科学基础技术历史 10

第十九章：

追寻宇宙边界的天文学我们发现星云越小越暗，数目就越多，由此可知我们的视野正在越来越远地进入太空深处。当我们看到用最大的望远镜能观测到的最暗星云时，那就到达已知宇宙的边界了。--------埃德温·哈勃转引自J希尔克：《大爆炸》天文观测手段的进步第谷是用肉眼观测天文现象的最后一个天文学家。伽利略最先把望远镜指向太空，使天文学研究进入了望远镜观测的时代。近代望远镜的口径不断增大，观测的距离和清晰度不断增加。望远镜的口径越大，收集到的光线越多，本来看不见的暗弱天体可以看到。口径越大，望远镜的分辨率越高，本来看不清的天体可以看清了。但造大望远镜要求有高水平的光学和精密机械技术。ACerroTololoSky

Credit:RogerSmith,AURA,NOAO,NSF

1948年美国在帕洛马山上建立了直径为5.1米的光学望远镜，其镜面重5吨，面积20平方米，误差极小，在六七年中建成。(右)目前世界上最大的光学望远镜是前苏联制造的，直径为6米。中国：2.16米，河北兴隆。19世纪照相术发明以来，照相方法逐步被应用到天文研究方面。1919年英国人爱丁顿率领的日食观测队，就是用照相方法发现了恒星光线经过太阳引力场时的弯曲现象，证明了广义相对论的预言。星光在太阳引力场中弯曲Spacetime球球换明显的太阳，地球另外，19世纪以来，由于光学的进步，分光方法在天文研究中得到了进一步的应用。分光方法是指让星光通过棱镜或光栅，使之按波长大小排列，形成光谱进而研究的方法。牛顿用棱镜分解日光是分光方法的开始。夫琅合费、基尔霍夫和本生等人开始把光谱与星体上发光的元素联系起来。离太阳最近的水星有着钠原子构成的发光“龙尾”，这个细长的钠原子流就像将水星放飞的一根风筝线。龙尾”中还有其他原子，但是只有钠原子发光能被探测到。美国探索频道2008年2月29日20世纪由于原子物理学的发展，人们认识到原子发出的特定的光与其电子在不同能级轨道之间的跳迁有关，分光方法趋于成熟。另外，20世纪在研究恒星方面还采用了光度测量方法。这种方法是指测量恒星可见表面每秒辐射出来的能量(单位为：尔格／秒)，然后按此把它们分成等级的方法。electronicshell，电子层，或称电子壳，是原子物理学中，一组拥有相同主量子数n的原子轨道。电子在原子中处于不同的能级状态，粗略说是分层分布的，故电子层又叫能层。50年代以来，随航天技术发展，人们已开始大气层外天文观测。最著名例子是1990年4月由美国人通过航天飞机送入太空的哈勃望远镜。这架望远镜起初工作状况不如预期，但仍传回许多地球表面不可能获得的天文信息。修好后，在遥远宇宙数亿个以上的星系深处看到了织锦画般的星系，这些星系的形状如人的掌纹一样从不相像，其神奇瑰丽超过画家最狂野的想象。TheHubbleSpaceTelescopehoversattheboundaryofEarthandspaceinthispicture,takenafterHubble’ssecondservicingmissionin1997.Hubbledrifts353miles(569km)abovetheEarth’ssurface,whereitcanavoidtheatmosphereandclearlyseeobjectsinspace.GalaxyGroupHickson44

Credit&Copyright:MASILImagingTeam

AstronautF.StoryMusgrave,anchoredontheSpaceShuttleEndeavor’sroboticarm,preparestobeelevatedtothetopoftheHubbleSpaceTelescopeduringHubble’sfirstservicingmissionin1993.AstronautJeffreyHoffman,insidetheshuttlepayloadbay,assistsMusgrave.

