（第一节）仰望太空——神秘的宇宙
人类对宇宙的认识是一个不断探索研究和发展的过程，从“天圆地方说”到“地心说”，再到“日心说”。直到17世纪，牛顿的万有引力定律，奠定了经典的宇宙学基础。以上这些宇宙观基本上只是局限于太阳系范围，还称不上宇宙结构。随着近代科学的进步，人类对宇宙的认识有了转变。20世纪初德国物理学家爱因斯坦发表了，“广义相对论”，并率先运用这一理论考察了宇宙整体的运动特征和可能的演变方式，从理论上开创了现代宇宙学。
一、蒙昧到睿智——人类对宇宙的认识
公元前7世纪，巴比伦人认为，天和地都是拱形的，大地被海洋所环绕，而其中央则是高山。古埃及人把宇宙想象成以天为盒盖、大地为盒底的大盒子，大地的中央则是尼罗河。古印度人想象圆盘形的大地负在几只大象身上，而象则站在巨大的龟背上。公元前7世纪末，古希腊的泰勒斯认为，大地是浮在水面上的巨大圆盘。上面笼罩着拱形的天穹。
公元2世纪，古希腊天文学家托勒密在总结前人对宇宙认识的基础上，提出“地球中心说”的宇宙模式。这一学说认为地球在宇宙的中央安然不动，月亮、太阳和诸行星以及最外层的恒星都在以不同的速度绕着地球旋转。为了说明行星运动的不均匀性，他还认为行星在本轮上绕其中心转动，而本轮中心则沿均轮绕地球转动。地心说曾在欧洲流传了1000多年。
1543年，哥白尼在他出版的不朽名著《天体运行论》中系统地提出了“日心说”。在他的日心体系中，太阳居于宇宙的中心静止不动，包括地球在内的所有行星都围绕太阳转动，它们离太阳由近及远的排列次序为水星、金星、地球、火星、木星、土星（当时还没有发现天王星、海王星），而月亮则绕地球转动。恒星在离开太阳很远很远的一个圆球面上静止不动。
1687年，牛顿通过苹果落地得到启示而提出了万有引力定律和牛顿三大定律，深刻揭示了行星绕太阳运动的力学原因，使日心说有了牢固的力学基础。牛顿创立了天体力学，使人们在这以后可以以力学方法研究宇宙学。
由于有物质的存在，空间和时间会发生弯曲，而引力场实际上是一个弯曲的时空。爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论，很好地解释了水星近日点运动中一直无法解释的43秒。广义相对论的第二大预言是引力红移，即在强引力场中光谱向红端移动。广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转。最靠近地球的大引力场是太阳引力场，爱因斯坦预言，遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生1.7秒的偏转。这一预言后来被英国天文学家爱丁顿的实验研究所证实。
二、探索宇宙的起源
宇宙，是所有天体共同的家园。但宇宙是什么时候、如何形成的？千百年来，一直是人类探讨的话题，并随着人类文明的进步和科学技术的发展而逐步加深。20世纪初期，人们开始科学地探讨宇宙的起源，科学家提出了“宇宙大爆炸理论”。今日之宇宙是在大约150亿年前发生的一次无比壮观的大爆炸中形成的。
20世纪以来，有两种“宇宙模型”比较有影响。一是稳态理论，它认为宇宙在大尺度上的物质分布和物理性质是不随时间变化的，是稳恒不变的。不仅在空间上是均匀的，各向同性的，而且在时间上也是稳定的。另一类叫演化态模型，它认为宇宙在大尺度上的物质分布和物理性质是随时间在变化的。1917年，爱因斯坦运用他刚创立的广义相对论建立了一个静态、有限、无界的宇宙模型，奠定了现代宇宙学的基础。但在众多的宇宙模型中，目前影响较大的是热大爆炸宇宙学说。
