什么是宇宙？據(jù)中國古書上講，上下四方曰宇，古往今來曰宙，也就是說，“宇”表示空間，“宙”表示時間。現(xiàn)代科學對宇宙有了更為深刻的認識，一般稱作“時空”。

1609年，意大利著名科學家伽利略制作了一架放大倍數(shù)為32倍的小型望遠鏡，其口徑只有不到5厘米，并由此取得了很多科學發(fā)現(xiàn)。伽利略望遠鏡的出現(xiàn)結束了人類肉眼觀天的時代。雖然望遠鏡在1608年就已經(jīng)出現(xiàn)，但當時的人們只用望遠鏡來觀測距離，或者用于海上航行，并沒有人用它來觀測星空，而伽利略開創(chuàng)了人類用望遠鏡探索宇宙的新時代。同時，伽利略最早發(fā)現(xiàn)了金星有圓缺與大小的變化。

（圖2）

這是現(xiàn)代地面天文臺觀測室示意圖（圖2）。需要觀測時，人們會打開天窗；如果天氣不好時，就關閉天窗。

現(xiàn)代天文學家還把望遠鏡放到了太空。由美國宇航局研制而成的哈勃望遠鏡主鏡長2.4米。2021年，韋伯太空望遠鏡發(fā)射升空，它的主鏡口徑達6.5米，重量只有6噸左右。

（圖3）

這是太陽系示意圖（圖3）。太陽的質量占整個太陽系的99.8%。八大行星是太陽系的八個大行星，按照離太陽的距離從近到遠依次為水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。在火星和木星之間有小行星帶。在地球上，肉眼可以看到的行星有五顆——金星、木星、水星、火星、土星。

（圖4）

這是太陽系八大行星示意圖（圖4）。

天文學家為了研究方便，把太陽系八大行星分成兩大類：一類是類地行星，包括水星、金星、地球和火星，因為它們都有堅硬的巖石的地殼；另一類是巨行星，包括木星、土星、天王星和海王星，它們以氣體為主，體積非常大。2006年，國際天文學協(xié)會術語委員會正式?jīng)Q定以后不再稱冥王星為“行星”，而是稱其為“矮行星”。

太陽系中有沒有地外生命？天文學家非常關注這個問題。早在20世紀60年代，美國就發(fā)射了一些探測器，分別探訪了水星、金星、火星、木星、土星、海王星等，結果發(fā)現(xiàn)在太陽系中只有地球存在生命。研究發(fā)現(xiàn)，最早的化石形成于35億年前，也就是地球誕生后的幾億年內。通過研究人們發(fā)現(xiàn)，從細菌到人，一切生命都是因為利用了水的特殊性質才得以存活，地球表面70%以上被海水覆蓋。地球繞其自轉軸自西向東不停地旋轉。地球自轉軸簡稱地軸。地球圍繞太陽公轉時，地軸是傾斜的，其北端始終指向北極星。還有研究表明，人類起源于非洲，因為人們在非洲發(fā)現(xiàn)了最古老的人類化石。人類在不斷的勞動中創(chuàng)造、發(fā)展文明。

（圖5）

這就是地球。1972年12月7日，美國宇航局為慶祝地球日，公布了這張由阿波羅17號拍攝的地球照片（圖5）。地球的直徑約為1.3萬千米。在夜晚，人們看到滿天的星星中，大多數(shù)都是恒星。夜晚能看到的恒星，幾乎都處于銀河系內，而銀河系大約有四千億顆恒星。

（圖6）

這是大熊星座和小熊星座（圖6）。北斗七星在大熊星座。如果我們先找到了北斗七星，由斗勺的前面兩顆星向前延長五倍，我們就看到了北極星。北極星是最靠近北天極的一顆恒星。

（圖7）

全天中最亮的恒星是天狼星，它屬于大犬座（圖7）。

（圖8）

這是一張冬夜星空的照片（圖8）。人們常說“三星高照，新年來到”，是指在天黑后不久，看到這3顆星位于正南方天空的時候，新的一年就來到了。獵戶座是北半球冬季最顯著的星座之一。參宿三星指的就是獵戶座中的參宿一、參宿二和參宿三，也稱“獵戶三星”。這三顆星恰好在獵戶座的“腰部”，均勻地排成一條線。大犬座的天狼星、小犬座的南河三及獵戶座的參宿四構成一個三角形，也就是“冬季大三角”，它是冬季夜晚星空的主要景象。

（圖9）

星座只是平面投影，同一星座的不同恒星彼此相距可能極為遙遠。在這張圖（圖9）中我們可以看到獵戶座每顆星的距離是不同的，有的距離地球約500光年，有的距離地球約1500光年。

（圖10）

這張圖（圖10）展示的是一個小姑娘作為一個觀察者在仰望星空。

（圖11）

在晚上，如把照相機固定，取景框中心對準北極星附近的天空進行長時間曝光，就可以得到一張北極星附近星辰運動的照片（圖11）。這是地球自轉引起的。

（圖12）

這是三球儀的示意圖（圖12），紅色球代表太陽，黃色球代表地球，白色球代表月球。地球的強大引力拉著月球一起圍繞太陽公轉。月球離地球最近的時候只有35.7萬公里，而月球離地球最遠的時候可以達到40.6萬公里。我們熟悉的其實是平均距離，大約是38.5萬公里。

