现代自然科学突飞猛进,人类正在向大自然的深度及广度进军,人类从宏观世界的研究成果中又发现了微观世界的许多奥秘,自从发现许多种微观粒子之后,继而在探索物质的基本结构的实践中,发现了至今为止最小的基本粒子夸克(也称层子)和胶子,进一步揭示了微观世界的规律。人们借助宇宙飞船,迈向了广阔无垠的宏观世界,成功地登上了月球,正向其他行星迈进。

几个世纪以来,关于太阳系的起源、结构和演化,一直是天文学和地理科学研究的重要领域之一。从西方占统治地位长达1000多年之久的托勒密的“地心说”开始,到哥白尼的“日心说”,再到开普勒行星运动三大定律、牛顿万有引力定律和爱因斯坦狭义和广义相对论的发表,特别是从20世纪60年代以来,人类开始进入太空时代,空间探测技术的发展,获得了许多重大的成果,使得人类对太阳系的认识向前迈进了一大步,例如“水手号”对水星的探测、“旅行者1号”和“旅行者2号”对木星、土星、天王星、海王星和它们的卫星的探索,获得了大量丰富的资料,另外还有麦哲伦、伽利略探测器和爱德温·哈勃利用空间望远镜对太空的探测也不断向人们传递新的宇宙信息。1990年2月13日,“旅行者1号”已经拍摄到迄今为止的第一张太阳系的“全家照”,一个令人激动的、崭新的、五彩缤纷的太阳系全貌,呈现在人类的面前。现在“旅行者1号”和“旅行者2号”已飞离太阳系,去寻觅地外文明,成为银河系中的“外星人”了。

人类在地球上从诞生到现在,大概已有100万年。但是从古人发展成为新人是经过了较长的时期。据考证新人生活在距今10万年到1万年前。新人是现代人类的直接祖先,有了人就开始有了历史。今天人类可查证的历史仅有5000多年,但也有人认为在5000年以前,地球上曾经出现过一个时期的科技文明。例如在公元前3000年,古代中国已经出现了《太极八卦图》。中国古代把宇宙发展表述为：

无极生太极,太极生阴阳,阴阳生五行,五行生万物……生生不息变化无穷。

而“太极”阴阳理论的光辉之处还在于它的阴阳合抱曲线蕴含着月球运动的规律。而中国古人认为宇宙就是太极(有人认为旋转起来的“河图洛书”就是太极),而两仪就是阴和阳,四象代表春夏秋冬四个季节和东西南北四个方向,八卦则是对时间、空间、万事万物的分类。而构成八卦有两个基本符号“”和“”。据说这是伏羲氏发明的,分别叫作阳爻()和阴爻(),堪称一项人类的伟大发明。因为看起来是两个极为简单、抽象的符号,但它可以表示宇宙间万物的两种基本分类。尤其难能可贵的是,仅仅由这两个基本符号的排列组合,就演变出了整整一系列的符号体系。这是发生在5000年前的事情,足以令现代人感叹古人智慧的伟大。

八卦：即乾、坤、震、艮、离、坎、兑、巽。古人编了一首八卦取象歌如下：

八卦也是大自然的象征：乾象征天,坤象征地,震象征雷,艮象征山,离象征火,坎象征水,兑象征泽,巽象征风。

八卦的原始含义代表八个方位,八个节气。

伏羲八卦还代表天地、水火、风雪以及山泽共四对八种自然事件。

文王八卦进一步把人事联系进去,加大了八卦所代表的事物,并将人和自然界联系起来进行研究评说。

八卦这样一个简单的数字符号,在中国乃至世界产生了十分深远的影响。涉及范围广大,可以说,由八卦形成的“周易”是一门博大精深且与数有关的学问,引起了国内外众多爱好者的极大兴趣。《易经》被称为是一本世界“奇书”,此书不但对我国传统文化的发展产生过广泛而深远的影响,而且完全超越了时空的束缚,以无穷的奥秘和精湛的思想日益给予现代人的文化和人类生活以深刻的启发,成为点燃许多新思想、新思维、新发现、新创造的智慧之光。《易经》的中心思想可以概括为：阳刚阴柔,阳动阴静,变化无穷。阳刚阴柔,相反相成,并非不变,而是动极则静,静极则动,动中有静,静中有动。宇宙万物因时因地的阴阳、柔刚、静动,变易而不易,复杂而简单,矛盾又统一,对立又和谐。这也可以说是阴阳学说的真谛。