乔治·伽莫夫（1904~1968），美籍俄裔物理学家、天文学家、科普作家，热大爆炸宇宙学模型的创立者。它在1948年提出宇宙大爆炸理论。这一理论认为，宇宙开始是个高温致密的火球，它不断地向各个方向迅速膨胀。当温度和密度降低到一定程度，这个火球就会发生剧烈的核聚变反应。随着温度和密度的降低，宇宙早期存在的微粒在引力作用下不断聚集，最后逐渐形成今天宇宙中的各种天体。
在爆炸发生之前，宇宙内的物质和能量都聚集到了一起，并浓缩成很小的体积，温度极高，密度极大，之后发生了大爆炸。大爆炸使物质四散出去，宇宙空间不断膨胀，温度也相应下降，后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命，都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的。
20世纪20年代后期，爱德温·哈勃发现了红移现象，说明宇宙正在膨胀。60年代中期，阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现了“宇宙微波背景辐射”。这两个发现给大爆炸理论以有力的支持。另一重要证据是空气中氢气和氮气的比例。最新的科学测算表明，当前宇宙中氢和氮的比例与大爆炸残余物中的氢氮比例相差不多。假如宇宙没有开端，是永恒存在的，那么宇宙中的氢早就该被消耗殆尽，全部转化为氮了。现在，大爆炸理论广泛地为人们所接受。
1929年，哈勃发现了星系红移与它的距离成正比，建立了著名的哈勃定律。这一定律揭示宇宙是在不断膨胀的。这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀。因此，在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀，从任何一个星系来看，一切星系都以它为中心向四面散开，越远的星系间彼此散开的速度越大。
红移在物理学和天文学领域，指物体的电磁辐射由于某种原因波长增加的现象。在可见光波段，表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离，即波长变长、频率降低；相反的，波长变短、频率升高的现象则被称为蓝移，通常认为它是多普勒效应所致，即当一个波源（光波或射电波）和一个观测者互裙快速运动时所造成的波长变化。
三、神奇的大爆炸理论
大爆炸是时间、空间，以及宇宙中所有物质等构架的开端。在爆炸之初，宇宙只是一片由微观粒子构成的均匀气体，它温度高、密度大，并以很大的速率膨胀。气体的热膨胀使温度降低，原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现，最终逐渐形成今天宇宙中的各种天体。
原子的产生是电磁力和核力的“杰作”。宇宙大爆炸后，最早的基本粒子之一——夸克，每三个一组结合产生质子和中子。将这些夸克联系在一起的是强大的核力。核力再集合质子和中子，形成氢和氦的核。宇宙大爆炸30万年之后，电磁力建构原子的物质，促使每个质子与一个电子相结合，形成一个氢原子。另外，电磁力使每个氢核与两个电子聚集，形成一个氦原子。
在时间的起点和终点，空间为零，这样的点称为奇点。当一颗具有足够质量的恒星到了生命的最后时期，就会在万有引力的作用下形成黑洞。黑洞巨大的引力使成千上万颗恒星都被卷入这个旋涡之中，产生一个具有巨大质量的集合体。物理学家将这个集合体视为大爆炸奇点的模式。
我们的宇宙由四种力支配，这四种力就是基本力，即引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。宇宙大爆炸后，基本粒子和四种基本力才逐渐分离出现。分离强作用力时，释放出巨大的能量，提供了宇宙膨胀的能源。这些基本粒子和基本力决定了所有物质的命运。
