太空的悠久历史
1．宇宙简史
由于宇宙包罗了一切，因而只能有一个宇宙。我们无法通过把它同其他的“宇宙”相比较来检验各种宇宙理论。虽然我们可以看到在历史上比我们附近区域较早的再遥远的区域，我们也不能观察到它在某段时间的演化。提出在宇宙出现以前存在着什么，或宇宙从何处而来这样的问题是没有意义的。而且，在谈论整个宇宙时，我们必须假定下面这个几乎无法证明的假定，即自然定律是处处相同且不随时间变化的。尽管受到这些限制，我们仍然能够建立宇宙模型和宇宙可解的历史；在拟定宇宙模型时我们尽可能地使它们适合我们的观测结果。
宇宙的尺度问题和它的形状问题是密切相关的。我们知道，空间本身不一定象欧几里得几何的公理所描述的那样平坦。宇宙可以是敞开而无限的；当空间的几何是平坦的或双曲的，就是这种情形。但是空间也可以是正向弯曲的，而且，如果曲率足够大，宇宙可以象球面那样是自身闭合的。这样的宇宙是体积有限但没有边界的。爱因斯坦的引力理论指出，宇宙的形状取决于其中物质的密度。密度足够大时就势必造成闭合的球状宇宙。但是，我们既不能肯定宇宙的密度实际上是否大到这种程度，也不能肯定爱因斯坦的模型是否正确。
当我们谈论宇宙时，我们通常假定，宇宙基本上是处处均匀的。由此得出下面这条宇宙学原则：位于宇宙中任何地方的观察者看到的宇宙图景是基本相同的。同我们的宇宙有关的一个基本经验事实是，所有的星系看来都在背离我们而去。星系越远，它的多普勒红移越大，因而它的退行速度也越大。这种关系称为哈勃定律。这条定律可通过假定宇宙不断膨胀而得到解释；宇宙的膨胀同一个正在被充气的气球的表面的胀大很相象。不必认为我们处在膨胀的中心。因为空间中所有的点都相对于其余的点在追行，从而任何地方的观察者看到的都是相同的情况。哈勃定律使我们能够计算出宇宙的年龄，办法是追溯各星系返回原出发点需要的时间。按照这种方法，宇宙的年龄被估计为110－160亿年。
已提出两种主要的宇宙模型。其一，稳慎态模型以完全宇宙学原则为根据；这条原则说，宇宙不仅处处相同，而且不随时间改变，过去和将来都与现在大致相同。这表明，当星系彼此奔离时，要有物质在恒星际空间不断地被创造出来，由这些物质形成了新的恒星和星系。这种见解并不比宇宙中所有物质在同一时刻创造出来的看法更为神秘。但是，目前的观测证据不支持稳恒态理论。
现在，象大爆炸模型这样的演化的宇宙模型受到欢迎。这种模型提出，宇宙开始时是一个由光子和亚原子粒子构成的极其炽热而致密的火球。随着膨胀，这个火球开始变冷。随着时间的推移，形成了氢原子和一部分氮原子，最后开始凝聚成星系和恒星。这种模型的最令人信服的证据是在射电波段发现了均匀的宇宙背景辐射；这种辐射象是由温度为3K的黑体发出的。它被认为是原始火球的剩余辐射，由于宇宙膨胀而使波长拉长了1，000倍。
人们把注意力集中在对下述问题的考虑上：宇宙将无限制地膨胀下去，还是因引力的阻碍作用而终于停止下来，并使各星系重新聚在一起？如果属于后一种情形，则会引起另一次大爆炸，如此周而复始循环不已。这样的轮激是振荡或脉动宇宙模型所假定的。如果属于前一种情形，宇宙永无止息的膨胀将使自己缓慢地变冷并变得更空旷，直到达到全面的热平衡状态，或称为热寂。
2．宇宙的形状通常用来描述宇宙的大部分词语，与其说描述了宇宙的实际情况，无宁说描述的是人类对宇宙的感觉。我们说，宇宙“难以想象之大”或“无限广阔”，有时还说“象时间本身那样古老”。这些说法可能是正确的，但它们对于科学推理并不是很有用的。天文学家喜欢更具体、更定量的描述。
