1.宇宙是什么？
每当夜幕降临，当我们仰头观望夜空，看着那浩瀚无际的星河，我们不禁浮想联翩。遥想那星光闪闪的遥远宇宙，它里面究竟隐藏着怎样的奥秘，宇宙到底是由哪些物质组成的呢？
我们知道，宇宙是由空间、时间、物质和能量所构成的统一体。
宇宙是万物的总称，是时间和空间的统一。宇宙是物质世界，它不依赖于人的意志而客观存在，并处于不断运动和发展中。宇宙是既多样又统一的。多样，体现在物质表现状态的多样性；统一，表现在其物质性上。
人们一般认为，宇宙是无始无终，无边无际的。不过，对这个深奥的概念，我们不打算做深入的探讨。我们不妨把眼光缩小一些，讲一讲利用我们现有的科学技术所能了解和观测到的宇宙，人们习惯上把它称为“我们的宇宙”或“总星系”。
从最新的观测资料看，人们已观测到的离我们最远的星系，是130亿光年。也就是说，如果有一束光，以每秒30万千米的速度从该星系发出，那么要经过130亿年才能到达地球。这130亿光年的距离，便是我们今天所知道的宇宙的范围。可以这样说，我们今天所知道的宇宙范围或者说大小，是一个以地球为中心、以130亿光年的距离为半径的球形空间。当然，地球并不真的是宇宙的中心，宇宙也未必是一个球体，只是限于我们目前的观测能力，我们只能了解到这个程度。
2.宇宙是如何发展的？
远古时代，人们对宇宙结构的认识，处于十分幼稚的状态。他们通常根据自己的生活环境，对宇宙的构造进行想象并做出幼稚的推测。
最早认识到大地是球形的，是古希腊人。但直到葡萄牙的麦哲伦率领探险队完成了第一次环球航行（1519～1522年）后，地球是球形的观念才最终被证实。公元2世纪，托勒密提出了一个完整的地心说。1687年，牛顿提出了万有引力定律，深刻揭示了行星绕太阳运动的力学原理，它使哥白尼的日心说有了牢固的力学基础。从此以后，人们逐渐建立起了科学的太阳系概念。20世纪初，沙普利发现了太阳不在银河系中心，奥尔特发现了银河系的自转和旋臂，加上其他许多人对银河系直径、厚度的测定，科学的银河系概念最终得以确立。近半个世纪以来，人们通过对河外星系的研究，不但发现了星系团、超星系团等更高层次的天体系统，而且使我们的视野扩展到远达200亿光年的宇宙深处。
早在中国西汉时期，人们就认为世界有着万物开辟的阶段，也有着开辟以前的多个阶段。人们还具体勾画了世界从无形的物质状态到混沌状态再到天地万物生成演变的过程。在古希腊，也存在着类似的见解。例如留基伯就提出，由于原子在空虚的空间中做旋涡运动，结果轻的物质逃逸到外部的虚空，而其余的物质则构成了球形的天体，从而形成了我们的世界。
3.宇宙物质的多样性
当代天文学的研究成果表明，宇宙是有层次结构的、物质形态多样的、不断运动发展的天体系统。
行星是最基本的天体系统。太阳系中共有八颗行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星（冥王星目前已被从行星里开除，降为矮行星）。除水星和金星外，其他行星都有卫星围绕其运转。地球有一个卫星——月球，土星的卫星最多，已确认的有26颗。行星、小行星、彗星和流星体，都围绕中心天体太阳运转，构成太阳系。太阳占太阳系总质量的99.86%，其直径约140万千米。太阳系中最大的行星是木星，它的直径约14万千米。太阳系的大小约120亿千米（以冥王星作边界）。有证据表明，太阳系外，也存在其他行星系统。