宇宙爆炸之后的一次快速膨胀，称为暴胀。暴胀前，宇宙体积极小，星系或其前身全都紧密地挤在一起。暴胀结束后，膨胀速度开始放慢。物理学家将暴胀所释放出的能量，归因于大爆炸之后一个新的量子场——“暴胀子”中所储存的势能。势能可以产生引力排斥效应，从而加速宇宙膨胀。
质子和中子是原子核的组成部分。质子是指原子核中的非基本粒子，带有+1的电荷。中子是指一种不带电荷的，通常可以在原子核中找到的非基本粒子。在宇宙大爆炸后的1秒钟内，宇宙中充满了亚原子微粒，它们相互碰撞，从而形成了质子和中子。
宇宙在暴胀过程中，产生了x和反x两种超重粒子。宇宙极速冷却后，这两种粒子变得不稳定而转变成夸克及轻子，同时也产生了反粒子。由于反粒子数量较少，所以在暴胀结束后物质和反物质粒子的相互消减过程中，物质最终得以保存下来。
反物质就是由反粒子组成的物质，所有粒子都有反粒子，反粒子的特点是其质量、寿命，自旋、同位旋与相应的粒子相同，但电荷、重子数、轻子数、奇异数等量子数却与相应的粒子相反。当反物质和物质相遇时就会发生湮灭、爆炸，放出伽玛射线并产生大量的能量。
量子力学的不确定，性原理允许宇宙中的能量于短时间内在固定的总数值左右起伏，起伏越大则时间越短。从这种能量起伏中产生的粒子称为虚粒子。当能量恢复时虚粒子湮灭。宇宙大爆炸时产生的巨大能量生成了虚粒子对：物质和反物质，但它们几乎是在生成的同时又相互消减。
宇宙的冷却是指宇宙爆炸之后温度下降，同时原子产生并且不参与辐射，使光线能够以直线的形式前行的一种状态。当宇宙冷却到了足够的程度，才打破了这种物质的均匀分布。电子由于温度下降与核子结合成原子。原子不再发生辐射作用，光线能够直射，宇宙逐渐变得透明。
（第二节）不竭的财富——太空资源
地球大气层以外的宇宙空间，大气层空间以外的整个空间，都称之为太空。浩瀚的太空广袤无垠，随着人们对宇宙的认识和探索，人们的眼界从地球延伸到太阳系、银河系乃至河外星系。对于资源，人们往往以为，只有那些看得见、摸得着的才算是资源。然而，随着人类进入地球轨道和外层空间后，对许多未知领域的认识产生了飞跃，资源观念也发生了变化，资源由具有某种形态变为无形态，比如一种环境和条件；空间资源开发及推广应用，在短短几十年内硕果累累，取得了巨大的经济和社会效益，受到世界各国的普遍关注。
一、已利用的太空资料源
随着人类对宇宙探索的逐步深入，空间技术的发展，空间资源的利用，已是一个国家综合国力以及科学技术发展水平的重要标志。空间资源的利用，为人类社会的发展提供了强大的推动力。
利用通信卫星，人类实现了全球通信、电视转播，当今世界人类离开了通信卫星就无法生活。在现代社会，有100多种相关业务要靠通信卫星完成，从传送语言到文字，从图像到收据，从资料到各种控制信号，几乎人们的通信需要什么，它就能提供什么。今天，世界上80%的洲际通信业务和百分之百的洲际电视传播，以及为数众多的区域通信己由卫星担负。优越的通信能力和极高的投资效益比，使通信卫星的应用成为国际通信业的大走势，并每年以20%~30%的速度递增。通信卫星营造了一个遍地是黄金的市场，从而形成150亿美元的通信卫星产业。
气象卫星在进行天气预报、探测和跟踪台风和旋风、研究和监测地表以及海洋生物量等方面发挥了重要作用。还为洪涝灾害预警和赈灾等提供服务。据有关资料统计，人类依靠气象卫星每年避免的天气灾害损失达数千亿美元。
导航定位卫星不仅为飞机、船舶、公路、铁路交通提供导航服务，还为搜索与救援进行准确定位。利用卫星建立交通系统，使航天、航空、航海、铁路、公路相互结合，建立现代化的高速立体交通管制网络。卫星导航定位系统广泛应用于舰船、飞机、车辆，为交通安全与提高运输效率提供有力的保证。
遥感卫星发射成功后，人们应用卫星遥感技术监测森林砍伐、森林再造、土地使用变化情况；用于研究水涝和盐化、沙漠化、海岸线动态、干旱和农产品估算等；用于评估和开发水资源、自然资源勘探、污染监测和更新地图等，遥感卫星解决了人类用常规手段无法观测或观测不足的难题，不仅大大提高了效率，而且大大提高了观测精度、范围和准确性。