Hubble’sfirstservicingmissionreplacedandrepairedvariousinstruments,butitsmostimportanttaskwasinstallingtechnologythatcorrectedthetinyflawinHubble’smainmirrorthatdistortedthetelescope’sview.Hubblewasspeciallydesignedtoberepairedandupgradedbyastronautswhileinorbit.另外，20世纪天文学研究高技术手段，使人类能更清楚地观测一些千载难逢的天文奇观，例如1994年7月发生的苏梅克-利维9号彗星撞击木星的过程。对这一现象的完整而清晰的观测使人类对太阳系和地球演化中的特殊事件有了深刻的直观认识。GeneShoemaker,1928-1997射电天文学出现

20世纪天文研究方面有革命性意义是射电天文学出现，使天文观测范围从可见光频率扩展到所有电磁波谱的频率，开辟了对不可见天体的研究，作出了一系列惊人的发现，在某种意义上导致了20世纪天文学的革命性进展。ThosewhoseetheAreciboradiotelescopeforthefirsttimeareastoundedbytheenormousnessofthereflectingsurface,orradiomirror.Thehuge"dish"is305m(1000feet)indiameter,167feetdeep,andcoversanareaofabouttwentyacres.Thesurfaceismadeofalmost40,000perforatedaluminumpanels,eachmeasuringabout3feetby6feet,supportedbyanetworkofsteelcablesstrungacrosstheunderlyingkarstsinkhole.Itisaspherical(notparabolic)reflector.

射电天文学1928年，美国电信工程师央斯基(1905-1950)参加贝尔实验室的工作，搜索和鉴别电话的干扰信号。1931年他在干扰信号中发现一种无线干扰。经研究，央斯基断言：这是来自银河系中心方向的射电辐射。这一发现是用射电波研究天体的开始。

KarlJanskyandtheDiscoveryofCosmicRadioWaves

VersiónenEspañol

KarlGuthe

JanskywasborninNormanOklahomaOctober22,1905(d.Feb.14,1950),graduatedwithadegreeinphysicsfromtheUniversityofWisconsin,andjoinedthestaffoftheBellTelephoneLaboratoriesinHolmdel,NJ,in1928.

BellLabswantedtoinvestigateusing"shortwaves"(wavelengthsofabout10-20meters)fortransatlanticradiotelephoneservice.

Janskywasassignedthejobofinvestigatingthesourcesofstaticthatmightinterferewithradiovoicetransmissions.

Hebuiltanantenna,picturedhere,designedtoreceiveradiowavesatafrequencyof20.5MHz(wavelengthabout14.5meters).

Itwasmountedonaturntablethatallowedittorotateinanydirection,earningitthename"Jansky'smerry-go-round".

Byrotatingtheantenna,onecouldfindwhatthedirectionwastoanyradiosignal.8年后，美国人雷伯尔(1911-)用自制直径为9.45米的射电望远镜证实了央斯基的发现，并测到太阳和其他一些天体发出的无线电波。二战期间英国军用雷达接收到太阳发出的无线电辐射波，雷达技术开始被应用于射电天文学。射电望远镜就是对空间无线电波辐射的接收、显示和分析装，它可以不分昼夜地工作，并可接收到宇宙尘埃后面的天体辐射。GroteReber

GroteReberposeswith

hisoriginaldishantennaIn1937,Reberbuilthisown32-foot-diameterparabolicdishantennainhisbackyard,toseekcosmicradioemissions.Inanerawhenartificialsatelliteswereonlyadreamandtelevisionhadnotyetemergedfromthelaboratory,thisantennadrewamazedremarksfromhisneighbors.

1964年，美国贝尔电话公司的彭齐亚斯和威尔逊用射电望远镜发现了3.5K的宇宙背景辐射，被视为宇宙大爆炸的证据之一。

ArnoAllanPenzias

图“宇宙背景辐射”——“宇宙大爆炸”）遗留下来的信息

脉冲星，中子星1967年，英国人休伊什和乔斯林·贝尔发现了来自天空的强烈射电脉冲信号，即脉冲星，中子星。这一发现为恒星演化理论提供了新材料。宇宙中广泛存在着星际有机分子1968-69年，美国人汤斯等在银河中心区的星际云中发现氨、水、甲醛分子的谱线，说明星际存在有机物质，产生了星际化学。