据考证,古代埃及人和古代南美洲的玛雅族人已有了用高超技术建造金字塔的本领,而且玛雅人还拥有较为精确的历法。由此可见人类的史前文明是相当发达的,它使我们对人类的起源,天体的演变等重大科学难题获得了新的认识。

《易经》是中国最古老的数学著名大作,也是现代二进制计数法的先祖,在其中还能找到幻方最早的例子。著名数学家吴文俊教授认为中国的《九章算术》和刘徽的《九章算术注》对数学乃至科学发展在历史上有崇高地位,可与古希腊欧几里得的《几何原本》东西辉映。

除了圣经之外,在世界上没有任何一部著作能像欧几里得的《几何原本》那样,被人们广泛地研究和使用,没有任何的著作对科学思想产生如此巨大的影响。《几何原本》自从1482年的第一版本问世到今天,已经出现了1000多个版本;2000多年来,这部著作对人类的文明和科技的进步起到了很大的作用。

从四大文明古国到古希腊近3000年的历史,人类所创造的文化、艺术、哲学、数学、物理学、天文学、化学、生物学、农业学、医药学、冶金学、建筑学等方面的成就,可以称为人类第一代科学文明。

公元5世纪中叶西罗马帝国灭亡到公元11世纪这个时期称为欧洲的黑暗时代,这个时期西欧文化处于低潮,学校教育名存实亡,希腊学问几乎绝迹。这个时期的特点是存在残酷的暴力和强烈的宗教信仰。旧的社会程序已遭破坏,封建主义和基督教会统治了社会。

在这以后长达千年的时间里,宗教、迷信、灵魂和上帝转移了人类对自然的兴趣,而科学研究则一直处于一种被压制和被歪曲的状态之中。到了16世纪的欧洲,意大利发生了文艺复兴运动,不幸的是,文艺复兴时期的学者们难以让他们的科学思想与天主教会的宗教教义相协调,这个时期的大量的科学著作与教会尖锐对立。文艺复兴时期的许多学者,怕犯异端邪说罪,推迟发表他们的理论,尤其是天文学方面的著作,因为这门科学与教会特别对立。

天文学家与数学家几乎互相促进其专业的发展,特别是长期以来天文学一直在促进数学的发展。事实上,有一个时期,“数学家”的称号指的就是天文学家。在鼓励支持发展数学的天文学家中,最著名的就是波兰学者哥白尼,他的宇宙理论完成于1530年,但是直到1543年去世后才发表。又如高斯既是数学教授又是天文台台长,他用数学方法计算出了小行星谷神星和智神星的运行轨道。

可以说哥白尼《天体运行论》的发表和伽利略实验科学的引导,开启了人类科学的新纪元。

伽利略坚持用观察和实验的方法研究自然现象,重新审查了以往的自然知识,也在力学上做出了重大贡献。

伽利略建立了自由落体定律。他通过金属球从斜面滚下的运动实验,发现了惯性原理。在天体力学方面,伽利略第一次用自制的望远镜观察天文现象,观测天体的运动变化,发现太阳表面有黑子,月球表面有高低不平的山谷,金星、水星有盈亏现象,木星有四个卫星等,这些发现有力地支持了哥白尼的宇宙理论。

开普勒通过对行星特别是对火星运动的精确观测,对布拉赫观测资料的整理和分析,意识到行星运动的轨迹不一定是正圆,最终抛弃了过去的行星运动的旧观念。通过将近十年的努力,提出了行星按椭圆轨道绕日运行的理论,并总结出行星运动三大定律。

