1.探索宇宙的诞生
宇宙
广阔宇宙从何而来，这是一个从古至今都吸引人研究的问题。远古时期，我国就流传着盘古开天辟地的故事；西方则创造了一个“上帝”。《圣经》中是这样记载的，上帝用说话的方式要来了天地万物、光明和黑暗。因为在古代的时候，人们一遇到解释不了的一些奇怪自然现象的时候，可能就会编出一些神话用事，借助神灵的威力，这一点也是能够理解的。
时间过去了几千年，历史前进到了现在，关于宇宙的模型也有了好几个蕴藏着科学内涵的说法，其中影响最大的就是“大爆炸宇宙学”，它也可以解释许多的观测事实。这个理论的内涵就是，认为“我们的宇宙”——“观测到的宇宙”曾经有过一段从热到冷的演化史。在这一段时间里，宇宙体系在持续膨胀着，物质密度也可能会从密到疏进行演化。事实上，这一由热至冷、由密至疏的过程就像一次庞大规模的爆炸。
它的具体操作过程，能够这样来理解：宇宙早期，如同一个“原始火球”，它具有100亿度以上的高温和很大的密度。就是由于高温，“原始火球”非常不稳定，大概是在200亿年前，它爆炸了，于是整个体系迅速膨胀着。宇宙之中实际上充满了中子、质子、电子、光子和中微子等这些基本形态的物质。膨胀始终在继续，但温度能够快速地降下来。
只要短短几分钟，温度就可以下降10亿度左右，这时中子就会失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么和质子结合成重氢、氦等元素，宇宙中的化学元素就是从此时开始形成的；等温度下降至1OO万度后，早期形成化学元素的过程暂时结束；降至几千度时，爆炸产生的强烈辐射继续衰退，宇宙间遍布气态物质。最后，气体慢慢凝聚成气云，接着演化成各不相同的恒星体系，直到我们今天看到的宇宙。
在现实中，有人模仿按比例尺画地图的样子，把过去的近200亿年的宇宙演化历程浓缩到一年中，得出一个非常直观和有趣的“宇宙日历”：1月10日，大爆炸，宇宙诞生；5月1日，浩瀚的银河系诞生；9月9日，太阳系问世；9月14日，地球形成。9月24日，地球上原始生命出现；11月12日，绿色植物破土而出；12月26日，更高级的哺乳动物来到了这个世界。12月31日0时22分30秒，原始人类站在地球上；23分46秒，北京猿人开始用火；23分59秒，中国历史延续到春秋……宋代；24分，全球进入了迄今仍在继续的现代化社会……从上述列表中我们能够看出；人类历史其实就是宇宙岁月中非常短暂的一瞬间。
宇宙的形成果真是这样的吗？现在，没有人能够给出肯定的答复，可是比起其他宇宙模型的观点来，大爆炸宇宙学是的确可以很好地解释人们知道的神奇的宇宙现象，以下我们就来看看这些事实：据现在观测到的宇宙间所有的天体年龄都没有发现超过或者等于200亿年的，原因就是它们都诞生在宇宙温度快速下降之后，太阳只不过是50亿年前的产物。
相关观测还发现，很多星系的光谱事实上都有“红移”现象。天文学家们了解，若发光体朝着离开我们的方向运动之时，人们接收到的光谱线就会移到红色的这一端。星系光谱的红移也就意味着它们是在远离我们而去，或者说它们正在退行。所谓退行，其实就是说明宇宙正在膨胀，这就像一个气球上的各点，在吹气球的时候各点的距离会因气球胀大而增大是一个道理。在1929年的时候，美国天文学家哈勃（EdwinPowellHubble，1889～1953）了解到星系退行的速度和离人类的距离是成正比的，也就是说距离越远，退行速度也越快。人们把这个规律称作“哈勃定律”。
而第三个事实就是，天文学家们得出结论，在各不相同的天体上，氦的含量都很大，比例也差不多一样，大概占30%。如果单靠恒星本身的核反应机制是不足以说明为什么会有这么多氦的，而“大爆炸”早期的高温，却可以很好地解释这一点。
另外一点，大爆炸理论的提出人之一，原苏联科学家伽莫夫（1909～1968）曾经预言，今天的宇宙很冷，只有绝对温度几度。在1965年的时候，这个预言被证明了，美国的科学家发现了漫布于整个空间的“微波背景辐射”，它的温度大概是3K，它们研究得出的这个结果在定性上和定量上都和大爆炸宇宙理论相符合。