怎样测量宇宙呢？我们一般会认为这只是一个测量两个未知点问的距离问题，如测量地球到某颗恒星或银河系到另一个星系的距离。看来，我们所需要的只是一根足够长的量尺——一个比光年或10E6秒差距还要大的长度单位和一架强度大到可望见位于宇宙“尽头”的遥远的点的优良望远镜就可以了。
我们之所以对此问题得出这个假想的解答，是因为我们不自觉地根据下面的假定，即我们要测量的是一个平坦表面。在日常生活中，象在大多数科学研究工作中一样，我们认为古老的欧基里德几何中的概念是正确无误的。在这种几何中，三角形的内角和等于180度。彼此平行的直线永不相交。这种几何是如此普通易懂，所以在我们看来，它是“合乎逻辑”的。
在十九世纪。人们渐渐对这种几何开始怀疑，猜想它并不是唯一可能的几何。另一假定可能被证明对宇宙提供了更好的描述。由这些猜想，出现了两种非欧基里德几何：双曲几何与椭圆几何。
椭圆几何不同于建立在平坦空间的欧基里德几何，它是建立在弯曲空间之上的。已证明，椭圆几何赖以建立的弯曲空间是一个球体的表面（具有正曲率的空间）。在球面上两点间最短的距离即短程线是把整个球面分成相等两半的一个大圆。在椭圆几何中不存在所谓争行线；球面上的任何两个大圆都交会在相对跷的两点。三角形的内角和大于180度。例如，连接地球赤道、零子午线及90子午线所构成的三角形的内角和是270度而不是180度。这个断言对于任何一个具有固定、有限的面积但没有边界的表面也是正确的。从球面上某一点出发沿着大圆运动的旅行者最后仍将返回到原来的出发点。
双曲几何则是根据具有负曲率的空间概念建立的，一般可用鞍形空间加以说明。按照双曲几何的公理，三角形的内角和总小于180度，在某直线外一点可作不止一条直线与之平行。
对于两维以上空间中的非欧基里德几何或者三维以上空间中的任何一种几何的结果，都是非常难于想象的。不过有一点是清楚的，那就是，我们在解释宇宙时不需要局限于欧基里德几何。例如如果我们认为空间具有球面的（而非平坦表面）的性质，我们便会看出，这空间何以能够既是有限的同时又是无界的。试设想宇宙的形状好似一个篮球的表面。并假定有一只蚂蚁在篮球表面上爬行，那末它的旅程永远不会有边界和终点，尽管篮球的大小是固定和有限的。事实上，这样的宇宙同爱因斯坦的广义相对论是完全一致的。按照这种理论，不能认为空间和时间是彼此无关的，而是必须把它们看作单一的整体。这整体叫做时空。质量的存在改变了时空时的几何性质，使后者具有正曲率。可以用光线——它总是滑短程线传播，来测量宇宙空间的曲率。如果宇宙中的物质密度足够大，宇宙就会自动闭合，也就是说，它将具有有限的大小。可是，爱因斯坦的方程太一般化了，尽管它被认为是正确的。符合爱因斯坦方程的可能存在的宇宙有无限多种，因此这些方程没有告诉我们为什么我们的宇宙正好是它这种样子。
宇宙究竟是开放的还是闭合的呢？空间有无边界的？时间有无始终呢？今无人得知这些问题的科学答案。事实上，我们甚至不能十分肯定是否应当提出这样的问题。
3．开放与封闭的宇宙被视为天空灯塔的类星体，是与恒星相似的光源，但却远在几十亿光年之外。典型的类星体虽然比任何的银河系都小，但它却能散发出巨大的能量，比银河全部恒星发射的能量还多200倍。现在认为类星体只是一个黑洞，它的质量比太阳质量大几亿倍，而且在不断吸收物质，不断长大，并在周围引起粒子的喷射。惠勒认为，类星体是活跃黑洞的物理特性最为壮观的表现。
在宇宙的进化中，黑洞的作用是不相同的。根据爱因斯坦的广义相对论，对目前膨胀中的宇宙存在两种可能的命运。如果物质密度超过一定限度，称为临界密度，宇宙就停止膨胀并开始收缩；这是封闭宇宙的场面。如果没有达到临界密度，继续膨胀，我们面对的是一个开放的宇宙。