英国科学家牛顿在前人科学研究和实践的基础上,经过长期的观测、实验以及数学计算,对17世纪前的力学知识和实践中所发现的规律进行了理论概括。牛顿在1687年出版了他的《自然哲学的数学原理》,系统地阐述了力学三大定律和万有引力定律,把天体力学和地球上物体的力学统一起来,建立了系统的经典力学理论。经典力学正确地反映了低速宏观物体运动的客观规律,使人类对物质运动的认识向前迈进了一大步。

目前,经典力学仍然有着广泛的应用,同时经典力学也是相对正确的科学。牛顿以后,几百年来,经典的时空观在物理学中占统治地位。科学发展到今天出现了许多新事物,而经典力学只能解释部分“怎么样”的问题,但对于许多“为什么”的问题,经典力学却没有能力回答。

经典物理学的空间和时间观念的特点是：空间和时间的度量是绝对不变的,并且空间和时间是相互独立的,毫不相关的。因此,我们把这样的空间叫作绝对空间,这样的时间叫作绝对时间。而伽利略的经典力学相对性原理也是人们几百年来深信不疑的。古典的这种时空观也被哲学家当作是先验的东西,没有一个科学家认为它们可能是错误的。

人们之所以放弃古典的时空观,是因为爱因斯坦提出狭义相对论,并把时间和空间结合成单一的四维体系,是因为在大量的科学实验中不断地发生了许多不能用独立的时间和空间这种古典的时空概念来解释的事实。

经典相对性原理对光的传播成立吗?麦克斯韦的光的电磁理论告诉我们,光在真空中沿各个方向传播的速度都相等,都是每秒30万千米。事实上,光对于地球参考系来说,沿各个方向的速度都是每秒30万千米,不论光源以什么样的速度运动。我们从这个事实出发,可以看出,经典力学的相对性原理对于光是不适用的。通过实验可知,光的传播定律在地面上成立,在高速运动的列车上不成立,所以看起来经典相对性原理只适用于力学规律,而不适用于光学规律。而著名的迈克尔逊-莫雷实验的实质是：从理论出发(即利用伽利略经典速度变换公式)推出的结果和实验得到的结果不相符合。

经过不同观点的争论,结论是：凡是企图不打破经典的时空观念,这样或者那样地解释迈克尔逊-莫雷实验产生的现象,都矛盾百出。经典物理学的时空观面临着一个严重的困难。爱因斯坦则认为经典理论不能解释迈克尔逊-莫雷实验这样新的实验事实,正是因为旧的理论的缺陷,所以首先应尊重实验事实,反过来修正和充实旧理论,使理论进一步发展,能更好地指导实践。爱因斯坦对经典物理学的基本观点做了科学的修正以后,发现了物体高速运动的规律,从而创立了相对论,引起了物理学中空间和时间观念的大改观。

在自然界中,由于电子以及其他基本粒子的运动往往与光速十分接近,它们形成了一个高速世界,而人类的现实生活也开始向高速世界迈进。因此,研究高速物体运动的规律与我们现实生活的关系也是愈来愈密切相关联了。

近代的电磁学理论已经把物质迷宫的大门打开了,闯进了神秘莫测的微观世界。麦克斯韦和法拉第等人发展和推广了以太理论,他们认定物质以太是传播光和引力作用的必然媒介。自古以来,如毕达哥拉斯就提出了以太传播光线的理论。

麦克斯韦理论预言,射电波和光波应以某一固定的速度行进。但是牛顿理论已经摆脱了绝对静止的观念,如果我们假设光是以固定的速度行进,人们就必须说清楚这固定的速度是相对于什么东西来测量的。因此,有人提出,存在着一种充满宇宙的物质“以太”,即使是在“真空的”空间中亦是如此。正如声波在空气中行进一样,光波亦应通过以太行进,因此它们的速度应该是相对以太来说的。相对于以太运动的不同观察者,会看到光以不同的速度冲着他们而来,但是光对以太的速度保持不变。特别是当地球在它围绕太阳的轨道穿过以太时,在地球通过以太运动的方向测量的光速应该大于在与运动垂直方向测量的光速。1887年迈克尔逊-莫雷实验是在不同季节、不同时间的反复多次实验,他们将沿地球运动方向和垂直于此方向的光速反复进行比较,结果大大出乎人们的意料。他们发现这两个光速完全一样!科学界对此争论了20多年,各持己见,后来爱因斯坦于1905年发表了一篇论文指出,只要人们愿意抛弃绝对时间观念的话,整个以太的观念是多余的,从而创立了狭义相对论。

