十七世纪中叶，Bishop Ussher在爱尔兰亚尔马宣布，宇宙是公元前4004年十月二十三日，星期天上午九点钟诞生的。今天我们很少相信这个起源。
我们现在对宇宙和宇宙演变的研究，基本上叫“宇宙学”。为了了解宇宙最根本的问题，必须使用我们观测的全部知识和理论推算。研究我们是从哪儿来的，宇宙是个什么样子，使我们有可能推测我们将往何处去。宇宙现在是处于幼年期、壮年期、还是老年期？它会死亡吗？要获得我们认真研究的宇宙空间的结构，要推断出宇宙的未来是什么样子，对于我们要花大部分时间去考虑“今晚看哪部电影？”“晚饭吃什么？”的人来说，毕竟是困难的。正如有人对住仙境的Alice说，每天要花点儿时间来想不存在的事情一样困难。
宇宙学中许多深奥难懂的问题可以用非常简单的语言表达出来。为什么夜晚天空是黑的？分析这种简单的观察，可以对宇宙得出深刻的结论。我们当然知道，夜空基本上是黑的，因为星球和行星的光在黑色的背景上散布。但有一点儿想法可能证明：如果宇宙中星球的分布均匀，那么天空中的任何地方都不应该是黑的。无论朝哪个方向看我们都能看见星星，所以天空的明亮程度应该一样。这与我们在森林里相似，在那里我们会看见有的树木近些，有的树木远些。可是，如果森林大得很，我们最后总是看见树木的表面。假如所有的树木都涂成白色，我们会看到白茫茫的一片。同样，我们抬头望夜空时，希望天空中星星的表面亮度相同。
上述理论得不到证明，而夜空黑的事实称为“奥尔伯斯疑题”。Heinrich M. W. Olbers是1826年提出来的，可是至少早在一百多年前就讨论了这个问题。解答Olbers疑题会把我们引到从根本上去研究宇宙的结构。在Olbers时代不可能提早解决，因为它取决于新近的天文发现。
在解释Olbers疑题时，最好先说明一个可能混淆的问题。请记住：当星球走得更远时，我们从星球上获得光的总量在减少，与本讨论无关。换句话说，如果只认为最远的星球是如此遥远，以致它们看起来比较暗淡，因而天空四面八方显得黑，那就不可能解释Olbers疑题。我们必须了解，既然我们每个人的视线似乎达到了星球表面的边缘，所以我们看见的是那颗星球表面的单位面积的亮度，而不是光的总量。我们认为星球的表面离我们越来越远，即使我们得到光的总量少，但是星球表面每一点上的亮度保持不变。这是由于表面面积减少，光的总量也相应减少的缘故。
人们可以像奥尔伯斯时代认识的那样来考虑，解释奥尔伯斯疑题最容易的方法，是简单地说有尘埃或其他星际物质吸收了遥远星球和银河的光。但是这种理论行不通，因为尘埃很快吸收那么多能量，以致它变热就开始发光，不久宇宙的一切物质都以同样的亮度开始发光，那我们就再一次完全证明了这个疑题。
Olbers疑题的解答，在很大程度上取决于宇宙在膨胀的事实。要考虑这点，我们必须从银河开始研究。大约1850年，英国Lord Rosse制造了一台巨型望远镜，镜子的直径为72吋。他用望远镜首先发现有些物体像直升飞机一样呈螺旋形结构的轨迹（图1）。
有些科学家认为，星云只出现在我们固有的银河里，而另一些科学家则认为，星云很远——恰好出现在它们特有的“银河外星云”上，个别星球太远，彼此显得模糊不清。
这种争论一直到1925年，Edwin Hubble在蒙特 · 威尔逊天文台观察的结果证明：除我们自己的银河外，在宇宙中确实还存在着其他的银河系。后来哈布尔继续研究，将银河系作了分类。有的手臂大张开（图2），有的手臂则贴得更紧（图3）。我们认为我们的银河像图3的情况。
甚至在确定“螺旋星云”的位置和大小以前，洛厄尔天文台的Vesto slipher在1915年就发现了大多数螺旋光谱有大的红移。这项成果产生了具有深远意义的哈布尔通则。Hubble在1929年宣布：银河离开我们向四面八方远去，银河的距离和银河红移的大小成正比。由于较大的红移符合于离去的较大速度，所以哈布尔发现了银河的距离和它离去的速度成正比（图4）。