在封闭的宇宙中，黑洞不断吸收物质并且不断地增大。由于它们越变越大，因此就能找到更近的物质，之后与其他黑洞相撞产生更大的黑洞。最后把宇宙中的物体都吸进去，宇宙中只剩下它们自己。甚至可以说宇宙像是惟五的一个黑洞。但实际上，封闭的宇宙有一定的年龄，到一定时期就开始收缩，在宇宙成为单一的黑洞之前，封闭的宇宙就会因收缩而毁灭。
在开放的宇宙中，膨胀在无限制地继续着，由于物质不断散失和离开，黑洞间相撞的可能性也日益减少。这个掠夺者的命运只能是在蒸发现象中毁掉。时间呢？长极了。一个黑洞全部蒸发所需的时间是与其质量的三次方成正比。一个质量与太阳相同的黑洞，它消失的时间将是目前宇宙年龄的1054倍。
但对各星系中心的最大的那些黑洞来说，它们在无限膨胀的宇宙中都将全部蒸发。最终留下来的是一个稀薄的、温度接近绝对零度的宇宙，而残存焉的只有质量为零的粒子，如中微子和光子。
4．太空中的反物质1998年6月2日北京时间6时4分在美国肯尼迪航天发射中心，“发现号”航天飞机顺利发射升空。“发现号”此行的目的是为了把多国科学家共同研制的大型空间探测器————“阿尔法磁谱议”送入太空以探寻理论上预言的反物质的暗物质。
众所周知，我们的这个世界是由物质组成的，而物质又是由原子、分子等微观粒子所构成。反物质则与之相反，它是由原子、分子的反粒子，即反原子和反分子所构成，因此，反物质具有与物质完全相反的性质。
太空反物质反物质这一要领的提出由来已久，但它首先要从正电子的预言与发现说起。早在1928年，英国物理学家狄拉克在尝试将20世纪的峡谷个最重要原理————相对论与量子力学结合起来的实践中就发现了这一现象，并预言了正电子的存在。而所有这一切则是由狄拉克建立的相对论波动方程中得出负能量值的解引起的。狄拉克在对这个方程求解的过程中共得到了4个描述电子内部状态的解，用以说明电子应当具有4个内部状态。其中两个状态可以用电子的自旋及自身磁矩的存在加以解释；但对于方程的另两个附加解的求解过程中得到的负能量值的解得出了离奇的结论。这就是说，如果一个电子真的能够存在于负能状态，那么它不会因与其他粒子相碰撞而逐渐减速并最终停下来，而是将加速得越来越快，直到它的速度等于光速。但是，从相对论方程的分析中很清楚地知道，这种性质是不可能的。由此，狄拉克提出了他著名的假设。
他假设我们平时所谓的真空，其实并不是真空的，而是一种所有负能级上都有两个电子的系统，所以，真空中就应有无穷数目的电子，并且全部负能级都被电子占满了。根据泡利不相容原理，电子不可能跃迁到某个已被占满的负能级，所以它只能留在正能级区的某一个能级上。因此只能是处于负能级的电子受到激发后向正能级跃迁。这种过程正如电子由正能级跳跃到负能级上的反过程。只要有能量大于能级的光子激发，是完全可能发生的。如果它发生了，那么这个具有正能量的电子将会使其跃迁出的负能级位置上出现一个空穴。怎么解释这个空穴呢？举个例子，若我们手上系着几个充满氢气的气球，就会感觉到手上有一个向上拉的力，如果突然有一个气球的引线断了，我们将感觉到向上拉的力减少了，但我们也可以解释为多了一个向下拉的力。同样，在负能级状态少一个电子的空穴行为就像在那儿产生了一个有正能量的带正电的粒子，这个粒子正是我们所谈的正电子。这样，人类便第一次从理论上预言了反粒子的存在。紧接着在1932年，卡尔。安德生通过对宇宙射线的威尔逊去层实验发现并证实了正电子的存在。
继安德生发现正电子后，1955年张伯莱发现了反质子，1956年又发现了中子。20世纪60年代前后相继发现一系列反超子，一个又一个反粒子的发现使人们联想到是否所有的粒子都有与之对应的反粒子呢？在此后进行的一系列实险中发现除了光子等少数粒子的反粒子是其本身外，所有粒子都有反粒子。人类自古就相信宇宙是对称的思想不禁又使人们想到了既然粒子能组成物质，那么反粒子为什么不会组成反物质呢？
