人类对宇宙奥秘的探索
人类对真理的探求是没有止境的，经过漫长的岁月，今天人类终于超越了地球这个人类的家园，步入太空，开始了实地探索的第一步。什么事都得从第一步开始啊。何况是认识宇宙！航天技术的诞生和发展，为人类探索宇宙提供了先进手段和良好条件。20世纪中叶问世的空间探测器，不断揭示出过去在地面难以窥测的宇宙奥秘，使人类对空间环境、地外天体的演变、太阳系的形成、生命的起源等有了更多地认识和了解。
从1959年开始，苏联发射了多个月球探测器。月球3号探测器绕到月球背后，它发回的照片使人们看到月亮的背面与正面确有不同，被陨石撞击得满目疮痍。月球9号探测器首次在月球上软着陆，拍回第一批月球全景照片。美国也发射了“徘徊者号”和“勘测者号”探测器到月球考察，为载人登月打下了基础。1998年，月球“勘探者号”探测器进行了环月考察，除了证实月球上存在丰富的矿藏和氦－3核原料外，还发现月球两极存在储量达上亿吨的冰冻水，这为人类开发月球带来福音。苏联的金星探测器，掀开了金星面纱的一角。美国1989年发射的“麦哲伦号”金星探测器，通过合成孔径雷达扫描，绘制出了第一张金星表面全景照片。20世纪70年代，“先驱者号”和“旅行者号”探测器首次飞抵木星进行考察，向人们提供了第一批木星近景图像。1989年发射的“伽利略号”木星探测器探测到木卫二的冰层下存在一个暗海洋，可能孕育有原始的生命。20世纪80年代初，“旅行者号”探测器飞过土星，不仅发现美丽的土星光环是一组成千上万条光环组成的光环群，而且新发现了13颗卫星，使土星的卫星增加到23颗，成为一个土卫大家族。火星与地球有许多相似的地方，许多科学家认为，火星可能有过生命，至少有过低级生命的发展期，因此对火星的探测格外引人注目。从1975年以来，“海盗号”探测器和“火星探路者”探测器飞临火星进行实地考察。结果在这块贫瘠而荒凉的红色星球上没有发现火星人，甚至找不到一点生命的踪迹。
除了冥王星，人类已经利用空间探测器造访了太阳系的其他八大行星及其卫星，获得了许多新发现。1990年发射的“尤利西斯号”太阳探测器，还破天荒地探测了太阳南北两极的太阳风等情况。20世纪90年代以来，哈勃太空望远镜、康普顿伽玛射线望远镜和钱德拉X射线望远镜先后被送入太空轨道，探测太阳系外遥远的天体和星系，观测宇宙中黑洞、中子星、类星体等情况，探索宇宙形成和演变的秘密。1998年，由丁肇中主持、中国参加研制的阿尔法磁谱仪，用航天飞机载入太空去探寻反物质，试图揭示宇宙爆炸之谜。尽管空间探索之路艰辛而漫长，但随着航天技术的不断进步，人类终将破解宇宙的奥秘。
宇宙起源的“大爆炸”理论
尽管有许多科学家持不同意见，但现在被大多数人接受的宇宙起源理论是“大爆炸”理论。让我们认识一下这个理论的形成、发展和现状。根据大爆炸理论，宇宙是由一个致密致热的奇点膨胀到现在的状态的。大爆炸理论是宇宙物理学关于宇宙起源的理论。根据大爆炸理论，宇宙是在大约一百四十亿年前由一个密度极大且温度极高的状态演变而来的。本理论产生于观测到的哈勃定律下星系远离的速度，同时根据广义相对论的弗里德曼模型，宇宙空间可能膨胀。延伸到过去，这些观测结果显示宇宙是从一个起始状态膨胀而来。在这个起始状态中，宇宙的物质和能量的温度和密度极高。至于在此之前发生了什么，广义相对论认为有一个引力奇点，但物理学家对此意见并不统一。
大爆炸一词在狭义上是指宇宙形成最初一段时间所经历的剧烈变化，这段时间通过计算大概在距今一百三十七亿年前；但在广义上指当今流行的揭示宇宙起源和膨胀的理论。这一理论的直接推论是我们今天所处的宇宙同昨天或者明天的宇宙不同。根据这一理论，乔治·盖莫夫在1948年预测了宇宙微波背景辐射的存在。1960年，这一辐射被探测到，有力地支持了大爆炸理论，从而否定了另一个比较流行的稳恒态宇宙理论。大爆炸理论是通过实验观测和理论推导发展的。在实验观测方面，1910年，维斯特·斯里弗尔和卡尔·韦海姆·怀兹证实了大多数旋涡星云正在退离地球，不过他们并没有因此联想到这对宇宙学意味着什么，也不认为发现的星云其实是银河系外的其他星系。同时在理论上，爱因斯坦的广义相对论成功建立并推出了没有稳恒态宇宙的结论。