后来迈克尔逊因为这个著名的实验成为美国第一位诺贝尔物理学奖获得者。

虽然麦克斯韦和法拉第等人认为物质以太是传播光和引力作用的必然媒介,但由于人们思维的机械模式和现实世界实验技术的诸多制约,使得人们对微观世界还很不够了解,例如对引力、重力的本质、对物质的基本结构和媒介以太的性质等,目前尚无能力给予正确的解答。因此,经典物理学在解释和具体处理许多微观问题时碰到了难以解决的困难。

虽然麦克斯韦和法拉第等人认为：电磁场是在媒介以太中建立和传递的,并且他们成功地解释了“光”的电磁波的本质问题。光并不是别的什么东西,光只是电磁波的一种。然而当时间进入20世纪,伴随着许多新的现象,如光电现象等的研究,人们用电磁理论来解释光时,又碰到了新的困难,经过研究发现,光这个东西并不简单,光是一种性质相当复杂的物质,光的理论在今天仍然在不断地向前发展。

2015年,英国格拉斯哥大学和赫瑞瓦特大学的研究人员进行了一项实验,在实验中科学家安装了一个特殊隔层,单个光子在通过这一装置时,形态会发生改变,且速度出现了下降。

奇妙的是,光子在通过这一特殊隔层之后,即便重新回到自由空间,光子仍会以较低的速度前行。这一实验说明,光的构造可能比人类知道的更为复杂。研究人员称,降低光速的方法可以被用于更多的物理学实验中,人类或许能解开更多的宇宙之谜。

根据爱因斯坦的相对论,光在自由空间中的速度约为每秒30万千米。在经过水、玻璃等介质时,光速会出现下降的情况,但是只要再次返回自由空间时,光速就会回归正常。

目前人们向微观世界的进军仍然困难重重。究其原因,一方面是受到爱因斯坦狭义相对论的影响。爱因斯坦否定物质以太的存在,而创立了狭义相对论,虽然争议很多,但至今已一百年多了,仍然还起着十分重要的作用,有很多的理论问题也并不违反狭义相对论,至少可以说,狭义相对论是一个部分正确的理论。另一方面,对电磁现象的深层次的分析和探讨,科学界也存在着许多分歧,这有待人们对实验仪器的不断创新和研究。描述电磁现象的基本规律是量子电动力学,它是目前人类能够描述自然现象最精确的规律,对精细结构常数的计算结果与实验结果可以吻合到小数点后第8位。当然事物的发展是无止境的,必然会有新的发现。

爱因斯坦的狭义相对论反映了物体高速运动下的规律,即在接近光速情况下空间、时间、质量与运动的关系。其基本原理有两条：一是相对性原理;二是光速不变原理。这一部分内容之所以称为狭义相对论,是因为它只涉及惯性系中的物理规律,即这些参考系是相互做匀速直线运动的。

从以上两条基本原理出发,经过严格的科学推论,就得出了许多与经典物理学完全不同的重要结论。而经典力学可以认为是相对论力学在低速状态下的近似。

在狭义相对论中,不但力学定律在所有惯性系中一样,而且电磁学的、光学的、原子物理学的一切定律也在所有的惯性系中一样,这样一来,就要求光的速度在所有惯性系中一样。于是引起了空间长度和时间长短都随参考系的运动而改变,空间和时间变成相对的了。

爱因斯坦的狭义相对论进一步揭示出空间和时间与运动着的物质之间联系的具体形式,并且爱因斯坦用数学语言,用定律表示出了这种联系,为空间和时间的不依赖于人的意志的客观存在性提供了有力的自然科学证明。爱因斯坦的相对论有力地改变了经典物理学的空间和时间观念,这种改变是具有革命性的,因此列宁称爱因斯坦为“伟大的自然科学改造者”。