但是探索反物质的道路是艰难的。从发现第一个反粒子到现在已近70年，其间人们也仅是从实验中获得了一些反粒子，并且最近几年才人工合成了第一反原子————反氢原子。而对于能构成反物质的其他各类反原子、反分子都还一无所获，更谈不上反物质了。产生这些困难的原因在于人们发现的反粒都是从宇宙射线路获得的，而宇宙射线要达地球首先要穿过厚达3000千米————4000千米的大气层，所以射线中的绝大部分反粒子在到达地球前都已与大气层中的粒子中和了。因而人们所能探测到的反粒子就微乎其微了。而且反粒子都很不稳定，很容易和周围物质粒子发生湮灭。所以，科学家们认为在现在我们所处的这个物质世界中是不可能存在反物质的，即使存在也会很快和周围物质相中和，因此，只能把探寻反物质的希望寄圩宇宙空间。在宇宙空间深处可能存在一个与物质世界完全相反的空间，在那里会存在大量的反物质，基于这一考虑，许多国家的科学家们数年共同努力下，“阿尔法磁谱议”终于升入太空。经过10天的太空航行后，它将对宇宙中是否存在反物质做初步探测。到2002年“阿尔法磁谱仪”将被安置到新建的“发现号”空间站，从而开始对反物质的大规模探测。
反物质如果被探明确实存在，那将会是对在此基础上建立起的现有宇宙起源论及相对论量子力学理论的最有力的实验验证。我们都知道根据爱因斯坦质能方程E=mc^2，物质减少的质量将会转化为能量。
现在的核反应正是利用了这一点，但核反应不能使质能完全转化；而物质与反物质相中和，湮灭后辐射出的是零质量的r光子，所以其质量将会完全转化为能量。1千克铀235完全裂变释放出的能量相当于2000吨优质煤完全燃烧时所放出的化学能，而同等质量的物质与反物质中和放出的能量则是铀235的3200多倍！因此探索反物质对于能源相对短缺的现代社会亦有着重要大意义。
5．太空的环境知识宇宙航行是以整个宇宙空间为活动环境的，因此，我们必须对宇宙环境有一定的了解，就像汽车司机要了解道路环境，登山运动员要了解山地环境，航海人员要了解海洋环境一样。
太空环境在人类进入太空以前，对人才环境只能进推测和理沦研究。与人类对飞天的向往一样，人们构想了美丽的“天堂”，便有“上有天堂，下有苏杭”的比喻。现在我们知道，如果“天堂”是指太空的话，就生存环境来说，那是极大的谬误。
自宇宙大爆炸以后，随着宇宙的膨胀，温度不断降低。虽然随后有恒星向外辐射热能，但恒星的数量是有限的，而且其寿命也是有限的，所以宇宙的总体温度是逐渐下降的。经过100多亿年的历程，太空已经成为高寒的环境。对宇宙微波背景辐射（宇宙大爆炸时遗留在太空的辐射）的研究证明，太空的平均温度为一270.3℃。
宇宙环境对人类生存影响很大。太阳辐射是地球的光和热的主要源泉。太阳辐射能量的变化会影响地球环境。如太阳黑子出现的数量同地球上的降水量有明显的相关性。月球和太阳对地球的引力作用产生潮汐现象，并可引起风暴、海啸等自然灾害。太阳的短波紫外辐射对有机体的细胞质有损害作用，幸而大气层对所有小于2900埃波长的紫外辐射有遮蔽作用。地球也受宇宙射线的影响。一些遗传学家把地质时期的某些生物突变归咎为这种离子辐射。但它在一般含量水平下对生物体的直接影响，现在还不清楚。太阳辐射的紫外线、X射线的强度变化，会影响地球上的无线电短波通信。