但是，大爆炸理论也是有局限性的，宇宙中还有很多疑问解答不了。如，让天文学家们着迷了17年之久的宇宙膨胀。这种“砰”然一声后的自我膨胀将会有一个什么结果呢？是膨胀到一定程度时，天体间的引力使它停止，然后收缩、升温又回到“原始火球”，再爆炸？还是出现一个在扩张和崩溃之间实现临界平衡的宇宙？或者最终导致一个具有“负曲线”和无限未来的宇宙呢？又如，上面理论的提出和观测到的事实都是建立在“我们看到的宇宙”，也就是“总星系”中的，这就是所谓狭义的宇宙，是“我们的宇宙”。除此之外，那个更为广阔的空间又是何种模样？这又是一个疑问了。
2.宇宙的大爆炸学说
在现实中，人们是依据什么推测出曾经可能有过宇宙大爆炸呢？这主要就是依赖天文学的观测与研究。我们的太阳不过是银河系中的一两千亿个恒星中的一个。就如我们银河系同类的恒星系——数不计数的河外星系。在观测的过程中，我们发现了那些遥远的星系都在远离我们而去，距离我们越遥远的星系，飞离的速度也就越快，所以就形成了现在膨胀的宇宙。
针对这一点，人们开始思考，假如把这些向四面八方远离中的星系运动反过来看，它们可能当初是从同一源头发射出去的，是否在宇宙之初发生过一次难以想象的宇宙大爆炸呢？以后，人们接着又观测到了布满宇宙的微波背景辐射，这说明大概在137亿年前宇宙大爆炸所产生的余波尽管是微弱的但的确是有的。这一发现对宇宙大爆炸论是个重要的支持。
对于现代宇宙学来说，宇宙大爆炸论是它的重要流派，它可以很到位地解释宇宙中的某些基本问题。尽管宇宙大爆炸理论在20世纪40年代才提出，但是20年代以来就有了萌芽。在20年代的时候，很多天文学者都观测到一个现象，不少河外星系的光谱线和地球上同种元素的光谱线对比，都会有不同地波长变化，也就是红移现象。
直到1929年，美国的天文学家哈勃发表结论总结：星系谱线红移星与星系和地球之间的距离成正比的规律。在他的这一理论中，他指出：假如认为谱线红移是多普勒效应的结果，那么就表示河外星系都在离开我们向远方行走，并且距离越远的星系飞离我们的速度越快。总结来说，这就像是一幅宇宙膨胀的图像。
时间来到了1932年，勒梅特第一次提出了现代宇宙大爆炸理论：整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了我们的宇宙。美籍苏联著名天体物理学家伽莫夫首次把广义相对论加入到宇宙理论中，他提出了热大爆炸宇宙学模型：最开始的时候，宇宙源自高温、高密度的原始物质，刚开始的温度甚至达到几十亿度，但随后温度开始持续下降，于是宇宙就开始膨胀。
就宇宙的形成来说，大爆炸理论是其中比较有影响力的一种说法，这一理论起源于20世纪20年代，在40年代得到补充和发展，不过始终都少为人知。直至40年代伽莫夫等人又郑重地提出了宇宙大爆炸理论。这个理论的观点是，宇宙在远古时期曾处于一种超高温和超密度的状态，人们将这个状态形象地称之为“原始火球”。
这里所说的“原始火球”实际只是一个非常小的点，如今的宇宙也一直在继续膨胀，也就是无限大，也许在宇宙爆炸的能量散发至最大限度之时，它就会变成一个原始火焰也就是无限小的点以后，火球爆炸，宇宙就持续膨胀，物质密度惭渐变稀，温度也逐渐降低，直到现在的状态。从这一理论中，就能够说明河外天体的谱线红移现象，同时还可能圆满地解释多数天体物理学问题。在50年代初期，很多人才开始广泛关注这一理论。
到了60年代，科学家彭齐亚斯和威尔逊又找到了宇宙大爆炸理论的最新的证据，他们了解到了宇宙背景辐射，此后他们证实宇宙背景辐射是宇宙大爆炸时留下的遗迹，据此为宇宙大爆炸理论找到了关键的依据。两位科学家在测定银晕气体射电强度时，在大约7.35cm波长处，意外地探测到一个微波噪声。并且无论天线转到什么，不管白天黑夜、春夏秋冬，这种神秘的噪声在什么时候都能保持稳定。大约相当于三K摄氏度的黑体发出的辐射。这个意外发现使天文学家们格外激动，这跟他们的预料：当年宇宙大爆炸后，到现在一定会留下点什么，每一个阶段的平衡状态，都必须有一个相应的等效温度，作为时间前进的声响。这两位科学家最后也凭借这一点斩获1978年的诺贝尔物理学奖。