爱因斯坦的广义相对论基本原理也有两条：一是广义相对论原理(也称等效原理),即某一加速运动的参考系中的惯性力与在一个小体积范围内的万有引力是等效的;二是广义协变原理,即物理规律在一切参考系中都成立。(www.daowen.com)

爱因斯坦于1916年发表广义相对论,他把引力的观念建立在黎曼几何的基础上,从而得出引力场是某一种黎曼度量。从1905年到1916年,经过10年之久,爱因斯坦才发表广义相对论,这是为什么?据说爱因斯坦认为时空的坐标没有几何的意义不能习惯,所以一直到后来觉得非要用流形的观念不可。结果流形的观念(黎曼张量等)成为了广义相对论的基础工具。

爱因斯坦的广义相对论可以推导出一些重要的结论(也被称为相对论的预言)。例如：

①水星轨道近日点的运动规律。

②光线在重力场中传播时会发生弯曲。

③强力场中发射出的光谱线向红端移动(即所谓的“红移”现象)。

另外还有一些预言：

①光在引力场中传播时,光的频率、波长会发生变化。据此效应不难推知,在引力场强度大处,所有的(原子)钟都会变慢。

②从地球发射电磁波脉冲到其他行星,经反射可返回地球,电磁波在往返中,如果经过太阳附近,就受太阳较强的引力场作用,回波将会略有延迟。

③根据广义相对论,在黑洞中必然存在密度和时空曲率无限大的奇点。

④一个被加速运动的质量应当发射引力波。

20世纪科学发展中的另一门学科量子力学和相对论一起主导了20世纪自然科学的研究方向,这也被称为自然科学理论的一次革命。

量子理论是描述微观世界物质运动规律的基本理论,一般可将它分为：旧量子论和现代量子理论(即量子力学)两个发展阶段。

1901年普朗克在热辐射研究中提出量子论。

普朗克-爱因斯坦量子论是根据黑体辐射、光电效应实验提出的,它成功地解释了黑体辐射(黑体是指能吸收一切外来辐射的物体)和光电效应现象。

1911年,卢瑟福证实原子的模型结构。

1913年,玻尔发表了他的原子结构理论,成功地解释了氢光谱。

1924年,德布罗意融合光子理论和玻尔理论的正确方向,把联系光的两象性的关系式应用到实物粒子上,提出了物质波假设。

1926年,海森伯、薛定谔分别建立了量子力学的基础理论,其中薛定谔所建立的薛定谔方程,在量子力学中的地位大约相似于牛顿运动定律在经典力学中的地位。量子力学有两种形式：一种形式是由薛定谔在德布罗意提出的物质波理论的基础上建立的,叫作波动力学;另一种形式是由海森伯、玻尔等人建立的矩阵力学。通过进一步的研究表明,波动力学和矩阵力学两者是等价的,后来统称为量子力学。

1928年,狄拉克完成了相对论性的量子力学。

人们要揭示许多宏观现象和规律的本质,非从微观现象入手不可。20世纪30年代以后,实验科学的进一步研究发现,不仅电子,中子、质子、中性原子等一切微观粒子都有衍射现象。微观粒子的波粒二象性,揭示了微观粒子与经典粒子根本不同的属性,因而许多与微观粒子运动相关的物理现象,明显地表现出具有与经典概念所预期的完全不同的特点,不确定关系(或不确定性原理)就是这样一种重要的物理现象,此原理也称为量子力学的测不准原理。可以解释为：我们不能同时测准粒子的坐标位置及其相应的动量。因此,我们也不能比海森伯不确定性原理所允许的更准确。结果我们只能预言这些粒子的可能行为。

量子力学在低速、微观的物理现象范围内起着普遍作用,经典力学是量子力学的极限情况。量子力学的建立大大促进了原子物理学、固体物理学、原子核物理学等学科的发展,它标志着人类认识自然,实现由宏观世界向微观世界的飞跃。