随着航天事业的发展，人类开始进入宇宙环境。飞行器在升空过程中，人体在超重的影响下，活动受阻，呼吸困难，血液循环减弱，并会引起精神失常，甚至死亡。飞行器进入轨道后，人处于失重状态，不能自由支配自己的行动。神经系统失去平衡，会造成操作错误。在失重的影响下，尿中钙含量增高。宇宙空间没有空气，声音不能传播，即使是相距很近，也不能对话。宇宙环境缺氧、低压，充满各种对人有害的高能宇宙射线，宇航员必须穿宇宙服。宇宙环境虽有壮观的太空星象使人感到新颖和兴奋，但毫无人间气息。
研究宇宙环境，是探索宇宙环境的各种自然现象及其发生的过程和规律，人类的空间活动同宇宙环境之间相互作用的关系，人和生物在空间飞行条件下的反应等，以便为星际航行、空间利用和资源开发提供科学依据。
6．宇宙在不断的膨胀夏日夜空，繁星闪烁，不禁使人陷入对宇宙的遐想之中。20世纪10～20年代，天文学家发现远星系光谱线的频率随着它离我们距离的远近而有规律地变比，即谱线红移。1929年哈勃总结出谱线红移的规律是：对遥远星系，红移量与星系离我们的距离成正比，比例系数H叫哈勃常数，这红移叫宇宙学红移。此后，在红外及整个电磁波波段都观测到了这个规律。它被解释为是由星系系统地向远离我们的方向运动时的多普勒效应产主的。这就像火车远离我们行驶时汽笛的声调（即频率）比静止不动时的声调更低一样，由此得出星系都在做远离我们的运动，离我们越远运动速度越快的结论。这就好像是掺有葡萄干的面包在烤箱中膨胀起来一样。这个模型叫宇宙膨胀模型或大爆炸模型。近年来在宇宙膨胀的基础上又提出了爆胀宇宙等多种改进模型。
从宇宙膨胀的观点出发，利用哈勃公式反推到过去宇宙中所有天体应该聚集于一点，由于某种原因在它内部产生了"大爆炸"。诞生了现在的宇宙，从而得出了时间是有开端，空间是有限的结论。宇宙从大爆炸到现在究竟经过了多少时间，即宇宙的年龄是多少，这取决于哈勃常数H的大小。最初哈勃常数仅500（公里／秒／百万秒差距），这样算出的宇宙年龄比地球的45亿年的年龄小很多。以后改为50～100之间。若取100，宇宙的年龄只有100亿年，而银河系的球状星团的年龄是150亿年，矛盾很大。若取50，宇宙年龄为200亿年，矛盾不那么明显，因此被大爆炸宇宙论者所赞同，但在观测上，这个数值有些勉强。究竟是多少，一直没有定论。近年来用哈勃太空望远镜观测的结果倾向于取80.这样算出的年龄为120亿年，矛盾还很明显。宇宙将来是一直膨胀下去还是又收缩回来，这要取决于宇宙的平均密度。而宇宙平均密度究竟是多少目前还不能确定，因为观测的距离越远，平均密度越小，下限有没有还不能确定。1965年发现了宇宙空间的2.7K微波背景辐射，被大爆炸论者解释为大爆炸时期的光经过上百亿年后的遗迹，是大爆炸宇宙的一大证据，但这种解释并不是唯一的，因为宇宙空间中充满介质，2.7K微波背景辐射具有黑体辐射的性质，可以解释为宇宙空间中介质发出的温度是2.7K的热辐射。
仔细分析起来，问题可能出在将光谱线的红移都解释为星系运动的多普勒效应上。过去，人们曾用多普勒效应解释了银河系内恒星的光谱线移动，从而成功地确定了星系内存在自转现象。但现在天文观测中却发现一些红移现象，若用运动的多普勒效应解释就存在许多困难，这促使人们考虑到必然还有其他机制能产生红移，这里列举几种观测结果。
1.多普勒效应对同一个天体，其红移量与光谱线的频率无关，因此观测每个星系中不同谱线的红移量，比较它们是否一致，就是鉴别红移是否由多普勒效应产生的一种依据。如果一致，就表示有可能是由多普勒效应产生的；如果不一致，就肯定它至少不完全是由多普勒效应产生的。1949年威尔逊对星系NGC4151的观测结果表明，虽然不同频率的红移量差别不大，但也超出了观测的误差范围，频率越高，红移量越小。这样至少可以认为宇宙红移不完全是由多普勒效应产生的。
