一、演化着的宇宙

    宇宙有没有起源和终结，它是永恒的还是演化的，各种文明都有自己的解释。在中国有盘古开天地的传说，在西方有上帝创造宇宙的传说。在很长的一个历史时期中，“天不变，道亦不变”的宇宙观由于符合封建统治者的利益而得到广泛传播。17世纪以后，各门自然科学的飞速发展，不断冲击着这一僵化自然观的统治地位。直到20世纪，以众多观测事实为依据的科学的宇宙起源和演化理论才正式宣告诞生。

    20世纪20年代以后，天文观测发现银河系以外的天体都在远离我们而去，这说明宇宙是膨胀的。美国天文学家哈勃总结后退的速度与距离的关系，距离越远后退的速度越快，这就是哈勃常数。据推测，宇宙在150亿—200亿年以前半径为零。这就是说宇宙由于某种原因，在150亿—200亿年前发生了一次大爆炸，开始形成。60年代发现的类星体，认为是宇宙早期天体，它们处于宇宙的边缘。它们的距离大约在150亿—200亿光年。

    早在20世纪30年代初期，有人根据大爆炸理论计算出，大爆炸后最初几分钟，宇宙就像一颗氢弹爆炸时产生的火球，处处充满了温度高达1.0×109K的光辐射。随着宇宙的膨胀，辐射温度不断降低。作为这种过程的遗迹，当时宇宙中应存在温度约为5 K的背景黑体辐射（由于这种辐射的峰值波长在1 mm附近，处于微波波段，故又称为微波背景辐射）。60年代中期，美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊，发现全天各方向都有相当于2.7 K的微波辐射。30年前是用宇宙半径为100亿光年计算的宇宙平均温度为5 K，若用150亿光年计算，与2.7 K更接近。这个结果有力地支持了宇宙大爆炸理论。

    宇宙是否要永远地膨胀下去？有的科学家认为目前宇宙的平均密度还未达到宇宙的临界密度，宇宙可能要继续膨胀下去；有的科学家认为宇宙中有大量的隐物质，如看不见的暗星云和黑洞等，加上这些物质，宇宙的平均密度就要比临界密度大多了。宇宙迟早会收缩，这样的宇宙是一个脉动的宇宙，膨胀、收缩、再膨胀、再收缩，周而复始地继续下去。

二、天文学与人类

    远古时代，游牧民族逐水草而迁徙需要辨别方向，农业民族按时令播种需要确定季节。在年复一年的长期实践中，他们逐渐发现了这些影响自己生活的大事与日月星辰等天文现象之间的密切关系。巴比伦的泥碑、埃及的金字塔、中国殷墟的甲骨文里，都留下了天文学诞生时期的丰富例证。在以后几千年的发展进程中，天文学对人类文明的进步一直作出巨大贡献。16世纪哥白尼的日心说使自然科学第一次从中世纪神学的桎梏下解放出来。17世纪伽利略、牛顿为研究太阳系天体运动规律而建立的经典力学体系，至今仍是现代工程学（包括宇航科学）的基础。20世纪30年代对太阳和恒星内部结构和能源的研究导致了热核聚变的概念，为人类利用核能提供了依据。特别是近半个世纪以来，人类探索宇宙的热情有力地推动了遥测遥控、空间技术、计算机等一系列高新技术的发展，并使之直接服务于全球通讯、资源调查、气象预报等国民经济部门，而这些技术在天文上的应用则使人们对宇宙的认识突飞猛进，第一次有可能用统一的原理来说明从基本粒子到化学元素、从星系到恒星、从太阳到地球、从原生物到人的长达上百亿年的演化史。

