些，其原因是声源所引起的声压、分子的运动速度，都会由于损耗减小所至。[可参见速度的问题之二————震动与波（上）]

　　如上两种机械波的在传递过程中所引起的频率红移，都是由于传递波的介质而引起，或者说是由于介质的机械属性所引起。当然，这和空间中传递的电磁波是完全不同属性的波。不能做相同的类比。

　　但是，光的传递介质是不是存在。在十九世纪，以太作为光的传递介质被麦克尔逊——莫雷实验否定后，其它有效的并被人们所接受的作为介质还没有被提出来。如果传递光的介质存在力学的属性，那么谱线的衰减红移，则是一种必然。可惜的是迄今没有发现这种介质。

　　（另：关于光的传递介质，童正荣先生曾提出过wg粒子，它是和引力相关联的粒子,在光的传递过程中，存在距离效应。童先生的文章我并没有读过，只是偶尔从论坛上看到过他所粘贴的帖子，也表达过距离红移相似的内容。）

　　因此，对于遥远星系光的红移可以采用三种方法的可能，即：由于宇宙中存在的物质所导致的康普顿散射、带电粒子对光线能量的吸收所导致的红移；宇宙膨胀导致的宇宙大小尺度上存在的距离红移；由于宇宙天体的运动所形成的多普勒频移。

　　第二、空间中的物质导致的红移

　　在广漠的宇宙空间中存在着大量的轻原子粒子、基本粒子，光线在穿过这些粒子的过程中，会产生散射。考虑到光线和这些粒子的作用，那么会存在降低谱线频率的现象，这种现象通常叫作康普顿效应。传统中所指的康普顿效应是指光线和原子中电子的碰撞过程，我认为光线不仅仅和原子中的电子发生的碰撞会存在频率降低的现象，光线和基本粒子的作用也会存在频率降低的现象。在空间的介质问题之四 ——光的本性与麦克尔逊—莫雷实验（中）(光的粒子性)中，已经讨论了关于光和带电粒子间的作用，另一方面，康普顿效应已经解决了光和原子间作用的规律，因此这里就不探讨光和原子间作用的详细的细节性问题了，而仅列出光和基本粒子作用的结论。即：

　　光和带电基本粒子间的作用过程中，光的频率降低而减小的量值同带电粒子的速度变化率成正比。这一点不适用于原子等复合性的粒子，即：不适用于传统康普顿效应的计算方法。

　　毫无疑问，光通过宇宙空间中的介质粒子的过程中，会和这些介质粒子发生相互作用。由于这些粒子既包括高速运动的带电粒子流，也包括在近乎静止的原子分子，因此在处理上，可以采用宏观统计的方法进行各向同性处理，对于广阔的宇宙而言，甚至可以当作一种常数。当然，这样的处理方法是近似的处理方法，并不是很严密，因为在不同的宇宙空间中，比如接近宇宙天体和远离宇宙天体，粒子、离子、原子分布的种类、数量以及状态是完全不同的。将导致康普顿效应的空间介质当作一种统计上的常量处理。（光和带电粒子间的作用所导致的红移能不能包含在其中，这是一个精确度的问题，寻求更精确的我想不能包含在其中。）

　　第三、宇宙天体和地球的相对运动速度所导致的红移

　　如图：有一静止波源在发射一个一维确定波长的波，当观测者静止时，它会观测到两个竖直线间距离的波长。假如这个观测者以一个确定速度在运动，那么当他接受到第一个波峰之后，它会继续向波源运动，当他接受到另一个波峰时，它所在的位置已经在虚竖线的位置，那么我们所实际观测到的波长则不是静止时的波长。通常我们采用频率的变化来描述这种状态，通常叫做谱线的频移。

　　在常规的机械波，如声波中，假设观察者和波源都在同一条直线上，并且观测这和波源存在相对运动，并且是匀速的，那么，波源所发出的一个确定频率的波会因为波源和观测者的相对运动而在观测者的观测结果里，频率会有所改变。通常我们把这种现象叫做多普勒频移。其表达式为

　　其中为观测者相对于媒质的速度，u为波源相对于媒质的速度，波的传播速度为V，为观测者观测到的频率，为波源发出的频率。如果应用于宇宙空间中的多普勒频移，只要将上式中的分母换作时间膨胀因子（或者空间收缩因子）为观测者或者波源的速度，那么就是相对论的表达形式。