类星体另外，60年代射电天文学家还发现了类星体--类似恒星的一个点光源。类星体谱线红移量极大，用多普勒效应来解释，它的退行速度便可接近276,000千米／秒。以上射电天文学的四大发现给人类提供了宇宙中的特殊信息：星际空间存在高度真空，高密物质，高磁场，高温，接近光速可能大于光速向外抛射物质等。通过观测天体的无线电波来研究天文现象的一门学科。由于地球大气的阻拦，从天体来的无线电波只有波长约1毫米到30米左右的才能到达地面，绝大部分的射电天文研究都是在这个波段内进行的。射电天文学以无线电接收技术为观测手段，观测的对象遍及所有天体：从近处的太阳系天体到银河系中的各种对象，直到极其遥远的银河系以外的目标。射电天文波段的无线电技术，到二十世纪四十年代才真正开始发展。对于历史悠久的天文学而言，射电天文使用的是一种崭新的手段，为天文学开拓了新的园地。In1963BellLabshiredanotherradioastronomer,BobWilson,whocamefromtheCaliforniaInstituteofTechnology.By1964,PenziasandWilsonwereusingthemostsensitiveradioastronomyantennaavailabletoconductresearchinradioastronomyandsatellitecommunications.Thepairdiscoveredthatafaintsignalpervadedallspaceandsetouttofindwhatthisnoisewas.Systematicallytheyeliminateddifferentpossiblesourcesofthenoiseanddeterminedthattheuniversewasitselfthesource.PrincetonUniversityphysicistRobertH.Dickewhohadbeenthefirsttoproposetheideaof"cosmicbackgroundradiation"remainingfromtheinitialBigBangthatgaverisetotheuniverseconcurredwiththefindingsofPenziasandWilson.ThiswasafundamentalbreakthroughinunderstandingtheoriginoftheuniverseandPenziasandWilsonwererewardedwiththe1978NobelPrizeinPhysicsforit.WilsonandPenziaswiththeirhistorichornedantennaatCrawfordHill,N.J.射电天文学研究的宇宙目前在天空发现3万多个射电源，接收范围达100亿光年以远。这些信息都标志着现代天文学已进入了直观经验难以把握的时代。射电天文学意味着全波天文学(它研究的是眼睛看不见的宇宙信息，所以也可称为“看不见的天文学”。宇宙的

广度宇宙无限还是有限?在肉眼观天的古代，甚至在20世纪初期，始终是无法用观测证据和自然科学理论来回答的问题。东方和西方的哲学家可以任意想象。古罗马哲学家卢克莱修认为，宇宙在任何方向都是无界的：假如有界的话，那就必定在某个地方有一个界限；但是一件东西除了有别的东西从外面去限制它，显然是不可能有一个界限的；因而宇宙在各个方向上都没有尽头。但也有一些哲学家认为空间虽然无界却有限，无限空间是想象的产物。NGC1365:MajesticIslandUniverse

Credit&Copyright:SSRO-South(R.Gilbert,D.Goldman,J.Harvey,D.Verschatse)-PROMPT(D.Reichart)直观经验、想象和逻辑推论中的宇宙实际上，任何时代，人们直观经验所能把握的宇宙总是有限，但人们并不能从直观上肯定自己的经验所感知的是全部宇宙。所以，人们的想象可以超越经验，认为宇宙无限，甚至像卢克莱修那样用经验能够接受的推理方法来论证宇宙的无限；但也可以认为，这种无限只能是逻辑的和想象的，因而是无法体验的，并以此为由，断言宇宙有限。ThisistheAndromedaGalaxy,ournearestlargeneighborgalaxy.

NASA

现代天文学的进展最后趋向认为“可观测的宇宙是有限的”，而这一宇宙有限的观点是随着天文学家所能观测到的宇宙范围越来越广提出来的。1923-1924年间，美国人埃德温·哈勃用当时世界上最大的反射式光学望远镜(口径为2.5米)确认仙女座大星云不是银河系的弥漫星云，而是银河系以外的恒星系统。这样，天文学家们所能认识的恒星系范围就超出了赫歇耳所研究的银河。

1912年，美国人斯里弗把多普勒效应运用到河外星系的观测方面时发现，除仙女座大星云外，所有河外星云都从地球退行而去。由于光源的退行运动在光谱上表现为吸收线向红端的移动，故这种现象被称为谱线红移。此后，哈勃进一步观测分析，于1929年确定了星系谱线的红移量与星系到我们的距离粗略地成正比关系。按照多普勒效应，这表明远处的恒星系均在离开我们向宇宙深处飞去，而且距离我们越远的星系，离我们远去的速度就越快。EdwinHubble

