序 言位于索诺兰沙漠中霍普金斯山上的望远镜虽不是世界上口径最大和最 先进的， 但在哈佛—施密松天体物理中心 （H a r v a r d —S m i t h s o n i a n C e n t e r f o r A s t r o p h y s i c s ，以下简称 C f A ）工作的我的同事们，却用它对了解宇宙 的性质和历史做出了重要的贡献他们的工作为天文学家们了解宇宙的结 构开辟了一条捷径自从我们的祖先第一次仰观夜空以来，宇宙结构这一 千古之谜一直困扰着人们 赫克拉（J o h n H u c h r a ）是搜寻星系的杰出天文学家之一赫克拉观测 到的大多数星系只不过是些小光斑，但他仍在设法求出这些星系之间的关 系：将所观测到的每个星系画在一张图上，慢慢地就揭示出了在邻近我们 的宇宙中可见物质分布的情况 赫克拉和他的合作者盖勒女士（M a r g a r e t G e l l e r ）是不同性格的两个 人，但他们合作得很好赫克拉热衷于观测，而盖勒则在计划安排和数据 分析方面见长他们的工作对于了解宇宙大尺度结构有着本质上的影响 在盖勒未参加赫克拉的工作以前，所获得的一些星系在空间的分布图都未 能提供可信的结果。
盖勒建议用一种新的方式来绘制宇宙结构图——巡查 一个几度宽但长度超过全天球 1 / 4 的狭长天区她相信这种巡天方式将能 以最快的速度揭示出在近邻宇宙中星系分布的情况 赫克拉和盖勒指定研究生拉普兰特（V a l e r i e d e L a p p e r a n t ）绘制每个 新观测结果，将此工作做为她博士论文的一部分赫克拉主要致力于完成 观测任务，但盖勒为什么对赫克拉收集到的数据没有足够的兴趣亲自处理 呢？ 据我所知，情况是这样的：前苏联科学家泽多维奇（Я. Б. Z e Λъд o B ИЧ）曾提出过一幅星系形成的画卷：物质首先坍缩成一个巨大的“薄 饼”，然后薄饼碎裂成我们今天观测到的星系所观测到的星系在空间分 布的情形应当提供那些原始薄饼存在的证据但盖勒的导师、普林斯顿大 学的皮伯斯（J i m P e e b l e s ）则提出另一幅图像：星系首先形成，然后集聚 成为较大的集团盖勒对于星系的统计研究使她相信导师的学说是正确 的她认为 C f A 巡天的结果一定会用证明宇宙确实没有大尺度结构来“炸 毁”巨大薄饼学说的“气泡”因此，从赫克拉经常拜访霍普金斯山的 6 个月内所收集到的数据中看到 C f A 巡天所揭示出的宇宙结构的第一个人是 拉普兰特而不是盖勒。
当拉普兰特向赫克拉报告所得结果时，赫克拉回忆 起他当时的第一个反应就是惊疑地认为他和他的同事们所做的事错了 C f A 巡天发现了较暗淡的其中有些是更远的星系（因为显得暗淡的星 系不是星系本身不太明亮就是它离我们较远）由于所观测的星系局限在 跨越天空的一个小狭长区域内，故这次巡天比以前的 C f A 巡天所得星系的 数目要少一多半但却得出了一个“炮弹壳”，这就是说，巡天结果显示该狭长天区内存在着空洞，星系大都分布在这些巨洞的薄壳上最大空洞 的轮廓显得很清晰无疑，这一观测事实与皮伯斯学说所预期的由于引力 作用而产生的星系成团现象一致 当拉普兰特、盖勒和赫克拉在 1 9 8 6 年发表他们的发现时，①“气泡结构”引起了一些轰动早期研究已有过星系的分布形成大薄片和空洞的征 兆，第二次 C f A 巡天无误地证实了这一宇宙结构这些巨大气泡是如何产 生的呢？关于宇宙的历史和命运，人们又能从中获得哪些启示呢？ 在保罗·哈尔彭（P a u l H a l p e r n ）写的这本情节动人且易读易懂的书 中，宇宙的气泡结构只是现代天文学诸多发现中的一项在他的引导下， 你还将读到有关宇宙的许多发现，这些发现形成了我们对于宇宙的内涵、 大小和历史的概念，还讨论了宇宙的最终命运问题。