三、地球生命和地外文明

    这个问题使许多人感兴趣，并引起了许多科学幻想的故事，然而在这个问题上至今还有许多谜。

    地球上的生命之所以产生，是因为地球在太阳系中特殊的位置和太阳长时间稳定造成的，主要包括以下条件。

1.有必要的物质组成，即能合成有机物的碳、氢、氧、氮等元素。

2.生命需要适中的光和热。温度过高，碳原子的化学键被破坏；温度过低，又会使生命过程停顿。

3.有液态的水，这是生物体绝对不可缺少的组成部分。

4.有大气。大气有三个作用：一是大气通过紫外线照射和电火花合成有机物；二是保护生命安全不受陨石和宇宙射线损伤；三是保持地球表面的温度。

5.以上条件能够维持很长时间，使生命有一个产生、发展、进化的过程。

    以上条件目前只有地球才能满足。

    生命是宇宙物质最高级和最复杂的运动形式，是物质在一定条件下演化的产物。从这一点来看，生命在宇宙中具有普遍性。那么宇宙中哪些地方可能会有生命呢？宇宙中每天有许多恒星诞生。据推算，在目前已知的宇宙范围内，每年就有可能诞生30多万颗新的恒星。在这30多万颗恒星中，带有行星的恒星会有多少呢？一种看法认为，行星是由两颗恒星相碰，甩出来的物质经冷凝而成的。如果是这样，生命就不可能出现。因为恒星间距离遥远，彼此间碰撞的机会极少。另一种看法认为，太阳、行星、小行星和彗星都是同一块星云形成的。当这块星云冷凝时，极大部分物质聚集在中心形成太阳，剩下部分形成扁平的盘状体环绕着太阳。圆盘中的小颗粒彼此碰撞聚集在一起，形成了行星和卫星。如果是这样，银河系中除双星和聚星外，大约有1000亿颗恒星是带有行星的。整个宇宙中带有行星的恒星，数目将是十分可观的。这样，宇宙中可能有生命的地方就很多了。从太阳系来看，生命只出现在地球上，这说明恒星的周围可能会有一个生命带。在这里温度既不太高又不太低，适合于水的存在。小质量的恒星，这个带会很窄；大质量的恒星，这个带可能较宽。地球上形成现在这个文明社会，已经经历了将近50亿年，小质量的恒星和大质量的恒星都不会有那么长的稳定期。只有像太阳这样，温度、大小都合适，才能提供良好的条件，使生命在其生命带的行星上出现。由此可知，要在宇宙中寻觅知音，应该去找发出的能量既不太大又不太小的单颗恒星。对行星来说也要找质量不要太大也不能太小，距离恒星要适中的行星。行星的运行轨道近似圆形，这样它的环境不至于变化太大。

四、太阳能的利用

    太阳的核聚变反应 在太阳核心内部进行着4个氢原子核（质子）聚变成1个氦原子核（α）粒子的过程，同时放出大量的能。要想使带正电的氢原子核有足够的动能克服它们之间的斥力而结合，必须有高温、高压的核反应条件。太阳内部有0.15亿K的高温、2.5×106 Pa的大气压，氢核聚变成氦核是可以做到的。形成氦核以后，若要再继续聚变，则要求有更高的温度和压力条件，但太阳内部的这个条件就不够了。

    太阳内部的聚变反应有两种类型，一种是不经过任何媒质直接反应，叫质子—质子反应，聚变以这种反应为主；另一种是通过媒质碳起催化作用，叫碳—氮原子循环。无论是哪种类型都是4个质子变成1个氦原子。在这个过程中释放出大量的原子核能。据计算，聚变反应可以维持太阳辐射的时间为百亿年。