1889-1953

哈勃关系式第一次揭示了宇宙中恒星系的物理特征。恒星系的普遍退行在当时立刻被解释为宇宙的膨胀，成了弗里德曼和勒梅特刚提出的大爆炸宇宙演化理论的第一个论据。显然，在接受哈勃关系的情况下，谈论宇宙的中心已经毫无意义了。AnewimageofNGC1672shedslightontheprocessofstarburstactivity.ProvidedbyHubble/ESAThebarredspiralgalaxyNGC1672showsclustersofhot,young,bluestarsalongitsspiralarms,andcloudsofhydrogengasglowinginred.Delicatecurtainsofdustpartiallyobscureandreddenthelightofthestarsbehindthem.NASA/ESA

哈勃当时测出，当星系离我们的距离为100万光年时，其退行速度为150千米／秒，后来一批杰出的天文学家将这个值估计为30千米／秒。由于距离与退行速度之间是线性关系，故据哈勃关系式，当星系离我们的距离达到100亿光年时，其退行速度便会达到光速。在这种情况下，这些星系所发出的光和电磁辐射就不能够传到地球上来了，所以，我们也就永远无法探测到它们了。根据这种估计和对哈勃常数的最新修正，用射电望远镜所看到的160亿光年远的星系，可能已经达到可观测宇宙的边际了。不过，这个结论并不是定论。第一，天文学家们对星系退行速度与距离之间的比值还有不同的看法；第二，根据广义相对论，星系谱线红移也可以由引力场造成；第三，遥远星系发出的光和电磁辐射也可能由于途中损失而造成红移。在这方面，人们提出了各种不同的解释，并由此提出了各种不同的宇宙演化理论(这一点后面还要谈到)。对太阳能量的解释太阳能量造成大气层中风、云、雨、雪、雷、电，孕育了地球上的生命(太阳自古以来都是各个民族崇拜的对象之一，是神话的一个源泉)。它的能量--无穷无尽的热和光明、决定人间昼夜与冷暖的力量，是哪里来的?为何如此强大、如此不灭不熄?19世纪中叶，曾发现热力学第一定律的英国人开尔文和曾发现过能量守恒定律的德国人赫尔姆霍兹都曾先后提出并企图解决这个问题，但19世纪的物理学还无法做到这一点。AnActiveSunspotViewedSideways

Credit&Copyright:Hinode,JAXA,NASA

爱因斯坦在1906年提出的E=mc2质能关系式，使人们第一次能够设想自然界存在着热、电、磁、光和机械能之外的潜在能量。随着20年代、30年代原子核物理学的发展，物理学家们开始认识到原子核反应中由于质量亏损而产生巨大能量的可能性，在这种情况下，美籍德国人贝特和德国人魏扎克于1938年分别独立地提出了关于太阳能量的氢燃烧理论。GermanphysicistandphilosopherattheUniversityofStrasbourg,in1938,hehadputforward,independentlyofHansBethe,thecarbon-nitrogen-oxygencycleasanimportantenergy-makingprocessinstars.HansBetheTheNobelPrizeinPhysics1967Weizsäcker,CarlFriedrichvon(1912-)

太阳的能量和寿命

据他们，太阳内部高温、高密和高压条件下，氢核通过碳的催化或者直接聚变为氦，约有1/100的氢转化为能量，这些很少的质量损失会产生巨大的能量。从太阳的能量辐射率得出，它每秒要损失420吨物质，但太阳中氢的含量非常大，以至于在几百万年中这样失去的氢对总体质量来说仍然可以忽略不计。这样就说明了为什么太阳可以大规模地进行绵绵无期的能量辐射。另外，根据这种理论，依据可以测得的太阳中现存的氦的含量，还可以估计出太阳已经存在了几十亿年。恒星的生命周期

1905年，丹麦人赫兹普龙发现恒星颜色和光度间的关系，提出了绝对星等的概念。1914年，美国人罗素发表同样的研究成果。按他们的发现，用反映恒星颜色的光谱型和反映恒星真实亮度的光度作图，就会在图上得到不同的恒星序列。这种恒星光谱型和光度的分布规律图称为赫罗图。在赫罗图上，大多数恒星都分布在一条从左上方到右下方的主序列上，处于主序列上的恒星称为主序星。图上端水平带上分布着巨星和超巨星。少量的矮星则散布在图的左下角。罗素当初已认为恒星在图上的分布反映了恒星演化的不同阶段。赫罗图