哈尔彭叙述的一些发 现可和那些在 1 5 和 1 6 世纪航海家们发现有关地球的新知识相比拟 例如， 宇宙的年龄、其诞生方式和最终命运，如同南、北美洲的大陆一样只能被 发现一次②睿智的天文学家们今天正在描绘一幅宇宙（那是我们的家园）的引人入胜的画卷我们确实生活在一个无与伦比的时代，可以预期，几 百年后的儿孙们在回顾我们这个时代时，一定会认为这是人类发展史上未 曾有过的发现最多的年代诸位读者，你们有幸获得关于宇宙结构的知识 并有像哈尔彭这样一位好向导帮助大家了解各个激动人心的时期科学家们 所做的研究工作布鲁斯·格雷戈里（B r u c e G r e g o r y ） 哈佛—施密松天体物理中心① 国际天文学联合会第 124 次讨论会于 1986 年 8 月下旬在北京举行盖勒女士在这次会议上报告了他们的发现② 格雷戈里在此用了 canbediscoveredonlyonce 短句，意思是宇宙的诞生、年龄和最终命运等问题只能有一个答案但根据现在观测资料，这些问题至今尚未研究清楚前 言设想有一天，你一觉醒来发现自己躺在一条小船上，小船慢慢悠悠地 游荡在一个海图上未标明的广阔海域周围没有任何事物可以提供线索说 明你是怎样或者是为了什么事来到这条船上的。
你也猜想不出不知何故会 独自一人待在船上而且已有很长时间了 你巡视了船舱，发现许多有用的东西：一副双目望远镜，储存得相当 多的食物和水，淡化海水的设备以及其他航海必需的物资巡视了一会儿， 你便拿起望远镜迈出船舱向甲板走去，开始探寻陆地的踪迹 当你用望远镜巡视海洋时，起初看去是空旷无垠无任何特色的但当 调节望远镜的焦距后，在你周围便开始显露出一些结构的形迹这里和那 里，一块一块的礁石和珊瑚凸出于平静的蔚蓝色海面之上这些海上奇景 多姿多彩，有高而陡的悬崖，也有光滑仆伏的石头，它们的颜色从贝壳白 到乌黑发亮的色调，应有尽有 乍看起来，这些结构是杂乱无章地分布在整个水面上但当你较细致 地巡视海洋时，便会准确无误地注意到有秩序的明证例如，一些珊瑚团 块，组成了长长的起伏的暗礁它们在大海里形成蜿蜒曲折的复杂结构 你也注意到了一些远方的岩石好像是小岛的边沿和腹地这些暗礁和岛屿 表现出来的景色代替了原先见到的大多是匀称单调的周围的风光 当你进一步调节望远镜的焦距，延伸了仪器的视程并使其聚焦得更好 时，你能看得更远并观察到早些时候遗漏掉的一些景物的特色原先发现 的暗礁的主体沿同一方向排列——由东向西而不是原来以为的由北向南。
岛屿的分布也有特色，一簇一簇的岛屿形成错综复杂的群岛，散布在水面 上，犹如项圈上的珍珠 经过一个星期又一个星期不断地搜索，你观察到越来越多的结构的详 情，记录了几千个孤立的岛屿、暗礁和许多邻接着的岛屿组成的岛链以及 成串的岛链等等周围的广阔海洋看来是一个比你起初想像的单调宽阔的 水面远为复杂得多的场所 最后，搜索达到极限，你没法看得更远了但仍有许多未接触到的问 题留待以后设法解决例如，大海是不是一直往远方伸展，或者它是不是 被陆地包围着？你周围错综复杂的景色是怎么产生的？为什么岛屿成群地 在一起，而暗礁却主要沿同一方向排列？无疑，你会有充分的时间继续工 作来发现以上这些谜的谜底 我们的宇宙航船——地球，在广阔的空间海洋中滑翔得很快现在， 我们被拘束在这条船上，命定地乘坐着它在引力的弯曲河流中航行茫茫 宇宙中，我们非常之孤独，因为最近的邻居——金星和火星，在几百万公 里以外而最近的可能有生命的行星更远在几千亿公里之外 但总有一天，人类会有能力跨越恒星之间巨大的距离直到那时以前，关于宇宙结构的信息主要来自对天空的扫描这是很不容易做到的但是， 用望远镜和其他照相设备，经过一代又一代科学家们的努力，我们已了解 了很多有关空间的性质。
