一个匍匐爬行的朝圣者，将脑袋小心地伸出缀满星星的天幕，好奇地张望着，他想弄明白宇宙这个庞大的“机器”究竟是怎样运转的。这幅刊载于1888年法国天文学家弗拉马里翁撰写的科普读物《大众天文学》中的画，形象地反映了人类对探寻宇宙奥秘的渴望。
从神话中走来
与现代人对流星雨充满好奇的心情一样，周而复始的天象同样让古人感到不可思议，“盘古开天”之类有关宇宙创生和结构的古老神话也许就由此而生。圆球状的天穹、平坦广阔的大地，给人一种天圆地方的直觉，无论是公元前30～公元前40世纪生活在中东的苏美尔人、巴比伦人、伽勒底人，还是东方的古印度人，都曾把这种类似我国古代“盖天说”的宇宙结构图式奉为经典。
相对而言，“地心说”更能反映出人类思考的智慧。公元前7世纪，古希腊的欧多克斯的同心球地心说和亚里士多德的水晶球地心说先后问世。据公元2世纪托勒密的《天文学大成》一书中所记载的地心说描述：地球位于宇宙中心，日月星辰在偏心的球上绕地球转动，它们按运动周期长短依次排列，第八层是恒星，第九层则是宇宙的边界；“天”上充满透明的以太，而土水气火构成了“地”。公元13世纪，托勒密的“地心说”被罗马教会钦定为宫廷“宇宙结构学说”。我国在公元前4世纪战国时期也有过类似的地心说——浑天说：“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡子中黄”。
中世纪末，航海业得到空前发展，海员们航行观测星空所得的数据与托勒密的地心说发生了矛盾,这种矛盾的日益加剧最终催生了哥白尼的日心说。1543年，哥白尼在《天体运行论》中提出，太阳处于宇宙的中心，地球带着月球、众行星与恒星围绕太阳旋转。哥白尼的日心说给予了宗教神学致命一击，恩格斯评价说：“从此自然科学便开始从神学中解放出来……大踏步地前进了。”
虽然从地心说到日心说是科学的一大进步，但是由于哥白尼的日心说并没有完全摆脱托勒密体系，日心说对于行星运行轨迹的计算依然存在误差。16世纪后期最出色的天文观测家第谷，依据观测数据提出了一种经过修正的“地心说”：地球仍为宇宙的中心，而“水金火木土”五颗行星环绕太阳运行。第谷体系客观上虽然是人类宇宙观的倒退，但依据第谷体系计算出的行星位置却要优于哥白尼体系。这大概也是明崇祯二年（1629年）徐光启主修的《崇祯历书》展示的仍是第谷体系而不是哥白尼学说的原因吧。哥白尼学说迟至1859年清末才由数学家兼天文学家李善兰在《谈天》中介绍到我国。
宇宙是何模样
宇宙是何模样？宇宙的边界在哪里？直到17世纪初，大多数人还以为恒星层是宇宙的边界，太阳及众行星就是宇宙的全部。人类对宇宙认识的突破是在望远镜发明之后的事。
1610年，伽利略第一次用自制的望远镜发现了月亮上的环形山、木星的卫星和金星的位相。他意识到：宇宙中可能存在不同等级的天体体系。当他在望远镜里见到乳白色的银河变成了一颗颗星星时，伽利略确信宇宙恒星层的假设是完全错误的——恒星并不位于同一天球上！
人类终于迈出了太阳系。不过，要认识宇宙中更远的星系还需要更大的望远镜。1781年，天王星的发现者，英国著名的天文学家威廉•赫歇尔制造了当时最大的直径1.2米的天文望远镜。通过它，赫歇尔测量了近12万颗星，并第一次绘出了银河系图，它像一条张着血盆大嘴的怪鱼，太阳作为宇宙的中心，位于离“鱼心脏”不远的地方。