2500亿颗类似太阳的恒星和星际物质，构成了更巨大的天体系统——银河系。银河系中，大部分恒星和星际物质，集中在一个扁球状的空间内，从侧面看很像一个“铁饼”，正面看去，它则是一个巨大的旋涡。银河系的直径约为10万光年，太阳位于银河系的一个旋臂中，距银河系的中心约3万光年。银河系外，还有许多类似的天体系统，称为河外星系，常简称星系。星系也聚集成大大小小的集团，叫星系团。平均而言，每个星系团约有百余个星系，直径达上千万光年。现在，科学家已发现上万个星系团。包括银河系在内约40个星系构成的一个小星系团，叫本星系群。若干星系团集聚在一起，构成更大、更高一层次的天体系统，叫超星系团。超星系团往往具有扁长的外形，其长径可达数亿光年。通常情况下，超星系团内只含有几个星系团。只有少数超星系团，拥有几十个星系团。本星系群和其附近的约50个星系团构成的超星系团，叫做本超星系团。目前天文观测的范围，已经扩展到200亿光年的广阔空间，它称为总星系。
太阳系天体中，水星、金星表面温度约达700K（K是热力学单位，绝对零度是——273.15℃），金星表面笼罩着浓密的二氧化碳大气和硫酸云雾，气压约50个大气压。水星、火星表面大气却极其稀薄，水星的大气压甚至小于2×10-9毫巴。类地行星（水星、金星、火星）都有一个固体表面，类木行星却是一个流体行星。土星的平均密度为0.70克/立方厘米，比水的密度还小，木星、天王星、海王星的平均密度略大于水的密度，而水星、金星、地球等的密度则达到水的密度的5倍以上。多数行星都是顺向自转，而金星则是逆向自转。地球表面生机盎然，而其他行星则是空寂荒凉的世界。
在恒星世界中，太阳是颗普遍而又典型的恒星。科学研究已经发现，有些红巨星（当一颗恒星度过漫长的青壮年期步入老年阶段时，将首先变为一颗红巨星）的直径，为太阳直径的几千倍。中子星直径，只有太阳的几万分之一。超巨星的光度，高达太阳光度的数百万倍；白矮星光度，却不到太阳的几十万分之一。红超巨星的物质密度，小到只有水的密度的百万分之一；而白矮星、中子星的密度，分别可高达水的密度的十万倍和百万亿倍。太阳的表面温度约为6000K，O型星表面温度达30000K，而红外星的表面温度约为600K。太阳的普遍磁场强度平均为1×10-4特斯拉，有些白矮星的磁场通常为几千、几万高斯（1高斯=10-4特斯拉），而脉冲星的磁场强度可高达十万亿高斯。有些恒星光度基本不变，而有些恒星光度在不断变化，称为变星。有的变星光度变化是有周期的，周期从1小时到几百天不等。有些变星的光度变化是突发性的，其中变化最剧烈的是新星和超新星，在几天内，其光度可增加几万倍甚至上亿倍。
恒星在空间中常常聚集成双星或三五成群的聚星，它们大致占恒星总数的1/3.也有由几十、几百乃至几十万个恒星聚集在一起的星团。宇宙物质，除了以密集形式形成恒星、行星等之外，还以弥漫的形式形成星际物质。星际物质包括星际气体和尘埃，平均每立方厘米只有一个原子，其中高度密集的地方形成形状各异的各种星云。宇宙中，除发出可见光的恒星、星云等天体外，还存在紫外天体、红外天体、X射线源、γ射线源以及射电源。
