1.宇宙——神秘未知的巨大系统
仰望夜空，星辉斑斓的天幕显得那么美丽而又神秘。古往今来，不知多少智者在面对这片广袤的宇宙时产生过各种遐思和疑问。宇宙究竟是什么？它的年龄有多大？宇宙是如何产生的？它有没有边际？如果有，它的边际在何方？宇宙会不会有灭亡的那一天……接下来，就让我们来浅谈宇宙，一起探索太空的奥秘。
空间、时间、物质和能量等等这些构成了一个统一体，这就是宇宙。作为我们存在的一个时空连续系统，宇宙包括其间所有的物质、能量和事件。对我们而言，宇宙是一个神秘未知的巨大系统。它有着千百奥秘等待我们前去探索和发现。
“宇”即为“上下四方”，“宙”则是“古往今来”，两字合在一起，就是指我们所处的这个包括物质和时间的巨大系统；可即便如此，许多人还是对宇宙无法形成一个直观的印象。我们这个世代生活的家园究竟是什么？
在中国，古代先哲们首先提出了“早期盖天说”。他们认为，天穹像一口圆圆的大锅，倒扣在平坦的大地上；后来随着时间的发展，他们又将之发展为“后期盖天说”——即大地的形状也是拱形的。与之相类似，在公元前7世纪，巴比伦人提出了这样的观点：天和地都是拱形的，大地周围环绕着海洋，而陆地的中央就是高山。
1543年，科学先驱者哥白尼首次提出了日心说。在他看来，太阳是整个宇宙的中心，而地球则不过是一颗绕太阳公转的普通行星罢了。哥白尼“日心说”的提出使人类对宇宙的认识上升到了一个新的高度：地球不是宇宙中心，而只是绕太阳公转的行星之一。
1781年，赫歇尔绘制了人类历史上第一幅扁而平、轮廓参差、太阳居中的银河系结构图——这一创举奠定了银河系概念的基础。从那以后，人类天文学知识突飞猛进——沙普利发现太阳并不是银河系中心，奥尔特发现了银河系的自转和旋臂……科学的银河系概念最终得以确立。
18世纪中叶，康德率先提出，银河系并非宇宙中唯一的天体系统。但遗憾的是，康德始终无法证明自己的观点。到了1924年，哈勃用造父视差法确认了仙女座星系不属于银河系的事实。由此，人类对河外星系开始有了正确的认识。
20世纪以来，天文观测手段随科技发展出现了一次又一次的革命性的进展，人类的观测距离也进一步延伸到了上百亿光年的宇宙空间——这为人类了解天体上百亿年时间的演化提供了便利条件。
为了进一步解释宇宙的具体形态，天文学家们建立了多种宇宙模型。我们大致可以将它分为两类：一类是1948年英国天文学家邦迪等人提出的稳恒态宇宙模型。这种模型认为宇宙在大尺度上的物质分布和物理性质是稳恒不变的，也就是说，它不仅在空间上是均匀的，而且在时间上也是稳定的。另一类是苏联数学家弗里德曼1922年在解爱因斯坦引力场方程时得到的演化态模型。与第一类相反，这种模型认为宇宙在大尺度上的物质分布和物理性质是随时间在变化的。
在已经出现的宇宙模型中，大爆炸宇宙学说影响最大。与古代相比，现代宇宙学更尊重观测到的客观事实。在内容上，它涉及恒星、星系、元素等的起源和演化等多方面的理论问题。时至今日，人们对于宇宙还有许多疑惑：宇宙的结构如何？宇宙有多大？宇宙有没有诞生之日和终结之时？对于这些问题，我们还要进行不断的研究与探讨才能得到答案。
6500万年小行星的陨落
恐龙作为地球上出现过的最大的陆地脊椎动物，其灭绝之谜一直让人疑惑心痛。可是现在，它们灭绝的谜团终于有了获得解答的可能。
据科学家推测，恐龙是被6500万年前一颗撞击在地球上的小行星灭绝的。这颗小行星撞到了墨西哥尤卡坦半岛上，撞击所形成的巨大陨石坑在12年前被人类发现。据估计，这些撞击所形成的能量相当于100亿颗原子弹的冲击力。
2.宇宙大爆炸理论——揭示宇宙起源的真相