通过度量张量描述的宇宙不是膨胀就是收缩，爱因斯坦认为他自己解错了，并加入了一个宇宙学常数来进行改正。第一个不使用宇宙学常数，而真正认真将广义相对论运用到宇宙学中的是亚历山大·弗里德曼，他的方程所描述的宇宙称为Friedmann-Lematre-Robertson-Walker宇宙，时间是1922年。1927年，比利时天主教牧师Georges Lema tre独立推导出Friedmann-Lematre-Robertson-Walker方程，并在螺旋星云后退现象的基础上提出了宇宙是从一个“初级原子”“爆炸”而来的——这就是后来所谓的大爆炸。1929年，爱德文·哈勃为Lematre的理论提供了实验条件。哈勃证明这些旋涡星云其实是星系，并通过观测仙王座δ的星体测算出了它们之间的距离。他发现，星系远离地球的速度同它们与地球之间的距离刚好成正比，这就是所谓哈勃定律。
根据宇宙学的原理，当观测足够大的空间时，没有特殊方向和特殊点，因此哈勃定律说明宇宙在膨胀。这一观点存在两种互相对立的可能性：一种是由Lematre提出，乔治·盖莫夫支持和完善的大爆炸理论；另一种则是霍伊尔（Fred Hoyle）的稳恒态宇宙模型。在稳恒态宇宙模型里，新物质在星系远离留下的空间中不断产生，从而宇宙基本不变化。其实这个理论的提出是出于讽刺Lematre的大爆炸理论的，最开始是在1949年通过BBC广播节目形式传播的，论文《物质的自然》发表于1950年。
之后的许多年，这两种理论并立，但观测事实开始支持一个演变了热密状态的宇宙。1965年宇宙微波背景辐射的发现使人们认为大爆炸理论是宇宙起源和演变最好的理论。1970年以前，很多宇宙学家认为宇宙可能在膨胀以前先收缩，这样可以避免从弗里德曼模型推出一个无限致密的“荒谬”的奇点。比较有代表性的是Richard Tolman的脉动宇宙模型。20世纪60年代末，史蒂芬·霍金等人证明这个假设行不通，因为奇点是爱因斯坦引力理论的直接和重要推论。之后大多数宇宙物理学家开始接受广义相对论所描述的宇宙在时间上是有限的。但是，由于对于量子引力规律缺乏认识，现在还不能断定这个奇点到底是真正集合意义上的无限小点，还是物理收缩过程可以无限进行下去，从而间接达到宇宙在时间上的无限。宇宙大爆炸的模拟图现在宇宙物理学的几乎所有研究都与宇宙大爆炸理论有关，或者是它的延伸，或者是进一步解释。例如大爆炸理论下星系如何产生，大爆炸时发生的物理过程，以及用大爆炸理论解释新观测结果等。20世纪90年代后期和21世纪初，由于望远镜技术的发展和人造探测器收集到大量数据，大爆炸理论又有了新的巨大突破。
大爆炸时期宇宙的情况和数据可以计算得更加精确，并产生了很多意想不到的结果，比如宇宙的膨胀在加速。大爆炸理论测算出宇宙的年龄是137±2亿年，这一计算是通过对Ia型超新星的观测，对宇宙背景辐射强度的测量，以及对星系相关函数的测量得出的。这三个独立测算所得到的结果一致，从而被认为是所谓更详细描述宇宙中星系性质的Lambda-CDM model的强有力证据。早期的宇宙充满了同源同性的物质，其温度压强能量都极高。随着膨胀和冷却，宇宙物质经历了相变，这种相变与蒸气冷却时的凝结过程和水的凝固过程相似，不同之处在于前者发生在更基本的粒子层面上。普朗克时期之后大约10~35秒，相转变引起宇宙产生指数级增长，称为暴胀。之后暴胀停止，此时宇宙的物质形式是夸克-胶子等离子体，这些物质的运动都符合相对论。宇宙继续在空间上膨胀，温度继续下降。在某一温度下，一种至今未知的所谓重子相变的相变产生，夸克和胶子组成重子，就是质子和中子，同时还在物质和反质之间产生了不对称性，这种不对称性已经被实验证实。随着温度进一步降低，更多无对称的相变发生，形成了现在的基本粒子和基本相互作用。之后，一些质子和中子结合，组成氘和氦的原子核，这个过程叫做大爆炸核合成。随着宇宙的冷却，物质不再依照相对论理论运动，而静止质量的能量密度以引力形式存在，并超过辐射形式的能量密度。