农业是人类生存的保证，提高农作物产量的根本出路在于依靠科技进步。在21世纪的今天，通信广播卫星、资源卫星、气象卫星、导航定位卫星在农业现代化中均获得了广泛应用，作物产量如何，有无病虫害，种植面积多少，旱涝情况等，通过卫星一目了然。这些信息可对指导作物种植面积，及早发现病虫害，确定产品价格，以及解决农业发展中出现的重大问题，推进高产、优质、高效农业的发展做出新的贡献。
在材料加工领域，太空为我们带来了意想不到的收获。人类利用空间微重力环境资源，超高度真空、强宇宙粒子辐射等资源，已经生产出导磁体、难混合金、复合材料等多种功能的材料。有资料称，苏联从1980年至1990年在空间站上进行了500项材料加工实验，范围涉及金属和合金、光学材料、超导体、电子晶体、陶瓷和蛋白质晶体等。如今，空间生长砷化镓晶体，已成为最有希望的商品。在微重力流体科学方面，通过对当代物理学许多前沿理论、实践课题的研究，如临界点现象、表面行为、液滴燃烧、颗粒云等，揭示出许多新的规律，一些新兴产业由此应运而生。在加工工艺方面，已取得的新工艺有皮壳工艺、无熔器加工工艺、电泳工艺等，这些工艺既进一步促进空间材料生产的发展，又为改进地面材料生产指明了方向。如电泳工艺，可提高分离速度400~700倍，目前，这一工艺被认为是空间材料加工中最有经济效益的项目之一。这些无疑将对未来人类社会产生深远的影响。
在生物学领域，太空环境为人类进行实验提供了不同的外在条件。各国宇航员在太空中进行了一系列生物学实验，主要是对生物体物质、能量循环及调节研究的生物圈研究；利用微重力促进生命进程研究及对微重力环境如何影响地球上生物机体的形成、功能与行为研究的重量生物学研究；对暴露在空间高能环境中的生物体损伤与防护研究的辐射生物学研究。在空间站里，还进行了生物体培养。在空间微重力条件下进行生物体组织培养，可以避免地面重力条件所造成的对流和沉淀作用，可以获得比地面条件下更好的效果。该项实验不仅有助于人们对空间环境适应情况的研究，同时，作为未来在空间站或外星建立动植物养殖场的可行性研究的重要组成部分，对人类未来向空间移民宏伟计划的实现产生了深远的影响。前苏联在“和平”号上进行的生物技术实验表明，微重力条件下既能获得高纯度、物理化学性能高度均匀的生物制剂，又能同时保证提高生物技术加工的产量和有效性，所获得的各种蛋白质单晶的性能是地面实验所无法达到的。太空中生物制剂提纯功效可增加400~1000倍，提纯度是地面的10倍。已分离出地面很难分离的哺乳动物特化细胞和蛋白质，其纯度比地面高4~5倍，提纯速度提高400~700倍，这些成果给药物学研究带来了新的生机。一些地面不可能制造和提纯的药物，在空间却可以完成。空间特殊的环境，为人类利用空间环境生产生物制剂显示着新的前景。在空间生物学及生命科学研究上，发现了微重力环境对生物生长特性性状以及植物种子遗传基因改变有较大影响，从而，为植物改良品种找出捷径。
二、待开发的太空资源
空间资源的开发利用促进了人类社会的进步，改变了人们的观念和生活。大规模开发利用太空资源，将是21世纪人类拓展生存空间的有效手段。太空资源的优势如下。
首先是太空得天独厚的位置资源。人站在地面上即使天气再好，视野再开阔，充其量也只能看到几公里的地方。乘飞机能看到方圆数十公里，甚至数百公里的地方。站在珠穆朗玛峰上，能看到0.07%的地球表面，在离地球200公里轨道上的人造卫星，可以看到14%的地球表面，在距地面35786公里的地球静止轨道上的航天器，则可以观察到42%的地球表面。也就是说，人类利用高远位置资源，在距地面35786公里的地球静止轨道上发射三颗通信卫星，就可以覆盖整个地球。因此，太空高远的位置是一种宝贵的资源，充分利用这种位置资源具有重要意义。