在量子力学的建立过程中,有许多宝贵性的意见,也有许多争论性的意见,例如：薛定谔的“能流分布”观点,玻姆·德布罗意的“隐参数”观点,瓦采耳的“零子”观点,都强调了客观物质基础的存在性,反对能量可以从虚无缥缈中产生以及只有一种电子的解释,反对对波函数的几率诠释,但是这些不同的观点并没有引起人们重视。

爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论之所以产生在20世纪,是因为在当时需要把运动物体在电动力学中所确立的一些实验事实综合起来。对相对论最好的证明,是把相对论应用到物理学的各个领域所取得的无数成就。原子能的全部学说完全根据相对论所建立的质量和能量的关系式和E=mc2,因此这也成了整个现代原子核物理学的基础。

关于广义相对论,爱因斯坦本人的观点是他所创立的“万有引力理论”,是把相对性原理推广到加速运动而得到的。然而这种观点被许多科学家认为是不正确的,因为在那里,一点也没有谈到“广义相对性”。而正确的是把它简称为“万有引力论”。这个理论有着它自己的生命,而现在,由于有关各方面科学家的努力,对于这个理论已经研究出了另一种观点,它在某些重要的地方,不同于爱因斯坦的观点。

总之,从科学史的发展来看,不可能存在一种长期存在、万世不朽的理论,一种科学理论在某一时期是正确的,而随着科技的进步,必然有新的理论代替旧的理论。列宁说得好：“正如关于物质的构造和运动形式的科学知识的可变性并没有推翻外部世界的客观实在性一样,人类的时空观念的可变性也没有推翻空间和时间的客观实在性。”

爱因斯坦否定物质以太媒介的存在,他把空间理解为虚无的真空,认为“光媒介以太”是多余的。而且他认为“电磁波是靠其自身的电磁场传播的,根本不需要什么媒介”。而且爱因斯坦唯心地认为“我们的思维是概念的一种自由游戏”。正是由于爱因斯坦这种游戏的思想,创造了一些错误的概念和假设。尽管爱因斯坦出现了这样的一些问题,但也因为洛伦兹变换的应用,解决了一些“怎么样”的问题。爱因斯坦的著名公式：物质能量和质量互相联系的关系式,在原子核反应和一些基本粒子的反应里,都证实了质能关系的正确性,这样重要的结论已经在生产技术上和人类生活中产生了极为深刻的影响。在科学史上这种奇怪的巧合,使得爱因斯坦仍然称得上是一位世界上科学探索的巨匠。

然而直到今天(21世纪初),在人类探索自然的征程中,科学界在许多的实验观察中使用相对论的理论依然符合得比较好。因此即使有人对理论要进行修改,也必须在已知的实验中退回到相对论。然而,事实上在宇宙学中,由于广义相对论在大尺度和特别微小尺度还没有充分的实验证明其适用性,所以修改广义相对论也成为了一个非常热门的、主流的研究课题。

近来又不断发现了一些新的天体和新的宇宙现象。例如,在20世纪之前,从未有人提出过宇宙是在膨胀或是在收缩的问题。当时的人们一般认为,宇宙要么以一种不变的状态存在了无限长的时间,要么以我们今天观察到的样子在有限久的过去创生。

甚至那些意识到牛顿的万有引力理论导致宇宙不可能静止的人,也没有想到提出宇宙正在膨胀。另外还有人认为如果宇宙是无限而静止的,那么每一道光线都会终止于一个恒星上,使得夜空和太阳一样明亮。

当大多数人,深信一个本质上静止不变的宇宙时,1929年美国的爱德温·哈勃利用威尔逊山天文台的望远镜通过不断的观测发现：不管你往哪个方向观测,远处的星系都正急速地飞离我们朝太空深处而去,换而言之,宇宙正在膨胀。哈勃的这个发现是利用光谱分析得到的。他发现了遥远星系的光线,它们的光谱都向红端做轻微的移动,而且星系越远,这种向红端移动的量就越大。实际上,人们发现各星系“红移”的大小与它们离开我们的距离成正比。这种红移现象,最自然不过的解释莫过于假设一切银河系(包括河外星系)都在离开我们,离开的速度随距离的增大而增大。这个现象也可以说是散布在宇宙间的各星系在经历着普遍的均匀膨胀而已。据观测到的膨胀速度和当今各相邻星系间的距离的科学推算,这个膨胀至少在10亿年前就开始了。直到今天还没有完全弄清楚“红移”的原因,也很可能是我们在这里(地球上)初次碰到了某种自然的新规律。而这种新规律到今天之所以没有被我们知道,是因为它只能在距我们极大距离的场合才会出现。