星系按形态可分为椭圆星系、旋涡星系、棒旋星系、透镜星系和不规则星系等类型。20世纪60年代又发现许多正在经历着爆炸过程或正在抛射巨量物质的河外天体，统称为活动星系。其中包括各种射电星系、塞佛特星系、N型星系、马卡良星系、蝎虎座BL型天体，以及类星体等等。许多星系核有规模巨大的活动：速度达几千千米每秒的气流、总能量达1055焦耳的能量输出、规模巨大的物质和粒子抛射、强烈的光变等等。在宇宙中，有种种极端物理状态：超高温、超高压、超高密、超真空、超强磁场、超高速运动、超高速自转、超大尺度时间和空间、超流、超导等。这些为我们认识客观物质世界提供了理想的科学实验环境。
4.宇宙的运动发展
宇宙天体，处于永恒的运动和发展之中。天体的运动形式多种多样，例如自转、各自的空间运动、绕系统中心的公转以及参与整个天体系统的运动等。月球一边自转，一边围绕地球运转，同时又跟随地球一起围绕太阳运转。太阳一方面自转，一方面又向着武仙座方向以20千米每秒的速度运动，同时又带着整个太阳系以250千米每秒的速度绕银河系中心运转，运转一周约需2.2亿年。银河系也在自转，同时也有相对于邻近星系的运动。本超星系团，也可能在膨胀和自转。总星系，也在不停地膨胀和运动。
现代天文学已经揭示了天体的起源和演化的历程。当代太阳系起源学说认为，太阳系很可能是由50亿年前银河系中的一团尘埃气体云（原始太阳星云）通过引力收缩而逐渐形成的。恒星是由星云产生的，它的一生经历了引力收缩阶段、主序阶段、红巨星阶段、晚期阶段和临终阶段。星系的起源和宇宙起源密切相关，比较流行的看法是：在宇宙发生热大爆炸后40万年，温度降到4000K，宇宙从辐射为主时期转化成物质为主时期。这时，或由于密度涨落形成的引力不稳定性，或由于宇宙湍流的作用，热大爆炸宇宙模型，描绘了我们的宇宙的起源和演化史：我们的宇宙，起源于200亿年前的一次大爆炸，当时温度极高、密度极大。随着宇宙的膨胀，宇宙经历了从热到冷、从密到稀、从辐射为主时期到物质为主时期的演变过程，直至10亿～20亿年前，才进入大规模形成星系的阶段，此后逐渐形成了我们今天看到的宇宙。而逐步形成原星系，然后再演化为星系团和星系。1980年提出的暴涨宇宙模型，则是热大爆炸宇宙模型的补充。它认为在宇宙极早期，在我们的宇宙诞生后约10～36秒的时候，它曾经历了一个暴涨阶段。
5.宇宙是有限的吗？
我们的先辈们曾认为，宇宙是范围并不很大的球状天体，其中包含着地球以及其他一些形体较小的发光体。直至哈雷于1718年发现了恒星也是运动着的球体这一事实后，天文学家们才开始重新认识宇宙。当然，即使所有星体都在移动，宇宙仍有可能是有限的，而所有的星体也都有可能在进行着极其缓慢的移动。但是，为什么有的星体的运动速度飞快，却足以被人们观察到，同时又为什么正是这些星体才能发出比较明亮的光线呢？
如果各个星体与太阳系间的距离各不相同，那么宇宙就应该是无限的。而众多的星体，则会像蜂群一样遍布于宇宙的各个角落。直至1718年，人们才意识到这一点，因而摒弃了宇宙有限论。从此，一幅广阔无垠而绚烂壮丽的宇宙画卷，终于展现在人们的眼前。
6.宇宙有中心吗？
太阳是太阳系的中心，太阳系中所有的行星都围绕着太阳旋转。银河也有中心，它周围所有的恒星也都围绕着银河系的中心旋转。那么，宇宙有中心吗？它有一个让所有的星系包围在中间的中心点吗？
看起来应该存在这样的中心，但是实际上，它并不存在。因为宇宙的膨胀一般不发生在三维空间内，而是发生在四维空间内的，它不仅包括普通三维空间，还包括第四维空间——时间。描述四维空间的膨胀是非常困难的，但是我们也许可以通过推断气球的膨胀，来逐步解释它。