其次是高真空、微重力环境资源。在距地面100公里以上的高度，没有空气，是“真空地带”。在这个硕大的“真空罐”里，没有氧和其他气体，这种空间高真空状态体积硕大，且纯净无污染。在绕地轨道上运行的航天器中的物体，既受到地球引力的作用，又受到惯性离心力的作用，这两种力达到平衡，等效于重力消失，只受到其他微小干扰力的作用，而处于微重力状态。此时，航天器里物体的重量，只有地面的十万分之一或百万分之一，物体可悬浮空中漂乎不定。空气、水受热后，不会处于上下对流的情况，液体也没有固定的水平面。比重不同的液体，可以在一起和平共处。不难想象，这种奇特环境，对新材料加工、微生物、细胞、蛋白质晶体的生长与培养是十分有利的，它将使微生物发生遗传变异，其结果不仅尺寸大小发生变化，而且纯度也高。国外很多企业家都向往去太空开厂，那里可以生产出许多地球上难以制造的东西。日本人曾做过一项试验：把火箭射到大气层之上进行冶金，结果产品质量特别良好。这是因为太空没有空气，不费吹灰之力就实现了技术上颇复杂的“真空冶炼”。美国人则惊奇地发现在外层空间做出的塑料小球滴溜滚圆，毫厘不差。道理也很简单，产品是在失重的状态下得出的，没有重力的干扰，误差自然也消灭了。除了这几样外，适宜拿到太空中去生产的东西还有不少，比如合金、陶瓷、化工原料以及电子工业上大量使用的晶体等。
第三是强辐射、宇宙粒子射线辐射。这种辐射，就是看不见的高能粒子流，它能穿过人体，杀死细胞。太空中充满着各种强烈的辐射，如，银河宇宙线、太阳电磁辐射、太阳宇宙线和太阳风等，充满着能量和万有引力场。虽然这种辐射对正常人体有危害作用，但是在一定条件下，它却可以用于医学治疗。
第四是能量丰富的太阳能。太阳每时每刻都在进行剧烈的反应，从而产生巨大的能源流。据测算，太阳每秒钟将81万亿千瓦的热能量送给地球，晴天，太阳每秒钟照射地球每平方米为1度电量，每秒带给地球的总热量相对于现今全世界每秒发电量的数万倍。地球每秒钟所获得的太阳能量相当于燃烧550万吨优质煤所发出的能量。因此，太阳是一个取之不尽、用之不竭的洁净能源宝库，充分利用太阳能前途无量。太阳所散发的热量中只有二十二亿分之一的能量到达地球，在太空建立太阳能电站，可以克服由于太阳光被地球大气层反射、折射、散射和吸收后损失的能量，还可以克服晚上没有太阳和阴天、雨天减少的可利用的能量。其独特的优势，使太空发电前景非常广阔。在宇宙空间建立发电站——大型卫星太阳能电站的设想，经过多年酝酿，已逐渐成熟。在地面和轨道上进行的实验研究提供了可靠的设计资料。因此，现在积极进行的卫星电站计划，无论在规模和建造途径上，都和早期提出的方案有所不同。1968年，美国工程师彼得·格拉塞尔提出了在空间建立卫星太阳能电站的大胆设想，一时舆论为之哗然。有人讥笑说，这不过是一个空间乌托邦的幻想。事隔不久，波音公司公布了卫星太阳能电站的第一个设计。由于空间技术和电能转换材料的进步，人们开始看到这个计划的现实性和它对地球能源革命可能带来的深远意义。据有关专家预测，到2020年世界人口很可能超过80亿，能源危机是影响人类生存与发展的大问题。据统计，仅对电能的需求年增长率就大于2.5%，尤其是占人口80%的发展中国家，需求更旺。而最有希望的能源是直接将太阳能转变为电能，它可克服火力发电污染严重，消耗燃料，水力发电水源严重不足等难题，在太空中利用太阳能发电，可以在不需燃料，完全无污染，不需要架设输电线路的情况下，直接向空间站或航天飞机上供电，也可向地面供电。