2.从太阳中心到边缘各点发出的同一种谱线，在扣除了各种已知的运动效应后，越靠近边缘的地方红移量越大，在太阳半径90％左右的地方，红移量急剧增加。这意味着太阳上还有某种未知的因素在产生红移。
3.先驱6号宇宙飞船发射的遥测信号中心频率为2292兆赫，当飞船绕到太阳背面经过太阳边缘时观测到异常红移现象。
4.类星体红移量一般都很大，如果把这都归结为多普勒效应，算出的距离一般在100百万秒差距以上。由此推算出它发出的总光能力为银河系的100倍；射电能为银河系的10万倍。
而由光变周期算出它的直径只有一光年左右，这意味着类星体的辐射密度非常高，但目前一直找不到产生这样高辐射密度的物理机制。有些天文学家认为，类星体的红移中至少有一部分不是由多普勒效应产生的，因而类星体离我们的距离较现在推算的要近得多。
5.星系、类星体相互之间都有成协的现象，即这些天体两两或更多相距较近并有物理联系。观测表明，有些成协天体间红移值相差较大，有些类星体光谱中的吸收线与发射线互不相同，而且不同的吸收线有各不相同的红移值，称为多重红移。
既然这些红移不能用多普勒效应解释，那么它产生的原因究竟是什么呢。光在发射时固然有许多因素影响它的频率，但宇宙中这么多天体都如此有规律地只随着远离我们的距离而变化，就难以理解了。光在它漫长的传播路径上经历了几亿至上百亿年的岁月，这期间必然比它在发射的一瞬间有更多的因素影响着它的频率。现在人们了解到，在星系际空间中存在着星系际介质，它的密度在10E-29克／立方厘米以下。成分与银河系的大致相同。除了有能对星光产生可见效应的星系际气体、尘埃和固态物质、低光度星体外，还有大量的基本粒子。
据估计，星系间基本粒子的质量占了整个宇宙总质量的绝大部分，它们是看不见的。
光与介质的相互作用是复杂的，介质不仅能吸收光，还能再发射光；再发射的光，其频率不仅仅只是原有的频率，还有其他的频率，只是在原有频率及其附近强度最大。其实，人们早已熟知光子在传播过程中由于与介质的相互作用会逐渐转变成低频的光子。但过去人们认为这只会使谱线衰减而不会产生红移。
由惠更斯原理知道，波前上所有粒子产生的子波叠加后能形成具有新频率的平面波。新产生的频率叠加在原有频率上的结果，不像通常认为的那样谱线会被平滑而消失，而是谱线被整体地移动，在远距离传播中，光的频谱的变化就好像在谱卒域中传播的波一样。这里频率域相当于弦，光谱的强度相当弦的振幅，一条谱线对应于弦上的一个波峰，弦上波峰的传播对应于谱线在频率域中传播。这种新型的波叫频域波。如果新产生的频率电较原来频率低的能量大于较原来频率高的能量，频域波向低频端传播，形成谱线红移；反之，频域波向高频端传播，形成谱线紫移。由实际经验知道，通常总是低频成分多于高频成分，所以实际上常观测到红移。
星系际空间是充满介质的，星光必须通过介质才能到达地球，所以光谱线必定会红移，而且距离越远红移量越大，这与哈勃公式是一致的。对宇宙红移来说，应先扣除介质产生的红移效应，剩余部分才可能解释成多普勒效应，这是处理观测数据所必需的步骤。但以前在得出膨胀宇宙模型时，并没有做这件工作，扣除后的结果无非是3种情况：①全部扣完，宇宙是稳定的。②还有剩余，宇宙是膨胀的。不过，这时膨胀速度要比现在认为的速度慢得多，宇宙的年龄也比现在算出的大许多。③是负值，宇宙正在收缩。由于我们目前对宇宙空间的情况了解甚少，虽然对地球上的介质与波的相互作用知道一些，但毕竟对在星系际空间中实际发生的情况知道甚微，也许还有些重要的相互作用没有认识到，介质产生红移扣除的结果很难认为是已经完成。也许我们应当反过来，即从宇宙红移来反推星系际介质的情况，这是因为，我们所看到的宇宙是有层次的，有行星、恒星、星团、星系，星系团，总星系等，它们的平均密度呈指数下降，这些都说明宇宙是不均匀的。地球绕太阳转动，太阳绕银河系中心转动，银河系绕本星系团的中心转动，星系团又绕以宇宙背景辐射所表征的经过平均后的星系际空间的介质运动，宇宙也不是各向同性的。这是我们所能看见的最远的宇宙的情况。