最近的科学研究发现,通过对射电源的观测和研究,发现了一类新型的光学天体。它们是单个天体,在光学望远镜里看起来呈现为一个光点,有点像恒星,但与恒星又有很大差别,所以把它们称为“类星射电源”。随后又发现了另一类射电宁静的天体,人们将此二者合称为“类星体”。这是一种体积小而辐射能量极大的天体,并且还具有特大的光谱“红移”,它们的红移量甚至超过一般河外星系红移量的7倍多。对“类星体”的“红移”特征的发现及一系列的观测,是人类对天体演化认识的又一大进步。类星体为什么体积小而辐射能量极大?红移量为什么特别大?为什么类星体还出现多重红移现象等,学者们各有不同的看法,尚待进一步研究。

1938年,艾夫思、史迪威证实了运动光源存在多普勒效应。宇宙膨胀学说便把红移解释为宇宙膨胀的多普勒效应。值得注意的是,哈勃定理是从未验证过的一种推理,而类星体的高“红移”之谜也很难用现有的理论去解释。关于“红移”理论、大爆炸论或者宇宙膨胀学说虽有一定实验观测支撑,但都是未经证实的一些设想,都面临着严峻的挑战。

我们自称地球文明,然而至今我们人类对我们生存的地球还存在太多的不甚了解,对我们朝夕相伴的地球还没有认真地、十分细微地分析、研究和探讨。我们对地球的形成和发展,地球对太阳及银河系电磁场的依赖关系还没有认真地研究和认识,从而使得人们对很多自然之谜还无法解释。

在基本粒子的研究中,人们实验技术及实验成果越来越多,可是人们只是偏重于在高能方向上的研究,而至今所有的一切实验都只是在强电磁的约束和加速作用中进行的,对此人们忽视了在实验中增能增质对基本粒子实验的影响,至今还未认识到在高能粒子加速器中碰撞时的粒子已经远远不是入射时的质能量级了。因而,在此基础上对粒子结合能的解释(例如光子结合能为无限大的认识)便产生了谬误。对于基本粒子的研究和探索方向有待重新认识,对于夸克(层子)的研究,虽然1969年美国加州理工学院的牟雷·盖尔曼获得了诺贝尔物理学奖,但问题在于什么是真正的基本粒子——构成世界万物最基本的构件还没弄清楚。因此,对于夸克和胶子的假说还需要进一步探索,是否在方向上存在错误尚待证实。展望对于基本的物质微观结构的探索,最后集中在两个方面,即解决粒子间的相互作用力问题和物质结构的最小“基元”问题。这两个问题是互相紧密相关的,也是十分困难的。

中国科学家于1965～1966年提出了“层子模型”,认为强子是由更深的物质层次即层子(夸克)构成的,而层子本身也还是无限可分的,此假说受到国际重视,但未形成气候。后来国际上又发现了一种新的粒子称为胶子,胶子具有很强的力量,能把层子和层子“粘”在一起。著名科学家丁肇中在德国汉堡一台高能加速器上,首次找到了胶子存在的实验证据,这给强子是由层子(夸克)构成的理论以新的支持。

因发现粒子服从不相容原理,1945年泡利获得了诺贝尔物理学奖。这个原理的中心思想是说：两个类似的粒子不能存在于相同的状态中。也就是说,在不确定性原理给出的限制下,两个类似的粒子不能同时具有相同的位置和速度。据此,可以解释为何物质粒子,在自旋为0、1和2的粒子产生的力的影响下,不会坍缩成密度非常高的状态(因为两个类似的粒子不能存在于相同的状态中)。

如果物质粒子几乎处在相同的位置,则它们必须有不同的速度,这意味着它们不能也不会长时间地存在于相同的位置。如果世界在没有不相容原理的情况下创生,夸克将不会形成分离的轮廓分明的原子。它们的全部就会坍缩成为大致均匀的稠密的“汤”!