关于宇宙的起源，自古以来一直是众说纷纭。我国古代有盘古开天地的传说，西方则有上帝创造一切的解释。现在，最为人们所广泛接受的宇宙起源说就是宇宙大爆炸理论。
这种理论认为，在大爆炸发生之前，宇宙内的所存物质和能量都是聚集在一起的。这个原始的“蛋”体积虽小，但温度极高，密度极大。大爆炸使构成宇宙的物质四处飞散，从那时起，宇宙空间就在持续不断地膨胀，温度也相应下降。在此过程中，星系、恒星、行星乃至生命慢慢形成。
既然宇宙正在不断膨胀，那么，是不是可以认为它们当初都是从同一源头发射出去的呢？
1932年，天文学家勒梅特首次提出了完整的现代宇宙大爆炸理论内容：宇宙最初全部都是聚集在一个“原始原子”中的，后来，“原始原子”发生爆炸，其物质向四面八方散开，由此形成了这个广阔而又美丽的宇宙。其后不久，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，创造了热大爆炸宇宙学模型：最开始，宇宙是高温高密度的原始物质，其温度超过几十亿度，但随着温度的继续下降，宇宙开始膨胀。
20世纪，科学奇才霍金通过研究，对宇宙大爆炸10~43秒以后的宇宙演化图景作了清晰的描述。在他看来，宇宙起源于一个比原子还要小的“奇点”，然后是大爆炸的来临。在大爆炸中，超强的能量使一些基本粒子形成，而这些粒子又在能量的作用下，结合形成了宇宙中的各种物质。就这样，霍金的大爆炸宇宙模型成为了人类历史上最有说服力的宇宙图景理论。
斯蒂芬·威廉·霍金
英国剑桥大学应用数学及理论物理学系教授斯蒂芬·威廉·霍金，是当代最重要的广义相对论和宇宙论家。他不仅被称为“在世的最伟大的科学家”，还因为在宇宙形成理论上的贡献而被称为“宇宙之王”。在科学研究贡献上，20世纪70年代他与同伴一起证明了著名的奇性定理并也因此被誉为继爱因斯坦之后世界上最著名的科学思想家和最杰出的理论物理学家。此外，他还对人人望而却步的黑洞发起了冲锋，证明了黑洞的面积定理——黑洞的面积不会随着时间的增加而减少。
3.黑洞与白洞——最神秘的宇宙现象
在前面，我们不止一次地提到了令人恐怖的黑洞。这种神秘的天体就像地球上的“百慕大”，任何物体（包括光在内）都无法逃脱它的吸引。与黑洞相对称的，还有一种我们称之为“白洞”的天体。这两种神秘莫测的宇宙现象一起向人们揭示了宇宙中的完美对称。
天文学上的黑洞是否就是一个“大黑窟窿”？其实，天文学上的黑洞不过是引力场很强的一种天体，由于连光也不能逃脱出来，所以得了“黑洞”这样一个“美名”。
我们知道，观测天体所散发出的光是我们了解天体的重要方式之一，可是由于黑洞中的光无法逃逸发散出来，所以直到现在为止我们也无法直接用天文望远镜观测黑洞。不过，聪明的天文学家们却可以通过测量它对周围天体的作用和影响，来间接观测或推测它的存在。
在广义相对论中，黑洞应该是一种密度超高的暗天体。一般情况下，大质量恒星在其演化末期会发生塌缩现象，这样就造成了其产生物质的高密度性。恒星巨大的质量使它有着巨大的引力场，而引力场又可以使时空弯曲。当恒星的体积足够时，其引力场对时空无法造成根本性的影响，从恒星表面上某一点发的光便可以朝任何方向沿直线射出；可是在恒星塌缩后，随着半径的变小，引力场对周围的时空弯曲作用逐渐加大，朝某些角度发出的光就会受其影响沿弯曲空间返回恒星表面。这样一来，当恒星的半径塌缩到某一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，就连它垂直表面发射的光都被捕获了。这时，恒星就变成了一个黑洞。