（圖13）

這張圖（圖13）向我們展示了日地平均距離。日地平均距離是1.496億千米。如果一個人步行從地球到太陽需要4267年，如果乘坐火車需要85.4年，如果坐飛機需要17.1年。以地球到太陽的平均距離為一個天文單位，一天文單位是1.496億千米。同時，“光年”也是天文學上常用的距離單位，表示光在真空中傳播一年的距離。真空中的光速（C）每秒約29.9萬千米，再乘以365天、24小時、60分鐘、60秒，通過計算就得出了一光年的距離，即9.46萬億千米。在天文學上計算星球之間的距離通常用“光年”作單位。

（圖14）

這是側看銀河系圖及銀河系俯視圖（圖14）。在銀河系俯視圖中可以看到人馬臂、獵戶臂、英仙臂、天鵝臂。銀河系直徑約10萬光年。

從宇宙的大體結構來看，地球屬于太陽系，太陽系屬于銀河系。銀河系外還有很多河外星系，仙女座星系是其中之一，這兩個星系相距較近。而相距很遠的星系彼此間的引力遠小于空間膨脹的力，這讓它們彼此背離而去。

瑞典科學家阿列紐斯是第一位提出地球上的生命起源于太空的人，他相信生命來自附著在彗星塵埃微粒上的有機體，當彗星與地球相撞時，這些小組織來到地球并形成了生命。

（圖15）

（圖16）

這是在南極發(fā)現(xiàn)的火星隕石，編號為ALH84001（圖15）?？茖W家們在對該隕石的分析中，發(fā)現(xiàn)了一些蠕蟲狀的管狀結構（圖16）。由此科學家們推測，火星早期可能有生命。

（圖17）

這就是火星（圖17）。人們把火星南北兩極都覆蓋著的白色的冠狀物叫火星極冠，極冠含有水冰和二氧化碳干冰?；鹦堑谋砻婧写罅康蔫F銹和氧化鐵，所以火星的顏色看起來是紅色的。此外，火星上還經(jīng)常發(fā)生風暴，也就是火星塵暴。

“機遇號”火星探測器于2003年7月7日發(fā)射，2004年1月25日安全著陸火星表面。“火星快車”探測器拍攝的圖像顯示火星表面疑似有河流痕跡。

中國也進行了火星探測。2020年7月23日，長征五號遙四運載火箭在中國文昌航天發(fā)射場發(fā)射升空，經(jīng)過2000多秒的飛行后，成功將中國首次火星探測任務天問一號探測器送入預定軌道，發(fā)射任務取得圓滿成功。2021年3月4日，國家航天局發(fā)布3幅由我國首次火星探測任務天問一號探測器拍攝的高清火星影像圖。2021年4月24日上午，國家航天局正式公布我國首輛火星車命名為“祝融”，全稱“祝融號”。2021年5月15日7時18分，天問一號探測器成功著陸于火星烏托邦平原南部預選著陸區(qū)，我國首次火星探測任務著陸火星取得成功。2021年5月22日10時40分，祝融號火星車安全駛離著陸平臺，到達火星表面，開始巡視探測。

（圖18）

這是南半球上方火星影像（圖18）。南半球影像由天問一號中分辨率相機于北京時間2021年3月16日拍攝，此時環(huán)繞器軌道高度約1.12萬千米。

（圖19）

這是北半球上方火星影像（圖19）。北半球影像由天問一號中分辨率相機于北京時間2021年3月18日拍攝，此時環(huán)繞器軌道高度約1.15萬千米。

很久之前，人們就開始猜測火星上是否有外星人。美國還拍攝了一部科幻電影——《火星叔叔馬丁》。斯皮爾伯格執(zhí)導影片《E.T.外星人》中也塑造了外星人形象。“外星人”的學名為“地外智慧生命”或“地外文明”，英文簡稱“ET”。1878年1月，美國得克薩斯州一位農場主馬汀在田間忽然望見空中有一個圓形碟狀的物體在飛行。1947年6月，美國聯(lián)邦警察局長凱尼恩·阿諾德駕駛飛機時，發(fā)現(xiàn)有9個閃閃發(fā)光的耀眼物體排成梯形，從他的飛機前方由北向南飛去。他的描述是，“每個飛行物都跳躍式地前進，就像水上打漂的碟子”，“估計它們的半徑為15米左右”。1954年12月，4名當?shù)厝嗽谝獯罄魑骼飴u上空看到了2個不明飛行物。1981年10月，漢納·麥克羅伯茨在加拿大溫哥華島東海岸的克勒斯灣附近拍攝了一張照片，當時他看到了附近山峰上面出現(xiàn)一處怪異的云彩，當照片沖洗出來后盤狀物體才變得清晰可見。對于不明飛行物，全人類都很好奇。但是經(jīng)過科學分析，人們否定了不明飛行物是外星人派來地球的說法。