　　采用波长来表达在形式上可以更为简单一些，即：λ=λ0-Δι，其中λ观测者观测到的波长，λ0为波源发出的波长，Δι为光通过一个观测者观测到的一个波长的时间里，观测者和波源之间的相对位移。

　　在观测到的宇宙中遥远的星光的频率所发生的改变，通常被认为是第三种情况，宇宙天体和地球的相对运动速度所导致的红移，很自然的，在现代天文学中就得到了宇宙膨胀的结论。

　　2、谱线频移的鉴别方法

　　在前面我们已经探讨了宇宙中遥远星系所发出的光在我们观测上可能会存在三种频移，这三种频移单独观察一个谱线是无论如何也不能进行区分的。那么是不是就没有办法了呢？当然不，以下方法可以将谱线的三种频移分辩开来。

　　第一、传递波的介质或者距离效应所导致的红移（暂时针对机械波）

　　波的传递介质或者距离效应所导致的频移其原因是由于传递波的介质在对光的能量传递过程中所形成的能量损耗所造成，因此在关系式上，可以表达成光衰减的频率同光传递的距离成正比。可以表示为：

　　=-△

　　其中表示我们观测到的频率，为标准谱线的频率，△为光线通过确定空间长度后所衰减的频率，它和距离长度成正比。如果我们将上图中的谱线横线当作谱线坐标的话，那么我们会看到谱线均匀的横向移动，每一条实际观测的谱线都会在标准谱线系图上横移△。 如图：

　　图中颜色较淡的竖线，表示我们实际观测到的发生频移的谱线系。较深的竖线表示标准的谱线系。当然，在对遥远星系的观测过程中，我们得到一个谱线系是不容易的，因为光线强度是非常小的。其实，只要在实际的观测中观测到到任意两条谱线，那么就可以采用这种比较的方法来得到结果。

　　(关于这个图并不是标准的,在谱线位置的关系上也是不对的,这里仅仅为了说明观测到的多普勒红移在标准的谱线系上的比较存在区别,只要注意采用观测谱线和标准谱线之间的关系很容易鉴定,那么这个图则是次要的了。）

　　第二、宇宙天体和地球的相对运动速度所导致的多普勒红移

　　多普勒频移仅和观测者和光源的相对速度有关，那么多普勒的表达形式为:

　　由于观测者和光源之间的相对速度在不同的谱线中是相同的，因此可以简单的表达成=k，其中k等于。

　　我们可以看到，多普勒频移和距离效应存在着本质的区别，这种区别就是在谱线系的标准图上和我们观测到的谱线系，其谱线的位置的变换为=k。如图：

　　(关于这个图并不是标准的,在谱线位置的关系上也是不对的,这里仅仅为了说明观测到的多普勒红移在标准的谱线系上的比较存在区别,只要注意采用观测谱线和标准谱线之间的关系很容易鉴定,那么这个图则是次要的了。）

　　第三、空间中的物质导致的红移

　　空间中的物质所导致的红移除了星际分子原子物质和光发生的康普顿散射之外，其它的就是带电粒子和光发生的作用了。但由于前面的多普勒频移是简单的谱线移动，那么这就提供了一种简单的鉴别两种红移的方法。

　　如果将宇宙中的媒质采用统计的方法，可以将媒质当作异种均匀的各向同性的分子原子物质处理。但是对带电粒子处理则不能采用这样的方法，因为带电粒子的运动速度在空间中的分布应该符合一种统计的分布。光子和这些带电粒子的作用所引起的谱线频移则要采用统计分布的原则了。

　　频率高的光和介质发生的康普顿散射所损失掉的能量要多一些，频移相对的要大一些。相反，频率低的光和介质发生的康普顿散射所损失掉的能量要小一些，频移相对的也要小一些。那么这就存在这样一种趋势，就是光经过大量的多普勒散射之后，频率分布会趋向均匀，换句话说，将会趋向于连续谱线。带电粒子和光线的作用也是相似的。谱线系的结构在我们观测上将会模糊或者消失。当然，这依赖于光线通过的距离。如果是光线通过的距离是无限的，那么我们所观测到的则必然是某种连续谱线。这一点很容易和上两种谱线频移的原因区分开。