根据上面的推测，黑洞应该是死亡恒星的演化物，是特殊的大质量超巨星坍缩时产生的特殊天体。要想最终演化成黑洞，逐渐死亡的恒星质量必须达到某一数值（这就是钱德拉塞卡极限），如果质量小于该数值，那么这颗恒星是无法形成黑洞的。
作为一种神秘天体，黑洞有许许多多的特殊性。例如，它有“隐身术”。完全没有光散发出来的黑洞阻止了人们对它的直接观察，这种情况下，科学家们只能对它内部结构进行着种种猜想而无法验证。除此以外，在黑洞周围，空间的变形会非常大。这种情况所造成的结果就是，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，也仍然会有一部分被黑洞吞噬，当然，也有一部分光线会通过黑洞周围弯曲的空间绕过黑洞到达地球。这样一来，我们就在不知不觉中观察着黑洞背后的星空——看上去黑洞就仿佛不存在一样——这就是黑洞的隐身术。
大自然是对称的，所以有黑就有白。在天文学上，黑洞也有一个对称的天体存在——那就是白洞。
白洞又称为“白道”，是广义相对论所预言出来的一种与黑洞性质完全相反的特殊天体。当然，白洞仅仅是理论预言的天体，到现在为止，我们还没有找出任何直接的证据表明它的存在。
那么什么是白洞？说得通俗一点，白洞就是时间呈现反转状态的黑洞。黑洞在不停吸入物质，这些物质最后都应该从白洞出来——出现在另外一个宇宙。由于和黑洞的疯狂吸引性质完全相反，所以我们就把它叫做白洞。白洞有一个封闭的边界，所有聚集在白洞内部的物质，都只能向外运动而不能被白洞吸收。因此，我们可以把白洞看做是向外部区域提供物质和能量的天体。此外，具有超强质量的白洞也是一个强引力源，其外部引力性质与黑洞一般无二。这样一来，白洞就可以把它周围的物质吸积到自己的边界上形成一个物质层。根据这个原理，人们常常用白洞学说来解释一些高能天体现象。
白洞和黑洞都有一个“视界”，不过，和黑洞视界的吸引不一样，时空曲率在白洞的视界前是负无穷大。换句话说，在这个“视界”里，白洞有着对外界无穷大的斥力——即使是光笔直向白洞的“奇点”冲去，它也会在白洞的视界上止步不前。
黑洞是天体发展中的一个终极结果，这种终极发展必然会导致另一个终极的产生，这就是白洞。当然，也有人认为白洞是黑洞“转化”的结果。但到底结果是不是如此，我们还不得而知。
黑洞和白洞的奥秘隐藏得还非常深，打开宇宙之谜大门的钥匙很可能藏在黑洞和白洞的身后。我们应该相信，科学家们总有解开这个谜团的一天。
天鹅座中的黑洞
人类天文史上发现的第一个“黑洞”位于天鹅星座，在天鹅座，有一对名叫天鹅座X-1的双星。可令人感到奇怪的是，这对双星中，一颗是看得见的亮星，而另一颗却完全看不见。因为双星的两颗子星间会互相影响，所以我们根据那颗亮星的运动路线推测，它的“伴星”的质量相当大——至少有五个太阳质量那么多——这么大的质量是任何中子星都不可能拥有的。所以，根据这一观测结论，天文学家们断定天鹅座X-1中那个看不见的天体就是一个黑洞。
事实上，在对宇宙天体观测中，我们还发现有好几对双星的特征也跟天鹅座X-1相似。虽然还不能肯定，但它们中间也很可能有黑洞存在。
4.哈勃定律——测量恒星距离的尺子
在中华民族流传千年的传说里，七夕之夜是牵牛星和织女星在天际相会的日子。仰望星空，这两颗亮闪闪的明星看起来相距也不算远，但事实上，在这两颗看似很近的星星之间，有着远远超乎你想象的距离。那么，星际之间的距离该如何计算呢？