这一发现叫做哈布尔定律，它的重要科学研究意义是：由于宇宙中的物体离开我们向四面八方远去，所以宇宙正在膨胀，我们好像处于膨胀的中心、从哥白尼提出地球不在宇宙中心运转以来，我们就认为我们不可能处于宇宙的中心。幸好，哈布尔定律可以说明，而不是我们必须处在任何优惠的位置上。
假如我们把时间看作一度空间，那么我们的宇宙就是三度乃至四度空间。我们来想一下一个三度空间的模型：一块烘烤的葡萄干饼。随着饼的温度升高，葡萄干就逐渐离开，距离拉大的葡萄干比起初紧密结合的葡萄干以更大的速度离开。请想象一下，我站在某一个具体的葡萄干上，我看见其他所有的葡萄干都在后退，远的葡萄干好像速度更快。假如我站在另一个葡萄干上，我也会看到同样的现象，即使所有的葡萄干都离开我而后退，但我不在扩张的中心。扩张没有中心。
哈布尔定律也适合于银河的同样现象。请注意，既不是葡萄干随葡萄干饼的增加而增大，也不是银河的大小随宇宙的扩张而增加，而仅仅是增大的两个物体之间的距离。有一点不同，我们做饼的大小有限，所以有边缘；相反，宇宙的大小可能是无限的。
现在我们回到Olbers疑题上来。因为宇宙在膨胀，来自遥远银河的光在红移，它在红移中丧失能量。因此，我们从远的银河比近的得到的能量少些。我们能看清较远的星球时，天空的背景就显得黑。在宇宙膨胀的情况下，我们部分理解了这个疑题。
对于我们谈到的主要问题还相当复杂。当我们向外看宇宙空间时，我们正是在往后看，因为光需要有限的时间传播。假如我们看到的远不是这样，那我们在形成星球之前就有可能往后看到一段时间。美国麻州大学Harrison最近指出，这是摆脱困境的同样有效的方法。Harrison认为，实际上这种解释对解Olbers疑题的贡献比有红移存在更重要。对Olbers疑题产生影响的大部分发光都来自非常遥远的星球，而那些星球必然在好久以前就发出了光。宇宙的年龄简直不那么大。
我们如何用哈布尔定律来谈宇宙的未来呢？首先，我们来看宇宙的过去是什么。如果宇宙一直以现在的速率膨胀，我们就可以把宇宙的膨胀追溯到看见它整个被压缭的时候。我们注意到，由于引力关系宇宙的膨胀有点慢。这样考虑表明：宇宙的年龄大约是130亿年。
在130亿年前发生了什么呢？我们基本上可以说，宇宙开始形成有一次巨大的大爆炸。“大爆炸”不仅是宇宙学的通俗术语，也是技术术语。我们在科学杂志上写过“大爆炸”。虽然我们将用语言而不是等式来讨论大爆炸理论，但这些理论现在竟然由理论天文物理学家进行研究，像解爱因斯坦在1917年提出的一组方程式和讨论他的广义相对论一样。
大爆炸宇宙学基本上说明，从前有一个巨大的大爆炸来开始宇宙。从那时起宇宙就扩张了，随着银河的产生，银河就分享宇宙的扩张。大爆炸出现前是什么样子？已提出了好几种大爆炸理论来讨论这个问题，但还没有找到正确的方法回答。
天文学家现在感到幸运的是，我们推算出宇宙的年龄，结果和其他已知的数值完全一致。当哈布尔定律初次发现时，计算出“宇宙的年龄”不到1/10，只有10 ~ 20亿年。可是，地质学家甚至在那时都知道地球上的有些岩石比这个年龄还大。有人认为地球比宇宙年龄更大显然荒谬。但基本的天文测定已精确到哈布尔定律的数值部分，这个误差没有了。
所有这一切能说明宇宙的未来是什么吗？这取决于宇宙膨胀放慢的速度。如果这个速度非常之慢， 宇宙总是要继续膨胀。我们把这种情况叫“开放式宇宙”；反之；假如膨胀的速度极其缓慢，最后停止膨胀，开始收缩，结果成为“大挤压”。这种情况叫“闭合式宇宙”。我们不知道宇宙是否意味着永久的死亡，或者在另一个膨胀和收缩的周期之后，再发生一次大爆炸。这后面的情况称为“振荡宇宙”。