与建造在地球上的太阳能电站比较，卫星太阳能电站还有下列优点。其一，地球上接受的太阳能受地理纬度的影响很大，赤道是地球上日照最充沛的地方，接收到的太阳能也只及宇宙空间得到的太阳能的六分之一。其二，地球上日照时间只占全天24小时的一小部分，而同步轨道卫星一年之中有275天全天24小时日照不断，只有90天出现被地球挡住阳光的机会，何况一天之内最多不超过72分钟，可见卫星太阳能电站效率比地面电站高得多。设计中的卫星太阳能电站像一座在宇宙空间浮动的岛屿，在耀眼的阳光下不分昼夜地连续工作，为地球居民提供巨大的能源，而对地没有任何损害和污染，这种电站是何等理想啊！卫星电站的原理是利用大面积太阳电池板将太阳能转换为电能。一个卫星电站所用太阳电池板的面积达100平方公里以上，所以产生的电能也是相当惊人的——200万至2000万千瓦，地球上最大的水力发电站也无法和它比拟。要把这样多的电能从几万公里的高空传输到地面，唯一的办法是使用微波传输。微波传输系统由四个基本部分组成，即：直流一微波转换系统、发射天线、地面接收天线、微波一直流转换系统。整个系统的效率为55%~65%。微波传输系统的核心是几十万个特高频功率管组成的发射天线，它可以把高压直流电转换成微波能，对准地面接收天线发射，像雷达天线发射电波一样。
第五就是对月球的利用了。月球是近地空间除地球外唯一的大型天体。其实，月球并不是不毛之地，不仅月球上存在大量矿藏，即使整个月球环境，对于人类来说都是极其宝贵的资源。据目前已经进行的科学探测表明，月球上至少存在着丰富的氧、硅、铝、铁等资源；月球上没有大气层对光线和电波的吸收、散射和折射，直接承受太阳的辐射，没有尘埃污染，没有磁场，月球的背面没有人造光源和射电的干扰，地震很微小，有漫长的黑夜，黑夜温度很低，是天文观测、生物科学和高能物理等实验的理想场所。月球上有丰富的能源。通过探测发现，月球表面覆盖着一层岩屑、粉尘、角砾岩和冲击玻璃组成的细小颗粒物质。这层月壤富含由太阳风粒子积累所形成的气体，如氢、氦、氖、氮等。这些气体在加热到700摄氏度时，就可以全部释放出来。其中，氦—3气体是进行核聚变反应发电的高效燃料，在月壤中的资源总量可以达到100万~500万吨。30吨这样的尘埃，经热核反应产生的能源，可相当于美国一年生产能源的总和，如果每年从月球上开采1500吨氦—3，就能满足世界范围内能源的需要。利用氦—3进行热核反应，产生的放射性最低，具有经济安全两大优点。另据计算，从月球中每提炼出1吨氦—3，还可以获得6300吨氢气、700吨氮气和1600吨含碳气体。所以，通过采取一定的技术来获得这些气体，对于人类找到新的能源和维持永久性月球基地十分重要。由于月球几乎没有引力，因此，还可以作为飞向火星的中转站，从那里发射航天器，只需要地球上1/6的能源。
最后，还要利用太空资源发展太空商业。利用太空进行商业化活动，是人类文明发展的必然趋势。20世纪60年代以来，人们利用火箭、卫星、飞船不断地探索、开发通往外层空间的道路。20多年来，前后有150多人次，乘宇宙飞船进入了太空。特别是美国“哥伦比亚”号航天飞机的试飞成功，为人们游览太空展现了广阔的前景。今天，大规模开发空间资源，甚至实现空间居住等大胆的举措，己成为世界上各国航天货运活动的主旋律。
伴随航天客机航线的不断延伸，必然要大力发展太空旅游业，会有越来越多的人去太空旅游。当然途中会设立太空旅馆，太空旅馆的设计也会是别具一格。
21世纪，人类将登上月球或其他小行星去采矿，发射太阳能发电卫星。美国航天界曾预言，在不久的将来，将有在地球与近地轨道之间航行的新型航天货运客机问世，把在太空中生产的新材料运回地面。在未来30多年内将陆续建成太空港，人类将在月球、火星以及其他一些小行星上居住，建立太空工厂、开矿、发展农业经济。
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