量一张纸的宽度，我们常常使用格尺；量两颗星星之间的距离，我们则要使用“哈勃定律”。1929年，天文学家哈勃发现河外星系的视向退行速度v与距离d成正比。也就是说，距离越远，视向速度越大，用公式表达即为v=H0×d（v为退行速度，d为星系距离，H0为比例常数，称为哈勃常数）。这个关系就是闻名于世的“哈勃定律”，又称“哈勃效应”。其中，v以千米／秒为单位，d以百万秒差距为单位，H0的单位是千米／（秒·百万秒差距）。哈勃对天文学研究的贡献是巨大的，特别是他所发现的哈勃定律，是现在人类发现的测量遥远星系距离的唯一有效方法。
天文学上以“哈勃”命名的事物及现象太多了：哈勃望远镜、哈勃定律……那哈勃究竟是谁？
1910年，年轻的爱德温·哈勃从美国芝加哥大学毕业了。还在芝加哥大学学习时，他就受天文学家海尔启发开始对天文学发生兴趣，并先后获得了数学和天文学的校内学位。离开芝加哥大学后，他赴英国留学，在牛津大学学习法学。1913年，他回到美国在肯塔基州开业当了一名律师。也许哈勃天生就与宇宙有不解之缘。虽然他的律师工作前途远大，但他还是始终放不下对那一片星空的牵挂。1914年，他放弃了律师的工作，开始集中精力研究天文学，并返回芝加哥大学，在该校设于威斯康星州的叶凯士天文台工作。此后，他又获得了天文学哲学博士学位，并供职于威尔逊天文台（现属海尔天文台）。
20世纪20年代，世界天文学界对星系是不是银河系的一部分争议颇多，哈勃通过自己的研究最终为这个难题打开了突破口。1922年~1924年间，哈勃利用坐落在美国威尔逊山上的当时世界上口径最大的反射望远镜，发现了仙女座大星云的12颗造父变星，并运用光度方法确定它们与地球之间的距离。结果发现，仙女座大星云与我们地球之间的距离超过了70万光年——这就意味着仙女座大星云并不在银河系范围之内。换句话说，银河系并不是宇宙中的唯一星系。在银河系之外，还有河外星系存在着！这一发现使哈勃一跃成为了星系天文学的奠基人，并从此开创了一个天文学发展的新时代。
星系天文学奠基人的成就，并没有让哈勃从此停步不前。1925年，当他根据河外星系的形状对它们进行分类时，他又得出了星际天文学上第二个重要的结论：河外星系都在做着远离我们而去的动作，而且离我们越远的星系，远离的速度越高。这一结论再次在世界天文学界引起了轩然大波。在此之前，天文学家都一致认为宇宙是静止的。可是现在，哈勃却要告诉他们宇宙是在膨胀的。更重要的是，哈勃还在1929年发现宇宙膨胀的速率是一常数——这个被称为哈勃常数的速率就是星系的速度同距离的比值。
哈勃再次为人类的天文学发展做出了突出贡献，不过他对此并没有满足。为了详细研究星系天文学，他用了十年时间持续观测河外星云，并找到了测定更远距离的新的光度标准——哈勃的努力终于换来了可喜的结果，他将人类的视野扩展到了五亿光年的范围。
哈勃对人类天文学的发展贡献巨大，正如霍金在他的《时间简史》一书中所说，“1924年，我们现代的宇宙图像才被奠定。那是因为美国天文学家爱德温·哈勃证明了，我们的星系不是唯一的星系。事实上，还存在许多其他的星系，在它们之间是巨大的空虚的太空。”
人类永远不会忘记这位伟大的天文学家。为了纪念哈勃，美国将目前世界上唯一一架位于地球大气层之上的结构最复杂最不会受到大气影响的太空望远镜命名为“哈勃太空望远镜”。
哈勃望远镜
1990年4月24日，哈勃太空望远镜由美国“发现”号航天飞机送入了地球外太空轨道。这架人类历史上最复杂的望远镜长13.1米，重11600千克，造价15亿美元，装有直径2.4米的主体镜和直径0.3米的次级镜。因为不受地球大气的种种影响，它使人类的观测距离进一步扩大到了140亿光年——换句话说，依靠它我们可以观测到宇宙中140亿年前发出的光。它的升空并投入使用，可以说是自1609年伽利略用自制望远镜首次观察天体以来，人类天文学观测史上又一个新的里程碑。