标准烛光法似乎找到了宇宙的过去和未来，好像是有希望的方法，但它的希望永远不会实现。现在已知最远的物体“类星体”的发现，结果使解法更加复杂。当射电天文学能够日常测定遥远银河的无线电发射时，天文学家采用了另一种探索方法。它涉及到离我们各种不同距离的射电源的数目。如果宇宙按哈布尔定律均匀膨胀、那么我们就能预测我们周围各个同心层的银河数目。情况像站在圆形露天剧场前面计算每一排椅子的数目一样。后排比前排圆周大些，因而能安排更多的椅子。同样，在空间层里，10亿光年外比5亿年光年外应该有更多的射电银河（图5）。
这种方法告诉我们关于称为空间曲率的一些东西。现在我们再回到二维空间上来。这样相似的球面完全与弯曲区一致，同闭合式宇宙一样。请注意：如果我们把正向弯曲区使劲地向外压，要是压到弯曲区平坦，我们离得越来越远时，同应有的数目比，我们看到的射电银河好像越来越少。相反，鞍座面相当于反向弯曲区，它和开放式宇宙一样。假如我们把反向弯曲区向外压，只要压到弯曲区平坦，我们离得越来越远时，同应有的数目比，我们看见的射电银河似乎越来越多。这样通过在各个不同的距离计算射电银河的数目（假定所有射电源的平均强度一样，就意味着计算辐射强度在各个水平面上的射电源数目），我们就能识别宇宙是开放式还是闭合式，就是说，宇宙是永远膨胀还是旋转到最后开始收缩。
大约1950年，英国三个科学家Hermann Bondi Fred Hoyle和Thomas Gold很想知道宇宙学的基本原理能否统一。大爆炸理论取决于观察的问题、那么宇宙在任何方向和不同的距离我们看起来都一样。这叫宇宙学原理。当然，在我们得出宇宙学原理之前，我们必须把一切局部效应，例如银河的存在，以至附近银河的存在忽略不计。
Bondi，Hoyle和Gold提出建议，我们应该统一宇宙学原理，使宇宙学原理完善；宇宙不仅在任何方向和不同的距离我们看起来都一样，而且随着时间的推移无变化。根据完善的宇宙学原理得出的理论称为稳定论，它完全废除了大爆炸论，即宇宙从来没有开始，永远不会结束。它过去总是那个样子，现在还是那个样子，将来永远是那个样子。
但是必须使稳定论符合我们已知宇宙学的一个主要事实，即宇宙在膨胀。宇宙怎么能继续膨胀而整个外表上看起来无变化呢？为了使宇宙密度保持不变，就必须以同样的速度创生新物质来补充由膨胀减少的物质密度，这样才能使宇宙的密度仍然不变。被创生的物质不是一种简单的物质，它是从能量转变而来。根据爱因斯坦的著名公式E=mc2，这种物质不会无中生有，也不会等于无中生有而产生的能量。
很多科学家一开始就竭力反对那种物质能无中生有的看法。最后，物质守恒（即物质不能消灭也不能创生）定律。由爱因斯坦归结为物质能量守恒定律，看来是非常基本的定律。不过，既然我们知道宇宙膨胀的速度，我们就可能计算出要创生多少新物质来保持整个宇宙空间总的物质密度。每1015年一立方厘米的空间只产生一个原子，它每年等于休斯敦天测窗的一个氢原子。保持银河平均密度所需的速度是每1000亿年一立方厘米只产生一个氢原子。这些数值显然太小，我们在地球上测不出来，以至在可预见的未来一段时间内我们希望能在地球上测出来，所以稳定论要求的误差太小，但根据物质能量守恒“定律”，不能在观测场省去。
大爆炸论的支持者和稳定论的支持者之间的争论进行了好多年。按哈布尔定律用光学研究遥远银河的误差，即射电源计算获得应用的证据，大爆炸宇宙学对于稳定论一直占上风。但公平地指出，反对稳定论的这个证据不明确，有几种情况：或者数值的任取其一的解释可想而知，或者稳定论可以改变，有时又广泛地符合于最新发现。
1965年有一项最重要的发现：辐射。它很容易解释大爆炸本身的残迹。辐射是在光谱的射电部分发现的，是第一次用的巨型角式望远镜观测到的。这种辐射叫原生背景辐射——背景，因为它同样来自四面八方。背景辐射相当于绝对零度之上只有3 K温度之下的辐射，所以通常叫3°黑体辐射。