50年代以来，以赫罗图为基础，天文学家对恒星一生的演化过程作出了这样的描绘：恒星前身是弥漫于星际空间的星云，通过引力坍缩为星胚，并在几十万年的时间内就进入主星序列，成为主序星。主序星正如太阳一样，引力收缩导致高温、高密和高压，内部便产生核聚变，氢转化为氦，释放巨大能量。接着平衡被打破，燃烧着的氢壳向外膨胀，恒星成为红巨星。红巨星内部，氦继续聚变为碳，接着碳核继续耗竭，直至聚变成为铁。由于比铁重的元素只有裂变才能产生能量，这时聚变就宣告结束，核能储备告缺，铁核心的恒星进入晚年。这时，如恒星铁核质量小于1.44太阳质量，将通过引力坍缩最终变为白矮星。如恒星铁核的质量在1.44～2.0太阳质量间，最后就形成中子星，内部密度约等于原子核密度，直径为数千米的中子星质量就可以超过整个太阳。如恒星聚变后的铁核质量在2个太阳质量以上，恒星据说会因为引力坍缩而成为黑洞。

NGC7027Inabout5billionyears,ourownSunwillgothroughastagelikethis,shortlybeforeitsfuelrunsoutanditdies.Perhapssomeothercivilization,farfromEarth,willwitnessthespectacle.恒星的三种结局

（恒星死亡的三种模式）这里，恒星脱皮了，叫美丽的脱皮，中间有个白矮星NGC7009Neartheendoftheirlives,manystarsshedtheirouterlayers,creatingfantasticallybeautifulpatternsofdustandgas.Canyouseethestaritself-atinydotatthecenterofthepattern?Starspassthroughseveralstagesofdevelopmentbeforetheydie.ThisstarwasphotographedbytheHubbleSpaceTelescopeandisinthewhitedwarfstage.Atthisstage,thestarhasburnedmostofitsfuelandbeguntocool.

（中间有个白矮星）STScI

ThedoomedstarEtaCarinae,itisblowingitselfapartbeforeitfinallygoessupernova（中子星）

HubbleSpaceTelescopeimagecourtesyofSTScI

Aspiral-shapeddiskofdustfuelingamassiveblackholeinthecenterofthegalaxyNGC4261.

L.Ferrarese(JohnsHopkinsUniversity)andNASA.

黑

洞

Theblackhole

根据奥本海默1939年的说法，大质量天体坍缩到某一临界体积时，会形成一个封闭的边界，强大的引力使界外的物质和辐射只能进入，不能逸出，消失在黑暗中，这便是所谓黑洞。搜索黑洞是现代射电天文学家最热心的目标之一。天文学家们认为，虽然任何光线都不能逃离黑洞.。目前X射线天文学家们已普遍赞同：X射线源天鹅座X-1可能是个黑洞。黑洞的理论是优美的。有人认为，黑洞中可能既没有空间，也没有时间，那里存在时空隧道，是星际飞行的走廊。但目前还无法观察到孤僻的黑洞。对黑洞的认识，也许会给人类的物质观、运动观和时空观带来巨大的变革。

Blackholeshavebeendiscoveredthroughoutourgalaxyandelsewhereintheuniverse.

Theysaythattruthisstrangerthanfiction,anditturnsoutthatnatureisstrangerthansciencefiction.MorethanadozenblackholeshavealreadybeendiscoveredinourMilkyWaygalaxy-outofmorethanamillionblackholesestimatedtoexistthere.Andagiantblackhole,heavierthanmillionsofstars,hasbeendiscoveredatthecenterofourMilkyWaygalaxy.Thesamepictureappearstoholdforothergalaxiesintheuniverse:blackholesscatteredthroughthegalaxies,withagiantblackholeattheircenter.Blackholesturnouttobethemostpowerfulobjectsintheuniverse.Exploringthemisoneofthetrulyexcitingfrontiersofastronomy.