大家知道。对于一个引力系统来说，只有具有一定的角动量（旋转）才可能维持比较稳定的结构。因此，我们观察到的宇宙是比较稳定的，可以认为宇宙红移主要是光通过星系际介质时的频域波。正如上面谈到的，宇宙是膨胀的，稳定的还是收缩的，要扣除星系际介质的效应后才能确定。而扣除介质的效应需要对星系际介质有较详细的了解，这在目前还难以做到。也许应该从我们所观测到的宇宙是较稳定的旋转系统出发，用红移资料来反推介质的情况。人类就是这样在不断探索中来认识宇宙的。
7．猜测宇宙终结的方式将宇宙作为一个整体进行研究的宇宙哲学对于我们这些生活在地球上的凡夫俗子来说还是一门崭新的科学，而在这门博大精深的科学中，我们对宇宙的最终命运之谜了解得最少。但是人类至少已经发现了几条可以揭示宇宙命运的线索，其中一些线索可以给我们带来希望，而另一些线索却只能使人觉得沮丧。
好消息是我们暂时还不会被宇宙“驱逐出境”。宇宙很可能至少可以将目前这种适于生命存在的状态再维持1000亿年。这相当于地球历史的20倍，或者相当于智人(现代人的学名)历史的500万倍。如果人类在公元1000亿年的新年前夜到来之前就已经消亡，无法施放焰火庆祝新年的到来，那绝对不会是宇宙本身的错。
坏消息是没有什么东西是可以永远存在的。宇宙也许不会消失，但是随着时间的推移，它可能会让人觉得越来越“不舒服”，并且最终变得不再适于生命存在。计算这种情况何时会出现以及将会怎样出现确实是一门令人心情抑郁的科学，但是我们也不得不承认这项研究本身也有一种冷酷的魅力。从天文学家埃德温·哈勃1929年发现宇宙正在膨胀以来，经典的“创世大爆炸”理论经过了几十年的不断修改，根据这一理论，宇宙的最终命运将取决于两种相反力量之间的“拔河比赛”的结果。一种力量是宇宙的膨胀，在过去100多亿年的时间里，宇宙的扩张一直在使星系之间的距离拉大。另一种力量是这些星系和宇宙中所有其它物质发出的相互万有引力；它就像制动器一样使宇宙扩张的速度逐渐放慢。
这个问题非常简单，如果万有引力足以使扩张最终停止，那么宇宙就注定会发生坍缩、最终变成一个大火球——同创世大爆炸相当，但过程正好相反的“大崩坠”。如果万有引力不足以阻止宇宙的持续膨胀，那么它最终将变成一个令人感到“不快”的黑暗和寒冷的世界。恒星是通过使轻原子核(主要是氢和氦)发生聚变反应形成较重的原子核来产生能量的。当恒星内部储存的氢和氦消耗殆尽的时候，衰老的恒星上燃烧的火焰会因为没有新的原子来替代已经消耗掉的原子而熄灭，同时宇宙也会逐渐衰变成一个漆黑一团的空间。
任何一种结局看起来好像都在预示生命的消亡。如果宇宙的最终命运是熊熊烈火，“大崩坠”就会熔化一切，甚至亚原子粒子也难逃厄运。另一方面，如果宇宙以无边的寒冷和黑暗而告终的话，宇宙中的生命形式就有可能存在很长一段时间——例如，智慧生命可以通过从黑洞中提取引力能来获得能源从而维持自己的生存。但是，在所有的物体都已经衰减到差不多相同温度(略高于绝对零度)的情况下设法维持生存，就像是要利用一潭死水来推动水磨一样困难。