由于射电望远镜和大气层外探测器的出现,全波天文学的发展和重大发现,超导温度不断提高,不断地发现了一些新天体和新现象,例如类星体、脉冲星、宇宙背景辐射以及星际有机分子等。这些现象的研究很受科学界重视。因为它们多与极高温、极高压、极高密度、极强磁场、极强辐射场等极端条件有关。这些极端条件,在地面上的实验中是无法获得的,因此,它给科学研究提供了极为理想的“天然实验室”。还要特别提到的是2017年我国发射的硬X射线调制望远镜“慧眼”,它能穿过星际物质的遮挡去观看宇宙中的X射线,它能提示宇宙中所发生的惊心动魄的景象;它实际上是一座太空天文台,可以扫描银河系,监视恒星爆发,测量黑洞的质量等。在这样高级的实验室内,人们通过它对天体本质的探索,对天文学、物理学、化学所提供的条件已不是地面上的实验室所能办到的,它可以使人们了解物质世界中许多未知的物质状态和规律。人们意识到,在这里交织着宏观世界和微观世界的前沿,可能正在酝酿着人类认识自然的一次重大的新的创造性突破。

人类文明的历史,包含着无数探索者、科学家艰苦卓绝的劳动和奉献。杰出的科学家们,是人类的骄傲和最伟大的财富,是永远值得尊敬的。但是他们的认识也具有历史局限性,受认识规律的时间性、科学性、条件性等因素影响。因此,他们的理论并非是完美无瑕、尽善尽美的,也不是绝对正确、万世不变的,权威的地位也不会是永远的和绝对的。

任何历史阶段的理论都面临着历史发展的挑战,经典力学、现代物理学、宇宙学、地球学、生物学等理论都面临过挑战,就连统治了世界科学2000多年的欧几里得几何也不是绝对正确的,也受到非欧几何的挑战。挑战是追求真理的辩证认识的必然经历。辩证认识的意义在于：在历史发展的进程中,有些理论需要探索和确立,使理论不断地进化,使认识不断地深化;有些理论需要修改和完善;有些理论需要否定和扬弃等。只有这样,人类的认识才能不断地接近自然,不断地与客观实际相符合,从而促进人类的认识和科技文明不断地前进,不断地发展。人类求知的最深切的意义足以为我们不断探索宇宙提供充足的理由,而科学家们的目标也恰恰正是对人类生存于其中的宇宙做出完整的描述。

特别值得提及的是改革开放以后,中国从1993年开始筹划,经过多年的研究,于2011年3月25日开工建造的“500米口径球面射电天文望远镜”,中国的超级“天眼”,简称为FAST,已于2016年9月25日在贵州大窝凼洼地的喀斯特洼坑中建成,开始接收来自宇宙深处的电磁波。这是具有我国自主知识产权,世界最大单口径、最灵敏的射电天文望远镜,其接收面积相当于30个足球场的标准面积。它与德国波恩100米口径天文望远镜相比,灵敏度提高将近10倍;它与被评为人类20世纪十大工程之首的美国阿雷西博望远镜(其口径为350米)相比较,综合性能提高约10倍,普遍认为FAST在未来的20～30年内将保持世界一流的地位。从此,我国的空间测控能力将由月球同步轨道延伸到太阳系的外缘。FAST可以捕捉到宇宙空间100亿光年之外的星际信号。FAST的索网结构可以随着天体的移动而自动变化,带动索网上活动的共计4450个反射面板产生变化,足以观测到任意方向的天体,同时其馈源舱也会随着索网一起运动,采集反馈信息。FAST的建成和投入使用,突破了射电天文望远镜的百米极限,开创了人类建造巨型射电望远镜的新模式,利用它可以探测到宇宙深处更多的奥秘。