我们可以假设，宇宙是一个正在膨胀的气球，而星系是气球表面上的点，我们就住在这些点上。我们还可以假设，星系不会离开气球的表面，只能沿着表面移动，而不能进入气球内部或向外运动。在某种意义上可以说，我们把自己描述为一个二维空间的人。
如果宇宙不断膨胀，也就是说气球的表面不断地向外膨胀，则表面上的每个点彼此离得越来越远。其中，某一点上的某个人将会看到，其他所有的点都在退行，而且离得越远的点，退行速度越快。
现在，假设我们要寻找气球表面上的点开始退行的地方，那么我们就会发现，它已经不在气球表面上的二维空间内了。气球的膨胀，实际上是从内部的中心开始的，是在三维空间内的，而我们是在二维空间上，所以我们不可能探测到三维空间内的事物。同样，宇宙的膨胀不是在三维空间内开始的，而我们只能在宇宙的三维空间内运动。宇宙开始膨胀的地方，是在过去的某个时间，即亿万年以前，虽然我们可以看到，可以获得一些相关的信息，但我们却无法回到那个时代。
7.宇宙的环境
宇宙环境是大气层外的环境，是人类活动进入大气层以外的空间和地球邻近的天体的过程中提出的新概念，也有人称为空间环境。随着空间科学的发展，人在宇宙空间的活动范围将不断扩大，对宇宙环境的认识也将不断发展。
自古以来，人类一直在利用各种方法观测考察宇宙，但人类进入宇宙空间进行探测和活动，只是近几十年的事。
宇宙环境，由广阔的空间和存在其中的各种天体以及弥漫物质组成。人类本身依靠所创造的飞行器接触到的宇宙环境，同人类生活所在的环境有很大的差异。地球周围笼罩着密集的大气，而星际空间几乎是真空。到目前为止，除地球外，在太阳系内没有发现任何生物。木星的质量最大，引力也最大，表面重力加速度为地球的2.64倍，月球则为地球的1/6.
宇宙环境，对人类的生存影响很大。太阳辐射，是地球的光和热的主要源泉。太阳辐射能量的变化，会影响地球环境。如太阳黑子出现的数量，同地球上的降水量有明显的相关性。
其实，太阳黑子并非是黑的。黑子之所以会呈现为暗黑色，主要是在明亮的太阳表面衬托下才“变黑”的。实际上，它的温度高达4000摄氏度左右，只比太阳表面温度低了1000摄氏度左右，比普通电灯中发光的钨丝的温度还要高。月球和太阳对地球的引力作用产生潮汐，并可引起风暴、海啸等自然灾害。太阳的短波紫外线辐射，对有机体的细胞质有损害作用，幸而大气层对所有小于2900埃波长的紫外辐射有遮蔽作用。同时，地球也受宇宙射线的影响。一些遗传学家把地质时期的某些生物突变，归咎为宇宙离子辐射。但它在一般含量水平下对生物体的直接影响，现在还不清楚。太阳辐射的紫外线、X射线的强度变化，会影响地球上的无线电短波通信。
随着航天事业的发展，人类开始进入了宇宙环境。飞行器在升空过程中，人体在超重的影响下，活动受阻，呼吸困难，血液循环减弱，并会引起精神失常，甚至死亡。飞行器进入轨道后，人处于失重状态，不能自由支配自己的行动。神经系统失去平衡，会造成操作错误。在失重的影响下，尿中钙含量增加。宇宙空间没有空气，声音不能传播，即使是人彼此相距很近，也不能对话。宇宙环境缺氧、低压，充满各种对人的身体有害的高能宇宙射线，这也是宇航员必须穿宇航服的原因。宇宙环境虽然有壮观的太空星象，能使人感到新奇和兴奋，但是丝毫没有人间的生存气息。
研究宇宙环境，是探索宇宙环境中的各种自然现象及其发生的过程和规律、人类的空间活动同宇宙环境之间相互作用的关系、人和生物在空间飞行条件下的反应等，目的是为星际航行、空间利用和资源开发提供科学依据。