人们对宇宙的看法在变化着对于宇宙结构的知识随着观测仪器的改 进越来越丰富过去，曾经认为宇宙是不大的（相对而言）、静态的和可 以理解的；现在，人们认为宇宙非常宽广、易变和在许多方面难以理解 这种转变如上所述是经过历代科学家们的不懈探索和反复思考才形成的 受观测仪器不断改进的影响，在天文学的发展上，经历过三次主要的 变革第一次，以伽利略（G a l i l e o G a l i l e i ）为首的一些学者，在 1 7 世 纪否定了自古代以来认为地球是天国中心的宇宙观伽利略将他早年自制 的望远镜指向恒星及行星，把它们画出来并证明我们的世界只占据了空间 的一小部分1 8 及 1 9 世纪的天文学家们，在用望远镜巡视天空的基础上 绘制出了众多恒星点缀着天空的详细天图，从而使人们坚信了伽利略的发 现 到 2 0 世纪初期，另一个里程碑式的变化发生了，这是由于在靠近洛杉 矶的威尔逊山上安装了聚光本领更强的胡克（H o o k e r ）望远镜而开始的 一些天文学家猜想宇宙中存在着由众多恒星集合起来的大得多的天体—— 星系哈勃（E d w i n H u b b l e ）用胡克望远镜证实了这一猜想。
我们所在的星 系——银河系，只不过是众多星系中的一个哈勃还发现宇宙中的大多数 星系看起来正以较大速度互相分开 后来，科学家们从哈勃的发现和其他观测事实得出结论：宇宙曾经聚 集在空间的一个点上，在一次叫做大爆炸的“爆破”声中，宇宙从这一点 向外膨胀大多数天文学家认为这一爆发事件大约发生在 1 5 0 亿或 2 0 0 亿 年前，这一宇宙年龄大于我们观测到的最老的星的年龄 今天，在即将跨入 2 1 世纪的时候，天文学的第三次重大变革在酝酿中 ——一个前沿课题可能是要重新考虑大爆炸模型现在的探空仪器规模之 大、种类之多，与过去相比，不可同日而语从安装在夏威夷岛莫纳克亚 山顶的巨大的凯克（K e c k ）望远镜，到新的火箭发射的装置如哈勃空间望 远镜（H u b b l e S p a c e T e l e s c o p e ，以下简称 H S T ），探空气球，射电望远 镜以及大群大群的其他新奇仪器 这些记录光波①的设备不断传来有关宇宙的使人惊奇、 有时看上去互相矛盾的信息1 9 9 4 年，卡内基研究所（位于加利福尼亚州帕萨迪纳）的弗 里德曼女士（W e n d y F r e e d m a n ）和她的同事们用 H S T 测量宇宙的年龄。
他 们应用的技术包括测量地球到一群星系（叫做室女座星系团）的距离，然 后用此数据估计目前宇宙膨胀的速率再从此膨胀速率计算出从大爆炸开① 光波，泛指全波段从波长最长的无线电波（在天文学中常称为射电波），经过红外光、可见光、紫外光直到波长最短的 X 射线和γ射线始的时刻到今天经历了多长时间使他们惊奇的是所得结果表明宇宙相当 年轻，在 8 0 ～1 2 0 亿年之间，这比一些古老恒星的年龄要小现在，一些 研究人员正在争先恐后地发展能够解释这一矛盾的宇宙模型年龄问题— —需要协调的看似有矛盾的天文时间尺度问题——是现代宇宙学中一个有 争议的前沿课题 已被发现但尚需深入研究的问题还有很多：横跨天空的庞大结构—— 宇宙气泡、宇宙巨壁及巨洞；天空有一个区域，隐藏着一个叫做大吸引体 的巨大天体系统，它吸引着该天区的众多星系向它奔去；星系中心的黑洞 被记录在案；不清楚其确实内涵的大质量致密晕天体（M A s s i v e C o m p a c t H a l o O b j e c t s ，简称 M A C H O s ）已初步在我们银河系的外围被探测到；科学 家们估计的宇宙中星系的数目近来增长了 5 倍，从 1 0 0 亿个增加到 5 0 0 亿 个。
而且，宇宙的大部分是由探测不到的不发光的物质所组成，这个问题 是前几年才搞清楚的如果古人曾经知道宇宙中的大部分物质是看不见 的，他们会说些什么呢？对此，我们只好猜测了 诚然，从巴比伦的占星术到现代宇宙学，从星盘到哈勃空间望远镜， 以及从古希腊的毕达哥拉斯（P y t h a g o r a s ）到弗里德曼女士，所走过的道 。