理论工作（包括一些新工作，也包括一些十多年前差点儿忘了的工作）表明，正是辐射的这种类型和近似温度才会推测是大爆炸剩下来的。因为在大爆炸后的第一个数万年中宇宙膨胀了，它逐渐冷却。当它冷却到足够使由质子和电子产生的原子聚集在一起时，宇宙就变成辐射线可穿透的了。这是在3000 K温度下遗留的辐射线在整个宇宙空间到处游动，它最低在零下10亿度就开始了。随着宇宙继续膨胀，表现温度不断下降。直到130亿年后的今天，温度只有3 K了。
大多数天文学家认为，原生背景辐射的发现是给稳定论敲的丧钟，可是有人企图设法拼凑理论来辩解它。努力设法使红外线光谱中观测到的辐射量作某些预测，而那时红外线光谱是观测不到的，只是在最近几年测量结果才在光谱部分作了报道。要用探测气球进行测量，以便得到妨碍红外线辐射的大部分地球水分。数据证明：背景辐射好像是大爆炸的余烬。几乎没有什么人再研究稳定论了。背景辐射发现者Penzias和Wilson获得了最近的诺贝尔物理奖。
承认背景辐射是大爆炸的余烬，显然排除了稳定论，意思是要支持大爆炸论。但是，宇宙永远膨胀，还是最后收缩的问题仍没有解决。
英国宇宙学家Dennis Sciama总结原生辐射的重要性时说道，直到1965年我们进行的一切宇宙学计算，结果只知道一个事实：哈布尔定律。1965年后我们知道了第二个事实：存在背景辐射。
似乎暗示稳定论没有充分根据的另一现象是类星体的存在。这些外表上看起来像类星体的物体，就是说像点点。可是类星体的红移表示，它们是宇宙中最远的物体，所以一定相当大，才能产生我们测到的足够的能量（这种能源还不清楚，可是物质掉进巨大的黑洞里是大家所熟悉的情况）。类星体已作为哈布尔定律讨论了许久，因为它们距离的测定完全取决于哈布尔定律。我们能测定的只是它们的红移，恰恰不是它们的距离。我们的类星体知识大大增加，特别是已经注意到某些类型的银河具有超光亮的原子核。如果这样的银河离我们很远很远。我能看见的只是它们像类星体的原子核，即像类星体。既然是这样，短期照射只显出原子核；长期照射可能出现模糊的螺旋臂。这是在各个不同的情况下已经证实的想象。类星体和银河之间的连接使我们可以证明，哈布尔定律似乎对于这些较近的所有物体确实可靠，用此法类推，对所有类星体也确实可靠。这一发现表明，类星体好像形式奇异的较少，但使银河比过去更加激励。
既然类星体的数目随着远离我们的距离增加而增加，有些千奇百怪的东西，很多银河都有光亮原子核的一幕，一定是在很久很久以前就出现了。因而，宇宙按平均来说不是不变，这又排除了稳定论。
我们要讨论如何判断宇宙未来的最新方法，目前似乎是最有效的一个方法。基本上不是尽量往外看，恰好看到后面，而是我们推测宇宙有多少引力，它是否有足够的力量来终止膨胀。
要知道宇宙的引力，我们必须求出宇宙的质量，我们现在测定宇宙的密度，即已知体积的质量，这使我们不必去研究无穷无尽的宇宙空间了。
通过把所能测到的全部质量加起来除以已测到的总体积，我们就能明显地求出密度。但这可能不是正确的答案，因为质量对于我们来说是看不见的。不管是否看得见，它都有引力。我们怎样才能计算看不见的物质呢？
—种看不见的物质处于黑洞状态。黑洞有一点像英国齐郡猫（Cheshire cat），即使咪咪声留下来，它却消失不见了。黑洞代表质量，它本身收缩得多，连辐射也不能离开它，可是它的万有引力仍然存在。我们普遍认为，有一个黑洞容纳的质量比太阳多几倍（太阳坐落在称为天鹅星座X-1的X射线源上），这符合平常叫做HDE226868的星球。我们不能看见黑洞，但能测定它的重力效应，因为HDE226868星球在天空中有点转动，恰像拉着看不见的舞伴的手在跳华尔兹舞。有证据说明：黑洞能容纳的质量，比太阳存在银河中心（包括我们自己的银河在内）多好几千倍。有多少黑洞呢？能容纳多少质量呢？我们都不知道。
当我们研究一个银河星团时，我们可能会问，必须有多少引力使组成的银河互相不飞走。这个问题的回答，似乎是看不见的物质至少比看得见的物质多10倍，这是天文学家称为的失质问题。