后来，随着望远镜制造水平的提高，人类对银河系的认识越来越多，范围也越来越大。起先，银河系的大小被定为4万光年，后来又扩大到30万光年，而“太阳作为宇宙中心”的概念也越发深入人心。
20世纪初，一个奇怪的现象引起了美国天文学家沙普利的注意，他发现一种叫球状星团的恒星集团都集中在天空的一侧，而不是在天空中均匀分布。这种观测结果产生了两种宇宙结构推论：要么太阳位于银河系中心、球状星团分布在银河系的某个角落；要么球状星团对称分布于银河系，它的中心就是银河系中心（银心），而太阳位于银河系边缘。沙普利大胆地选择了后者，1917年他发表了“从以太阳为中心到以银心为中心”的著名论文。人类有6000年的文明史，但直到距今90年前，才第一次把宇宙的中心从太阳挪到了银心。
那么，银河系就是人类所寻找的宇宙终极答案吗？
早在17世纪，天文学家就已观测到不少云雾状天体，有些还呈漩涡状，德国哲学家康德称这种漩涡星云为“岛宇宙”，认为这些天体属于银河系以外的世界。20世纪初，美国天文学家柯蒂斯与沙普利就为银河系大小的问题发生过激烈的争论。这场所谓的世纪之争最终被美国天文学家哈勃叫停。1925年，哈勃设法测出仙女座星云和三角座星云的距离为93万光年，这一距离大大超出了银河系的范围。银河系的“疆界”被打破了，人类跨入了一个崭新的星系世界。
宇宙是静止的吗
正当天文学家们热衷于寻找遥远的星系、测量宇宙疆界之时，一个更伟大的天文发现降临在20世纪的第29个年头。这一年，哈勃通过观测发现了“星系退行”现象。此前，几乎所有的天文学家都认为宇宙是静止的、不变的，谁能想象整个浩瀚的宇宙居然在膨胀？就连20世纪最伟大的科学家之一的爱因斯坦也概莫能外。
星系退行，就是所有星系都在远离我们，越远的星系，远离的速度也越大。这个事实意味着宇宙正在膨胀变大。而假如把远离的星系按时间轨迹倒退回去，最初的宇宙星系显然应当是聚集在一起的。
宇宙在膨胀，宇宙怎么会膨胀的呢？1948年美国物理学家伽莫夫首次提出了“宇宙大爆炸”的理论。这一理论经过不断完善成为现在标准的宇宙模型：137亿年以前，宇宙大约只有亚原子大小，可能是真空的量子起伏引发了一次大爆炸，宇宙急速地暴涨，瞬间就增大了1050倍；暴涨结束时大部分能量变成了物质，然后宇宙开始了正常的膨胀，并逐渐变冷。宇宙起初是一锅“基本粒子汤”，主要由光子、中微子和少量的电子、质子、中子组成。当温度下降到10亿开时，质子和中子结合形成了氘、氦等原子核，这大约发生在大爆炸最初的3分钟。等到了大爆炸后38万年时，宇宙已冷到3000开，这时自由电子与质子、氦核再结合成氢原子和氦原子。原子形成了，宇宙变得非常透明，光子可以自由地飞行，不再与物质发生作用，从那时起辐射与物质开始了各自的演化。今天，当年3000开的温度已冷到约3开，而原子物质则凝聚成了现在人们所看见的星系和恒星世界。
宇宙未知的追求
“宇宙大爆炸理论”得到了“星系退行”“宇宙微波背景辐射”“宇宙化学组成”的观测事实的支持，故而为天文学家所普遍接受。按照这个理论模型，宇宙经过大爆炸后会变得非常均匀，这一点天文学家已经通过观测证实。也许你会问，既然宇宙是均匀分布的，夜空中灿烂耀眼的星斗、星云、星系为何分布得如此不均匀？起初，宇宙学家同样对此困惑不解。