5.河外星系——银河系之外的小岛
银河系以外有什么？受科技发展的局限，历史上很长一段时间里，天文学家们都无法弄清这个问题的答案。现在这个局面终于有所改观了。随着新式天文望远镜的投入使用，河外星系正式走进了人们的视野。
1924年，美国天文学家哈勃用当时世界上最大的天文望远镜——威尔逊山天文台直径2.5米的望远镜观察仙女座星云时，第一次发现这个星云其实是由许多恒星组成的。与此同时，他利用其中的造父变星测定出仙女座星云离我们至少在70万光年之外。这一距离远远超出了银河系的范围，由此哈伯判断，仙女座星云是银河系之外的星系。就此，河外星系被正式发现。
河外星系是位于银河系之外、由几十至几千亿颗恒星、星云和星际物质共同组成的天体系统。因为它们全部位于银河系之外，所以将之统称为河外星系。
银河系与河外星系一起组成了总星系——这是现在天文学界对于宇宙天体的最高称呼，银河系不过是总星系中的一个普通星系罢了。据估计，河外星系包含的天体及系统总数在千亿个以上。这些天体如同辽阔海洋中星罗棋布的岛屿，故也被称为“宇宙岛”。
1926年，河外星系的发现者哈勃，根据星系的形状等特征，将星系分为了3大类：椭圆星系、漩涡星系和不规则星系。
宇宙中的椭圆星系大小各不相同：其直径小的为3300多光年，大的则有49万光年之多；漩涡星系大小中等，其直径一般在1.6万~16万光年之间；不规则星系最小，其直径一般在6500光年至2.9万光年之间。当然，这些星系的直径数值一般只是约数，因为星系的亮度总是由中心向边缘渐暗，所以它们的外边缘常常不明显，再加上人类使用的各种探索手段精确度也不一样，所以难免会有一定误差。星系的质量较大，一般来说都在太阳质量的100万至10000亿倍之间。同样的，体积相差悬殊的椭圆星系的质量差异也很大，大小之间质量差竟达一亿倍之多。与之相比，漩涡星系质量居中，不规则星系一般较小。
星系内部的恒星始终保持运动，相应的，星系本身一直处于不停的自转当中。这一现象从红移现象中可见一斑。
河外星系数量众多，目前已发现的就有10亿个之多。其中比较著名的有：猎犬座河外星系、仙女座河外星系、大麦哲伦星系、小麦哲伦星系和室女座河外星系等。
从大范围看，星系在整个宇宙中的分布近于均匀，但是在小范围内，星系的分布与恒星的分布一样，有成团集聚的倾向。比如，大麦哲伦星系和小麦哲伦星系就共同组成了一个双重星系。与此同时，它们又和银河系一起组成了三重星系。
与恒星等天体一样，星系也有其形成、发展到衰亡的演化过程。从现在我们对星系的观察结果看，星系分为椭圆星系、漩涡星系和不规则星系3种，但这3种形态是否代表它们就是星系的不同演化阶段呢？如果是的话，谁属青年？谁是中年？谁算老年？这一切还有待天文学家们的研究考察。
河外星系的发现意义重大。它将人类的视野首次拓展到银河系以外，可以说是人类宇宙探索史上的重要里程碑。从对河外星系的观测我们知道，浩渺的银河系仅仅是宇宙中一个普通的星系，是千亿星系家族中的一员，宇宙中还有很多部分等待我们去探索去发现。
牛顿对天文学的贡献
牛顿是英国物理学家、天文学家和数学家，1642年出生于英国林肯郡。牛顿不但在物理学方面贡献最大，在天文学方面的功绩也不容小视。1672年，牛顿创制了反射望远镜；此外，他对潮汐现象进行了解释，并指出潮汐的大小不但与朔望月有关，而且与太阳的引力也密切相连；在对地球的认识上，牛顿从理论上推测出地球不是正圆的球体，而是两极稍扁、赤道略鼓的扁圆形，并以此解释了岁差的原因。