可以说，在科学家霍金身上，20世纪科学的智慧和毅力得淋漓尽致的体现。他对于宇宙起源后10～43秒以来的宇宙演化图景作了清晰的阐释：宇宙的起源，最早是比原子更小的奇点，然后就是大爆炸。在大爆炸之后聚集的能量形成了一些基本粒子，这种粒子在强大的能量的作用下，慢慢形成了宇宙中的各种物质。
至此，大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。但是，现代的宇宙大爆炸理论依然缺乏大量实验的支持，并且我们还不知道宇宙开始爆炸和爆炸前的图景。
3.宇宙的大小和结构
宇宙的多维空间
从量天尺看宇宙的大小
要想聊宇宙航行这一话题，首先必须要了解宇宙。宇宙是什么？按古人的注解就是空间和时间的总和，假如用现代物理学解释就是四维时空（三维空间加一维时间）。
所谓时空，其实就是在物质的变化和运动中体现出来的。现代宇宙观认为，宇宙是在100～200亿年前的一次大爆炸中诞生的，并且随之诞生了时间、空间和物质。其实，爱因斯坦广义相对论就是研究时间、空间和物质之间相互关系的学说。他得出了这样的结论：物质能够使时空弯曲、且弯曲时空告诉物质怎样运动。
宇宙包容万象，内涵极为丰富，这里无法说清其万一，仅就与宇宙航行密不可分的宇宙的大小、宇宙的结构和宇宙的形状稍作说明。但是，宇宙的大小可以说始终是一个说不清楚的、令人茫然的问题。为了便于大家理解，我们不妨从科学家订立的“量天尺”来看宇宙的大小。
在地球上，人类通常会用“千米”来测量距离和长度，从北京到上海的航线距离是1178千米，地球的半径是6378千米。但是，离开地球到太阳系空间，“千米”这把尺子用起来就非常不方便，比如冥王星到太阳的平均距离是5900224000千米，以彗星活动范围计算太阳系的半径是34410000000000千米，这的确就是个天文数字。在这种情况下，科学家不得不采用另一把尺子来量天，称之为“天文单位”，他的计数方法是以地球到太阳的平均距离149600000千米为1天文单位。这样一算，得出冥王星至太阳的距离是39.44天文单位，另外，如果以彗星的活动范围计算出来的太阳系半径是23万天文单位。
不过，冲出太阳系来到银河系的地盘，“天文单位”这把尺子用起来就没有那么方便了，比如离太阳最近的恒星比邻星的距离大概也有约265600天文单位，而银河系的直径达6324000万天文单位。在这种情况下，科学家只得又启用一把新的量天尺，叫做“光年”，也就是说光行进1年的距离。大家应该都了解，光行进的速度是30万千米/秒，那么，1光年的距离大约是94608亿千米或63240天文单位。按照光年来计算，太阳与比邻星的距离是4.2光年，银河系的直径大约是10万光年。
那么，如果用光年来计算，宇宙的尺度究竟是有多大？现在还没有人能准确地说出来，但是如果从理论上来说，我们假设宇宙是在100～200亿年前的大爆炸中诞生的，空间从零以光速扩展，而光是以球形传播的。那么，今天的宇宙半径尺度应该是100～200亿光年。但现实情况是不是真是这样，还不得而知。
泡沫状结构宇宙
上路开车，必须要先熟悉路况；在江河湖海上航行，必须要先了解航线情况；同样的，宇宙航行也一样要先了解宇宙中物质的分布状况。
据相关研究显示，在宇宙大爆炸中形成的物质，主要是氢和氦，它们一般弥漫在宇宙中。随着宇宙的膨胀和温度的渐渐降低，在重力作用下收缩成一大团一大团氢氦云。重力作用下的持续收缩，大云团慢慢分裂成很小的云团，物质密度渐渐增加，云团因相互之间的重力作用而旋转。就这样，通常持续的分裂——收缩，在氢氦云团的内部，因为物质重力作用的相互挤压，温度不断升高，当温度升高到能使氢发生聚变反应时，它就变成一颗恒星。个别恒星在空中旋转甩出一些物质，并逐渐集合成行星和卫星。我们能够看到的宇宙中的可见物质，就包括这些恒星，及由它演变而来的其他天体，比如黑洞等。天长日久，宇宙中的物质经过发展，就会形成宇宙的这种泡沫状大结构。