后经研究推测，宇宙中可能还存在着一种神秘的不可见物质——暗物质。暗物质与组成恒星、行星之类的重子物质不同，它们有种奇怪的性质，它们参与引力作用，但是不参与电磁作用（即不与光子发生作用，所以是暗的），也不参与强相互作用。当暗物质相互间因引力吸引发生收缩时，内部不会存在能够与引力相抗衡的斥力。所以，早在宇宙还很“年轻”的时候，暗物质的分布就已经变得很不均匀，其不均匀程度已经达到甚至超过了千分之一。宇宙大爆炸发生后，暗物质首先凝聚成团，后来当重子物质形成后，它们在暗物质团的引力吸引下也开始凝聚，并且越来越大，最后形成了今天宇宙中的星系和恒星世界。
那么，暗物质果真存在吗？虽然我们无法用肉眼直接观测到暗物质，但是早在1933年就有天文学家发现遥远的星系团中存在一种看不见的物质，这种物质的引力就像一只无形的手将天体约束在星系团里，不至于四散飞离。暗物质的存在后来也得到银河系转动、引力透镜、X射线、微波背景辐射等多方面科学观测实验的验证。
探索暗物质的研究方兴未艾，新的问题又接踵而来。20世纪90年代中期，遥远的超新星观测实验无意之中又有了一项惊人的发现——宇宙不仅仅在膨胀，而且在加速膨胀！众所周知，加速离不开能量的推动，这种能量源自哪里？又是如何作用的呢？因为这种能量就像暗物质一样扑朔迷离，不可捉摸，宇宙学家干脆把它命名为“暗能量”。迄今为止，科学家仍不清楚暗能量究竟为何物。回答出这个问题，将会给现代物理学体系带来一场天翻地覆的变革！
宇宙的归宿在哪里
万物有生也必有终结，物质的宇宙也不例外。今天我们的宇宙在膨胀，而且在加速膨胀，那么宇宙的终极命运会是什么呢？科学家们总结出三种可能的命运。
第一种是宇宙从膨胀变为收缩，重新回到大爆炸的最初时刻，空间、物质、能量重新挤到一起。这种“大挤压”命运在宇宙中物质太多、引力太强的情况下才会发生。
第二种是宇宙永远无限膨胀下去，星系彼此之间越来越远，最后宇宙趋向一片黑暗和冷寂。这种情况在宇宙物质太少、引力不足以阻止膨胀时才会发生。
最后一种是当宇宙中的物质不多不少，正好等于每立方米6个氢原子时，宇宙也将永远膨胀，不过膨胀将越来越慢、越来越趋近于停止却永不停止。
那么宇宙的未来究竟会走哪条路呢？前面说过，现在的物质太少，所以宇宙将永远加速膨胀下去。听到这个消息你也许会松一口气，这个命运至少比“大挤压”要好。不过，别高兴得太早，我们至今还不知道暗能量的性质，也许有一天它又会改变宇宙的状态，将膨胀变成收缩。
正如科学巨匠牛顿所说“我面前，是一片尚待发现的真理之海”，而天文学家们就是一群正在宇宙的大海中“寻找比较光滑的卵石或比较漂亮的贝壳，并以此为乐”的赶海人。
暗物质是什么
1933年，比利时天文学家兹维基发现星系团内的物质太少了，引力表明它应当还有许多物质。兹维基当时不清楚这些物质去了哪里，就称它为“隐匿物质”。
20世纪80年代以后，越来越多的观测都表明，宇宙中确实存在一种看不见的物质，这些物质并没有失踪，只是不发光而已，后来这种物质被科学家称为“暗物质”。暗物质约占物质总数的85％。暗物质是什么，现在并不很清楚，至少有两种可能。一是重子物质，如死亡的中子星、黑洞，以及个子很小的褐矮星等，它们不再发光，据估计这种暗物质不会超过暗物质总量的20%。二是质量很大、与其他粒子相互作用很弱的粒子，而且大多数的运动速度很慢，所以我们称它们为“冷暗物质”，冷暗物质粒子是什么粒子现在还不为人知，科学家比较倾向于它们是一种超对称的粒子，质量约为质子的20～100倍。