    太阳能利用方式主要有太阳能的热利用和太阳能光电利用两种方式。

（一）太阳能热利用。将太阳能转换为热能后使用。实现转换的器件为集热器。由于利用的目的不同，集热器及其匹配系统各不相同。

1.太阳灶从原理和结构上大致分为三类：箱式太阳灶、聚光太阳灶、热管式太阳灶。我国是推广应用太阳灶最多的国家，尤其是在太阳能丰富而能源短缺的地区，很受农牧民欢迎。

2.太阳能热水器是太阳能热利用中具有代表性的一种装置，供应生活用或工农业用的低温（40—60 ℃）热水。

3.太阳能干燥器是利用太阳能干燥农副产品的一种装置。

4.太阳房是利用太阳能采暖和降温的房子。又分被动太阳房和主动太阳房。被动太阳房是指完全依靠建筑结构本身的吸热、隔热、保温和通风特性，不需要安装特殊的动力设备，即可利用太阳能达到夏凉冬暖的房屋。主动太阳房一般由集热器、传热流体、蓄热器、控制系统及适当的辅助能源系统构成。它需要热交换器、水泵和风机等设备。这种太阳房造价较高，但室温能主动控制。

5.太阳能发电利用集热器把太阳辐射能变成热能，然后通过汽轮机、发电机来发电。又可分为高温发电和低温发电两大类。

（二）太阳能光电利用指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，通常称“光生伏打效应”。

1.近年来一些发达国家先后建立起太阳能光发电站。

2.太阳能电池又有单晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池之分。

五、载人飞船、航天站和航天飞机

    载人飞船是能保证航天员在外层空间生活和工作，以执行航天任务并返回地面的航天器，也称为宇宙飞船。它是运行时间有限，仅能一次使用的返回型载人航天器。1961年原苏联发射了第一艘“东方”号飞船。航天站是可供多名航天员巡访、长期工作和居住的载人航天器，又称空间站或轨道站。在航天站运行期间，航天员的替换和物资设备的补充可以由载人飞船或航天飞机运送，物资运输设备也可由无人航天器运送。1971年，原苏联发射了世界上第一个航天站——“礼炮”1号航天站。航天飞机是可以重复使用的、往返于地球表面和近地轨道之间运送有效载荷的飞行器。在轨道上运行时可在机载有效载荷和成员的配合下完成多种任务。航天飞机通常设计成火箭推进的飞机，返回地面时能像滑翔机或飞机那样下滑和着陆。它的特点是可以多次重复使用，发射成本较低和用途广泛。1981年4月，美国成功地发射了世界第一架航天飞机——“哥伦比亚”号。

    人类发射的空间探测器举例

    “火星”号探测器是前苏联行星和星际探测器系列，主要任务是探测火星和它周围的空间。从1962年11月到1973年8月共发射7个，其中2个探测器的轨道舱飞越火星，2个探测器的轨道舱越过火星后进入日心轨道，另外3个探测器的轨道舱进入绕火星轨道，成为人造火星卫星。探测器的一个着陆舱落到火星表面，2个着陆舱在火星表面软着陆。“火星”号探测器由轨道舱和着陆舱组成，轨道舱内为探测器的主要系统和设备，着陆舱有逼近火星飞行时探测火星的科学仪器。探测器在发射过程中测量地球外大气层，在向火星飞行中探测行星际空间环境，在到达火星附近时，从不同高度观测火星表面。探测器在火星表面软着陆后，测量火星表面的化学和物理特性，向地球发回火星的电视图像。

    “阿波罗”工程也称“阿波罗”计划，是美国于20世纪60—70年代初组织实施的载人登月工程。这一工程的目的是实现载人登月飞行和人对月球的实地考察，为载人行星飞行和探测进行技术准备。它是世界航天史上具有划时代意义的一项成就。工程开始于1961年5月，至1972年12月第6次登月成功结束，历时约11年，耗资255亿美元。在工程高峰时期，参加工程的有2万家企业、200多所大学和80多个科研机构，总人数超过30万人。整个“阿波罗”工程包括：（1）确定登月方案；（2）为登月飞行作准备的4项辅助计划（第一，“徘徊者”号探测器计划，共发射9个探测器，在不同的月球轨道上拍摄月球表面状况照片近2万张，以了解在月面着陆的可能性。第二，“勘测者”号探测器计划，共发射5个自动探测器在月球表面软着陆，通过电视发回8.6万张月面照片。第三，“月球轨道环行器”计划，共发射3个绕月飞行的探测器，对40多个预选着陆区拍摄高分辨率照片，获得1000多张小比例尺高清晰度的月面照片，据此选出约10个预计的登月点。第四，“双子星座”号飞船计划，先后发射10艘各载2名宇航员的飞船，进行医学生物学研究和操纵飞船机动飞行、对接和进行舱外活动的训练。）；（3）研制“土星”号运载火箭（用于发射“阿波罗”号飞船）；（4）进行试验飞行；（5）研制“阿波罗”号飞船；（6）实现载人登月飞行。