不过我们的最终命运目前还无法确定，部分原因是我们还不能判断扩张和万有引力这两者谁会取得最后的胜利。大多数天文学观测的结果支持前者，但是目前仍然存在着许多不确定的因素。其中之一是令人大伤脑筋的“暗物质”问题。对星系运动方式的研究表明，星系中蕴藏着大量的非星系内部引力，这说明我们能够看到的恒星和星云仅占宇宙物质总量的1%至10%。其余的物质是不可见的；这些物质并不发光。目前还没有人知道这些暗物质到底是什么。一种可能性是它是由弱相互作用大质量粒子(WIMP)构成的。在我们能够确定暗物质的成分并用数学方法对其进行计算之前，以我们目前能够看到的一切为基础对宇宙的未来进行预测是绝对靠不住的，这就像是首先在乡村俱乐部对几个打高尔夫球的人进行民意测验，然后根据测验结果来预测全国大选的结果一样缺乏可信性。
同时，讽刺文学作家和宿命论者对于这种“火或冰”的结局也感到了一种带有苦涩意味的满足，这充分反映出人类思维意识的精髓：没有人可以活着脱离生活的苦海。而这正是使我对这一宇宙的最终命运产生怀疑的原因。我们在用科学方法研究宇宙哲学的过程中总结出来的重要经验是：宇宙的发展变化常常并不符合我们长期以来已经确立的思维方式——要理解宇宙，我们需要新的思维方式。爱因斯坦的弯曲空间、海森伯格的不确定原理等诞生于本世纪的概念使我们的思维方式发生了重大改变，同时人们也认识到每时每刻都有数以万亿计的亚原子粒子在我们的身体里快速运动但却并未造成任何损害，这些都是现代宇宙哲学不可或缺的组成部分，所以我认为我们有理由假设在即将到来的新世纪里，人们将敞开大门接受一些更加奇异的概念。因此，我们或许有可能从尚未开启的大门下面瞥见门后发出的几道光线，而在这几道光线的帮助下我们也许就可以对宇宙的未来作出更加准确的预测了。
与宇宙最终命运有关的一个不确定因素涉及到膨胀理论，根据这一理论，宇宙始于一个像气泡一样的虚无空间，这个空间最初的膨胀速度要比光速快得多。宇宙学家之所以相当重视膨胀理论是因为这一理论解决了一些创世大爆炸理论的早期版本所无法解决的问题，此外，膨胀理论对于研究宇宙的最终命运也有一些启示作用。其中包括：最初推动宇宙高速膨胀的力量(有时根据它在爱因斯坦的广义相对论方程式中的代号用希腊字母λ表示)在宇宙像“打嗝”一样的膨胀结束之后也许并没有完全消退。它可能还存在于宇宙中，潜伏在虚无的空间里，不断推动宇宙的持续扩张，就像引座员在幕间休息结束后斯文有礼地引导观众回到剧场一样。对遥远的星系中正在爆发的恒星所作的观察表明，这种正在发挥作用的膨胀推动力有可能确实存在。如果真是这样的话，决定宇宙未来命运的“拔河比赛”就不仅涉及到宇宙的扩张和万有引力的制动作用，而且还与微妙的徘徊不去的膨胀推动力所产生的可以使宇宙无限扩张下去的涡轮增压作用有关。
但是，最能引起人们兴趣的未知数也许是智慧生命本身在宇宙中扮演着什么样的角色。正如物理学家弗里曼·戴森所说：“如果不将生命和智慧的作用考虑在内，对遥远的未来进行详细的预测是不可能的。”好坏姑且不论，地球相当大的一部分确实已经被一种有能力为了自己的利益而操纵其生存环境的智能物种改变了。
与之相似，存在于遥远未来的先进文明也许有能力熔化许多恒星甚至整个星系，从而生起一堆巨大的“营火”，或者使宇宙的长期发展朝着对这一文明有利的方向前进。在宇宙逐渐衰亡的没落时期，生活也许会变得非常枯燥乏味，但是这种生活可能会持续很长的时间。试想一下我们能够看到的宇宙在未来l万亿年时间里可以动用多少天然智能和人工智能资源吧。你认为那种高度发展的智慧和以19世纪的热力学知识为基础、认为人类注定会灭亡的观点究竟谁会取得胜利呢？
所以，让我们拭目以待，正如爱因斯坦在写给一个对世界的命运感到担忧的孩子的信中所说：“至于谈到世界末日的问题，我的意见是：等着瞧吧！”
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