“地外生命在哪里？他們?yōu)槭裁床辉诎讓m草坪上著陸，歡迎人類加入銀河俱樂部？”意大利物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者費米早在1939年就提出這樣的疑問?？茖W家推論，假定銀河系（約有兩三千億顆恒星）里存在智慧生命即可溝通的文明，應能夠持續(xù)約500萬年的繁衍，那就意味著銀河系里的智慧文明星球可能有500萬顆。也有的科學家認為，銀河系具有文明的星球數(shù)目可能達到2500萬顆。當然，這種推測相當粗略。

為了探索外星人是否存在，科學家們陸續(xù)派出了一些“使者”，也就是探測器。先驅者探測器上攜帶著一塊載有人類訊息的鍍金鋁板，鋁板上刻有人類男女形象。1977年，美國航天局發(fā)射了“旅行者一號”和“旅行者二號”探測器，它們各自攜帶了一張稱為“地球之音”的唱片，上面錄制了豐富的地球信息，包括世界不同民族的音樂、問候語，以及地球形狀、人體構造等。唱片還有時任聯(lián)合國秘書長庫爾特·瓦爾德海姆的問候。

（圖20）

這是木星的衛(wèi)星（圖20），叫木衛(wèi)二。木衛(wèi)二的表面有冰凍的外殼，表面的條紋是冰殼反復破裂形成的裂縫?？茖W家分析，木衛(wèi)二上可能有類似的細菌存在，當然這只是一種推測，仍需要探測器的探測。土衛(wèi)六是土星的衛(wèi)星，也叫泰坦星。土衛(wèi)六可能有巨大的甲烷湖。

用射電天文方法尋找外星人。所謂的射電，就是用無線電的方法探測遙遠的天體。美國天文學家弗蘭克·德雷克是搜尋外星人的開拓者，并寫出了著名的“德雷克公式”。阿雷西博望遠鏡修建于1963年，鏡面直徑305米，深度51米。1974年，科學家用阿雷西博天文望遠鏡發(fā)射了著名的“阿雷西博信息”，期望銀河系里有生命的天體上的智慧生命能夠收到這一信息，這是一個大膽的嘗試。如今，阿雷西博天文望遠鏡已經(jīng)坍塌。

2016年9月25日，全球最大的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）在中國貴州一處偏遠的大山深壑竣工，成為我國重大科學基礎設施工程建設史上的一座里程碑，在全球大型射電望遠鏡的建造史上創(chuàng)造了新紀錄。2020年1月11日，被譽為“中國天眼”的FAST通過國家驗收，正式開放運行。這臺500米口徑球面射電望遠鏡，世界最大、靈敏度最高，能收到100多億光年以外的電磁信號。

我們再來看弗蘭克·德雷克，他多年來領導搜尋外星人的工作，并提出了著名的“奧茲瑪計劃”和“太空多通道分析計劃”。1977年8月15日，美國俄亥俄州立大學的射電望遠鏡從人馬座方向采集到一個明顯的窄頻無線電信號，長達72秒?？茖W家非常驚訝，他們寫了“Wow”表示他們的驚訝。因為發(fā)射這樣的信號需要使用一個22億瓦的發(fā)射臺，這個發(fā)射臺比當時地球上的任何無線電發(fā)射臺都強得多。這是被發(fā)現(xiàn)的最有可能來源于地外文明的信息。

前面講到，1974年科學家用阿雷西博天文望遠鏡向銀河系發(fā)送了信息，這是為了讓外星人盡早發(fā)現(xiàn)我們，通過向太空深處發(fā)射定向無線電信號，將地球人的存在告知外星人。它的發(fā)射目標是哪里？是武仙座球狀星團M13。

（圖21）

這張圖是武仙座球狀星團M13，其中有30萬顆恒星（圖21）。

“阿雷西博信息”于1974年11月16日以2380兆赫的頻率和10赫茲的有效帶寬向球狀星團M13傳輸?？紤]到這個星團有30萬顆恒星，如果那里有智慧生命，那么向該星團發(fā)射這個信號它們應該能夠收到，整個傳輸過程持續(xù)了不到三分鐘。“阿雷西博信息”由1679位二進制數(shù)字組成。信息內容是關于地球生物的知識，包括1到10的數(shù)字、原子序數(shù)、DNA的結構、人類DNA中的堿基數(shù)目、DNA的雙螺旋形結構、地球上的人口總數(shù)、太陽系、阿雷西博天文臺射電望遠鏡的拋物面天線等等。當然，對于有沒有外星人、外星人能不能收到、收到后能不能看懂，這就是另外的問題了。

2022年，平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）正式開始其建設階段的工作，這一預計將于2028年建成的全球最大規(guī)模綜合口徑射電望遠鏡項目，被英國廣播公司稱為“21世紀最偉大的科學項目之一”，也被稱為“世界巨眼”。