    “天空实验室”是美国第一个实验性航天站。1973年5月14日发射，进入离地面 435 km 的近圆轨道。“天空实验室”共接待3批航天员，每批3人，在航天站内分别工作了28天、59天和84天。用58种仪器进行了270多项天文、地理、遥感、宇宙生物学和航天医学试验研究。重要的项目有：用太阳望远镜观测太阳并拍摄了18万张太阳活动的照片；用6种遥感仪器对地球进行了观测，共拍摄了4万多张地面照片；用7种仪器研究太阳系和银河系的情况；用特殊的医疗器械研究长期失重对人体生理的影响；还进行了失重条件下材料加工试验。

    “哥伦比亚”号航天飞机是第一架成功实现近地轨道飞行的美国航天飞机。1981年4月12日首次试飞，在轨道上运行54小时后安全着陆。到1984年10月共飞行5次。航天飞机为人类自由进出宇宙空间提供了很好的工具，是航天史上的一个重要的里程碑。

六、生命在宇宙中普遍存在吗？

    “机遇”号传回火星土壤显微照片，显示火星曾经存在液态水的迹象。

    只要有水，怎样恶劣的环境条件下都有可能产生和存在生命。

    假如火星上存在生命，则太阳系之外的行星同样可以存在生命。

    2004年1月30日，美国宇航局宣布，“机遇”号火星车在其着陆点附近已发现火星曾经有水存在的初步证据，暗示这个红色星球上从前比现在更“湿润”，适合于生物的生存。负责火星探测项目的主任泰辛格说，“机遇”号在其着陆点附近发现了赤铁矿存在的线索，而这种矿物通常只在有液态水的环境下生成。

    这是对火星探测的一次重大突破。有液态水存在，就有演化出生命的可能。英国《新科学家》甚至怀疑，美国人或许已经在火星表面找到了生命，只是不愿公布而已。他们这么怀疑的理由是：美国人在公布出来的火星照片中，“故意”把其中的绿色成分隐去了。

    火星上真的有生命存在吗？严肃的科学家会考虑到火星上恶劣的环境：火星比地球要冷得多，以至于二氧化碳都会结成干冰；火星的大气稀薄，且成分跟地球完全不一样；火星表面处于强宇宙射线笼罩之下；火星上目前没有液态水。

    这些都是生命存在的极端条件。实际上，在对地球上同样恶劣的环境进行研究后，科学家已经发现，这些地方依然存在着生物。生命的顽强，远远超出人们的想象之外。

七、冷热不是问题

    在过去20年中，科学家开始研究南极等雪地上的生态环境，研究这些看上去不可能有生命的地方的甲烷、二氧化碳含量。直到最近，研究者还认为在类似雪地的低温冻土环境中，一切新陈代谢都理应停止进行。

    然而2003年9月，一个日本科研小组发现了富士山覆盖白雪的山顶上有着数量丰富的各种微生物。这第一次证明了雪覆盖的地表拥有异常活跃的生态环境。让人不解的是，冬季，这里单位面积上的微生物总量要比夏季高出三倍之多，微生物在冬季达到最为活跃的程度。