如果90%的质量是不可见的，就一定会影响我们计算宇宙是开放式还是闭合式。可见物质的总量大约1/5，太多不能为闭合式宇宙创造条件，但失质就能达到目的。
很多质量也许是看不见的，因为太热不能发光或发射电波。但是这样的物质能发出X射线。对X射线的研究，是美国国家航空和宇宙航行局高能天文台于1977—1978年向宇宙空间发射的主要目的，这表示在研究天体X射线的能力方面的主要进步。
高能天文台（HEAO）-1已经发现好几千种新的X射线源，HEAO-2正在详细研究更有意义的东西。被命名为爱因斯坦天文台的HEAO-2有第一个X射线宇宙飞行器，它有使物体成像而不是使太阳成像的能力。
爱因斯坦天文台发现了宇宙X辐射总强度的有效部分不完全来自散射，因为根据较早宇宙飞行器（并非具有成像本领）所获得的资料来考虑，而是有相当部分来自点源。通过光学天文台观测，这些点源像遥远的类星体一样，已变为一致了。有较少的非类星体X射线通量保留下来，表示没有足够炽热的银河间的气体来使宇宙闭合。
测定宇宙密度的另一个方法，就是确定引力量，进而确定宇宙的未来，这涉及到测量星际空间的氘量。氘就是“重氢”，是最简单的原子核形式。氢核只有一个原子粒子：质子，而氘核有两个原子粒子：一个质子和一个中子。（我们这里避免介子以及其他基本粒子一样的细微差别，我们可以不管这些粒子，包括质子和中子，组成类星体的可能性。）
理论工作（包括基本粒子的详细说明）基本上证明了130亿年前如果宇宙的密度在第一个一刻钟之后非常之大，重氢一产生就很快同另一个核粒子结合生成氦，因而会有少量的重氢保留下来。相反，如果宇宙的密度在第一个一刻钟之后不大，那么无论生成什么重氢都仍然在我们探测范围之内，暂且不谈在星球上被消耗的部分。幸亏我们知道，在星球上没有能生成重氢的方法，所以从大爆炸开始这么多年来就没有重氢。
科学经常研究出意想不到的方法，在1972年不是一组而是两组同时发现宇宙氘的存在。卡尔蒂奇的Alan T. Moffet和现在属巴黎天文台的Diego A. Sesarsky同我一起，用卡尔蒂奇的34米射电望远镜，根据星际间的中性氘来探索从我们银河的中心向我们射来的辐射吸收，而贝尔研究所的Penzias和Wilson正在研究较短的射电波长来发现星际云的辐射，星际云已使氘混入到一些分子中去了。后来紫外线观测台用哥白尼卫星扩大了这些结果的精确度，至少是由于空间范围比较靠近太阳。更近一些时候，国际紫外线探索卫星研究星球的赖曼光谱时，它现在轨道上定期观测星际间的氘。
所有的天文台都探测到足够的氘告诉我们。在早期阶段宇宙的密度不怎么大。因此，宇宙中没有足够的引力来使宇宙停止膨胀。这一结论与探索最远的光学物体所获得的最新结果不一致，以便看看哈布尔定律是否继续使用。可是由于有十多亿年没有被发现的演变效应，光学观察结果不大明显，不可靠。爱因斯坦天文台所测得的新结果赞同氘研究的结论：宇宙是开放式的。
于是今后会出现什么情况呢？再过50亿年左右，太阳会用完全部氢，并放射出行星星云。它需要的时间长得多，也许是1000亿年，由于较微弱，块状星球比太阳小，以便耗尽氢。在这段时间内宇宙将不断膨胀。最后年轻星球基本上在银河螺旋臂上发现，生存和衰亡。大多数星球之间的氢气，在原子核的作用下将被蒸煮成较重的元素。星球之间会发现很少的气体。这是已经存在于像这样一个球状星团的情况了，球状星团是已知的最老的星球，但没有星际向气体。
最后，我们将恰好留在死去不动星球的外壳上，这些死去的星球将呈黑矮星、中子星和黑洞的形状。有些星际间气体可能保留下来，尤其以较重原子的形式保留下来。不管黑洞是否最后汽化，都有一个更新的可能性，目前尚在研究中。总之，宇宙将远离我们，向宇宙空间膨胀，并将继续膨胀下去。
〔译自Physics teacher1979年，第17卷5期〕