Ifblackholesareblack,howcanweseethem?Howdoweknowtheyareblackholes?Thoughwecannotseeblackholesdirectly,theyaresopowerfulthatwecanseetheirunmistakable,dramaticeffectsonthematteraroundthem.Herearethreelinesofevidencethatblack-holehunterslookfor:宇宙演化的理论据牛顿力学，康德和拉普拉斯提出太阳系演化星云说。今天看来，他们的理论只是相当粗浅的近乎猜想的假说。对已发现具有10亿个银河系（据估计，银河系中至少有1000亿颗恒星）的宇宙的演化来说，情况要比恒星演化更为复杂。它不但需要原子核科学，还需要比牛顿力学更具有普遍性的广义相对论，也需巨大光学望远镜和射电望远镜对大尺度范围里天体状况的新发现。奥伯斯：

光度佯谬

19世纪关于宇宙的两个佯谬为现代宇宙学指出了探索方向。第一个是德国人奥伯斯1826年提出的光度佯谬：如果无穷大的宇空中存在无限多均匀分布的不动恒星，那么，在射线的任何方向上都会见到有恒星，整个天体表面应该是明亮的，但实际上夜空却是黑暗的。这一佯谬规定了任何宇宙模型都必须满足使夜空黑暗的条件。西利格:引力佯谬第二个是德国人西利格1894年提出的引力佯谬：假定宇宙中存在无限多个均匀分布的不动恒星，则全部恒星对宇宙中任何质点的吸引力将是无限大或是一个不定值，但实际上地球受到的引力就不是这样的。而要让西利格佯谬不起作用，就必须假定宇宙是有一定结构的，天体是非均匀分布的。

为消除上述两个佯谬，

1917年，爱因斯坦发表了《根据广义相对论对宇宙的考察》一文，提出了一个体积有限但没有边界的宇宙模型。这个模型被通称为“爱因斯坦宇宙”。爱因斯坦的宇宙模型是一个有物质无运动的静态模型。

同年，荷兰人德西特据爱因斯坦的考察提出一个物质密度等于零、但却不断膨胀着的宇宙模型。这是一个有运动无物质的空虚宇宙，后来被称为“德西特宇宙”。WillemDeSitter

1922年，苏联人弗里德曼

Friedmann,Alexander(1888-1925)论证，如空间几何特性符合欧几里得几何，就得到一个不断膨胀的宇宙；如空间几何特性符合黎曼几何，就得到一个膨胀和收缩相互轮换的脉动封闭宇宙；如空间几何特性符合罗巴契夫斯基几何，就得到一个膨胀着的敞开宇宙。1927年，比利时人勒梅特

Lemaître,GeorgesÉdouard(1894-1966)研究了“弗里德曼宇宙”模型，建立了“勒梅特膨胀宇宙”模型。弗里德曼和勒梅特的宇宙是一个膨胀着的宇宙。1948年，美籍苏联人盖莫夫完善勒梅特的理论，提出系统的大爆炸宇宙学说。据大爆炸学说，在约200亿年前，宇宙蛋爆炸前没有时间，爆炸后先后经历了普朗克时代、大统一时代、强子时代、轻子时代、核合成时代、物质时代、复合时代等一系列时代，然后宇宙才开始透明，逐渐形成星系和星系团、恒星和恒星系。在太阳系形成之后，它中间的一颗行星地球，变成了生命的摇篮……显然，这个假说似乎还是一种物理学的神话。TimeLineoftheUniverseTheexpansionoftheuniverseovermostofitshistoryhasbeenrelativelygradual.Thenotionthatarapidperiod"inflation"precededtheBigBangexpansionwasfirstputforth25yearsago.ThenewWMAPobservationsfavorspecificinflationscenariosoverotherlongheldideas.Gamow,George(1904-1968)

20亿光年远的宇宙大爆炸宇宙论预言，宇宙爆炸后原初辐射达到热平衡时，必定还存在着背景辐射。

1964年，美国贝尔电报电话公司的彭齐阿斯和威尔逊在装置卫星天线时，发现消除不掉的噪声辐射，它相当于3.5K温度的物体的辐射，各向同性，没有季节变化。他们把此确认为宇宙蛋爆炸后的残余背景辐射。宇宙背景辐射便成了支持大爆炸宇宙论的证据之一。