    “一些种类的微生物在-20 ℃以下的极冷环境下表现还很活跃，它们被称为嗜冷微生物。”国内最早研究极端环境下生物生长情况的科学家周培瑾告诉本刊记者，“即使在南极冰川的地表深处，微生物同样可以生长得很好。”

    也有不怕热的生物。1977年，海洋生物学家在海底火山口附近发现了生物，尽管火山口水温高达350 ℃，周围生命却依然生机勃勃。在火山附近的热水中生活着巨蛤、贻贝还有孔线虫和其他一些说不出名的生物，它们不需要阳光，仅仅依靠海水中的硫化物作为能量。海底火山口附近还有一些较高级的动物，如虾、蟹等，它们能在极端恶劣条件下生存、繁衍，连科学家都感到惊讶。

    另一种极端情况是，甚至在热核反应堆中也可以找到生命。

    “超热微生物可以生活在130 ℃以上的高温环境下。在这样的温度环境中，它们的蛋白质也不会变性（也就是不会被煮熟）。”周培瑾介绍说。其实，对于这些动物而言，极端的条件也许正是它们的天堂。

八、黑暗中的生命

    许多生命不惧黑暗，它们可以生活在没有一丝阳光的深海底，也可以生活在地球深层的岩石中，忍受高温和高压。

    科学家在美国爱达荷州200米的地下发现了一些微小的能产生甲烷的细菌，它们以氢为食物，喷出甲烷。和人们以前所知的地球生物不同，它们几乎不需要普通生物所需的营养成分，也不需要阳光和氧气，地下温泉周围含氢的岩石就是它们的乐土，这些细菌构成了生态系统的最底层。科学家认为，这种产甲烷的细菌属于一种古老的细菌群体，适于在极端的环境中生存。

    其实，原始的生命可能就是不需要阳光的。中国科学家在长城附近采集的矿石标本中，找到了距今14亿年前的海底原始生命的遗迹。这些细菌不但可以适应高温、高压、没有阳光和缺乏氧气的极端环境，而且可能借助火山活动喷发的硫化氢等物质，把对普通生命有毒的气体转化为养分。

九、水是唯一必要条件？

    顽强的生命在地球上几乎无处不在，包括充满紫外线的大气上界和高压作用下的岩石圈中。假如其他星球具有类似地球上这样的极限环境，就可能找到相似的微生物生命体。生物学家进行极端环境下微生物群生态系统的研究，就是希望能对外星生命的探寻有所借鉴。

    “就现在看来，水是生命存在的唯一必要条件。”周培瑾说，“而且从理论上说，一个存在液态水的星球，只要给出足够长的发展时间，就有可能演化出生命。”

    基于此，现在初步发现曾经存在过液态水的火星上，存在生命的可能性当然比较大，因为其“极端性”并没有超出上述范围。另一颗更有希望存在生命的太阳系内星球是木卫二，这颗叫做欧罗巴的卫星表面温度是-162 ℃，终年结冰，但科学家推测，因其围绕木星高速旋转，潮涨潮落所产生的巨大热能足以使冰层下出现液态海洋（与地球南极发现的冰下隐形湖相似），冰下海洋如果有类似地球海底火山的喷发（这种可能性极大），就具备产生生命的条件。

    “研究火星，最重要的意义在于解决宇宙中生命的起源和演化（由低级到高级、由高级到文明、由文明到科技）是不是普遍规律。目前只知道地球上有生命，还不知道另外任何一个天体上有。如果火星上有生命，那么在太阳系中除了地球，还有另外的星球有过或者曾经有过生命，则太阳系之外别的星球也可能会有，这就说明生命的起源与发展在宇宙中更接近于普遍规律。”国内著名天文学家李竞这样告诉记者。

    换言之，如果这一次美国探测火星的科学家能给出确切的答案，即火星上有水，并且有生命存在的迹象，那就可以间接证明，生命在宇宙中同样普遍存在；过去悬而未决的很多谜团，这一次可以得出确切的结论。