氦丰度大爆炸描述的宇宙时代包含氢核合成氦的时代。据这种理论，目前宇宙中残存的氦丰度为25%左右。目前射电天文学家在整个银河系内和许多近邻星系中都发现了氦，在所有发现氦的场合下，有力的证据表明，无论在哪里，只要有1个氦核便有10个氢核，既不过多也不太少。宇宙中这种普适的氦丰度亦被视为大爆炸宇宙论的有力证据。

TheBigBangTheoryisthedominantscientifictheoryabouttheoriginoftheuniverse.Accordingtothebigbang,theuniversewascreatedsometimebetween10billionand20billionyearsagofromacosmicexplosionthathurledmatterandinalldirections.In1927,theBelgianpriestGeorgesLemaîtrewasthefirsttoproposethattheuniversebeganwiththeexplosionofaprimevalatom.Hisproposalcameafterobservingtheredshiftindistantnebulasbyastronomerstoamodeloftheuniversebasedonrelativity.Yearslater,EdwinHubblefoundexperimentalevidencetohelpjustifyLemaître'stheory.Hefoundthatdistantgalaxiesineverydirectionaregoingawayfromuswithspeedsproportionaltotheirdistance.Thebigbangwasinitiallysuggestedbecauseitexplainswhydistantgalaxiesaretravelingawayfromusatgreatspeeds.Thetheoryalsopredictstheexistenceofcosmicbackgroundradiation(theglowleftoverfromtheexplosionitself).TheBigBangTheoryreceiveditsstrongestconfirmationwhenthisradiationwasdiscoveredin1964byArnoPenziasandRobertWilson,wholaterwontheNobelPrizeforthisdiscovery.AlthoughtheBigBangTheoryiswidelyaccepted,itprobablywillneverbeproved;consequentially,leavinganumberoftough,unansweredquestions.各种宇宙理论有的天文学家不接受大爆炸宇宙论，因为它完全据现有物理学知识解释宇宙演化。甚至仅仅从物理学观点，大爆炸宇宙论也还不是一个完善的理论，它还不能说明宇宙初始点的条件，也不能有把握地预言宇宙的终结。某些天文学家认为，被用来说明宇宙膨胀的星光谱线红移可能是由于光在途中损失能量后造成的，提出疲劳光宇宙论。此外，还有人分别提出稳恒态宇宙、星系和反星系宇宙、收缩宇宙、冷宇宙等模型。况且，作为大爆炸宇宙论理论基础的物理学本身还有许多未解之谜，如，强相互作用与引力相互作用仍然没有被统一起来，原子核物理学也还没有进入夸克禁闭的大门，人类对暗物质和反物质还知之甚少。人们期待新物理学的诞生。在这种情况下，大概只能说，大爆炸宇宙论是目前最好的一种宇宙理论。寻找暗物质

光是宇宙中最重要的能量形式。人们认识到，宇宙中存在发光物质和不发光物质。在太阳系中，太阳是发光的，九大行星和它们的卫星是不发光的，但却能反射、折射或散射光。这是因为它们都是由质子、中子和电子组成的。目前人们广泛关注的是，宇宙中是否存在着不但不会发光和发射其他波长的电磁波，而且也不会反射、折射或散射光和其他波长的电磁波。如果一种物质是这样的，那我们不但不能用光学望远镜看到，也无法用射电望远镜发现。这种物质是完全透明的，没有电磁作用，我们将它称为暗物质。

Darkenergyremainsoneofnature'sdeepestpuzzles.

Atarecentmeeting,arenownedscientistdisplayedhissix-year-olddaughter'sdrawingofdarkenergy."This,"hesaidofthescribbleddrawing,"isasgoodasanyone'sguess!"Thenatureofdarkenergyremainsoneofthegreatmysteriesinallofscience.However,thesearchforcluesisfocusingonseveralpossibilities.物理学认为，在宇宙的宏观尺度中，引力是运动的主宰，物质是引力之源，不参与电磁作用的物质仍可有引力作用。在20世纪30年代，一些天文学家发现，用可见物质所产生的引力无法解释星系的存在和旋转，因而提出了存在暗物质的设想。20世纪70年代以来，暗物质的推断得到更多认同。天文学界在1998年得出的一种观测结论认为，宇宙由40%的物质和60%的隐藏能量组成，而40%的物质中，只有5%是可见物质，35%是不可见的暗物质。据此，宇宙中95%的物质和能量是看不见的。（