据我们所知，自从有人类存在以来，人们就热衷于注视夜空中遥远的天体——观察它们、了解它们的习性、总结出它们的规律并且对它们的排列赋予某种含义。如果你像许多先人做过的那样，在晴夜里躺在山顶牧场的草地上，你就可以看到，天空呈现出无以述说的复杂性。古代巴比伦人和埃及人只靠少量工具，就进行了许多复杂的观测，但是一旦伽利略在17世纪把望远镜用于观察恒星和行星时，有关我们之外世界的信息就开始成倍增加。伽利略发现，行星之一的木星有卫星；后来证实，另一颗行星土星有光环。当望远镜改进后，天文学家开始认出新的结构，并且发现，在我们的太阳系中有更多的行星。到了19世纪，他们的工具箱中又增加了摄影术和光谱术（用于研究辐射源发射的能量分布，把光线分成各种成分，并按波长次序排列）。
但是到了20世纪，理论和实验之间不断的交互作用以及天文学和物理学的联姻，完全改变了我们对宇宙广阔领域的理解。在20世纪上半叶，爱因斯坦相对论教导我们说，我们生活在一个时空连续统一体中，它的形状受到物体质量的影响。20世纪最初的几十年，量子理论和核物理学的一系列进展为宇宙起源及其早期历史准备了特殊的新思想。与此同时，观测天空所用仪器和方法的进展，促使以前从未梦想到的新型天体终被发现，其中包括其他恒星周围的行星、恒星“苗圃”、远距离星系等。天文学、天体物理学和宇宙学（研究宇宙的起源和结构）比以往任何时候都更受有胆有识人士的青睐。正如莎士比亚笔下的哈姆雷特告诫他的朋友时所说：“霍拉提奥，在天上和地下有比你的哲学所梦想到的更多的东西。”这句话就此成为20世纪后半叶天文学家和物理学家的座右铭。
比梦想到的更多
在20世纪50年代初，天文学家桑达奇（Allan Sandage，1926—）夜复一夜地坐着升降机登上海尔天文台圆屋顶下的一个高台，坐在被称为主焦笼的精巧机构里面，这是200英寸望远镜的观测点。海尔天文台坐落在加州帕萨迪纳附近的帕洛马山上，山顶的冷空气使他的手指和脚趾都冻僵了；但桑达奇珍视他的独处和处于时间机器的驾驶舱里的感觉。这就是他与星星为伴的夜生活，他从未错过一次机会。
桑达奇和他的同事们可以任意使用当时光学天文学里最好的设备。200英寸（五米）海尔望远镜刚刚在1948年完工，桑达奇曾经在威尔逊山附近出色的100英寸望远镜前，在修玛森（Milton Humason，1891—1972）的指导下受过训练。后来他找到了一份工作，担任星系测量大师哈勃的助手，从此开始投身于持续终生的事业中。
哈勃曾经成功地测量了邻近星系的距离，他承担了一项长期计划，目的是测量更远星系的距离，并且最后测量宇宙的大小。他的发现叫做哈勃定律，这个定律说的是，星系越远，它发出的光线向光谱的红端位移得越多，也就是说，它离开我们的速率越快。这一光线的“红移”现象实际上是一种多普勒效应，就像火车呼啸而过，或者超速行驶的汽车离去时的喇叭声——当宇宙膨胀时星系互相远离，由于星系的运动使光线产生红移。
桑达奇的任务是拍摄星系，搜寻星系里面的可变星，以便测量星系之间的距离。当哈勃在1953年去世时，桑达奇的工作才刚刚开始，但他继承了哈勃在200英寸望远镜跟前的工作时间和他的所有图表与记录，全力以赴投身于对广阔时空的测量上。正如英国光谱学家希尔（Leonard Searle）所说：“桑达奇专注得如此不可思议。他是一位非凡的科学家，他全身心投入到工作中，他看来是一个狂热的人。”
许多年后，基于对某些球形星团光谱特性的考察，他最终得出结论，这些星团和整个宇宙的年龄不超过250亿年。现在天文学家用桑达奇提出的这个尺度来测量各种星系的距离，从几百万光年到几十亿光年。
对于观测天文学家来说，这是一个激动人心的时代。新的证据不断出现，天体物理学家和其他学科的同事们经常探讨的问题——例如，中微子真的存在吗？恒星爆炸时会发生什么？恒星是如何演化的？它们的内部深处是怎样的？只有到了现在，由于科学家获得了新工具，并且找到了新方法来运用旧工具，我们才有可能开始找到某些答案。
观测的新方法
每当我们从地球向太空凝视时，即使是通过位于高山之巅的望远镜并远离城市的灯光，也总有大气层的遮挡，因而扰乱且模糊了视觉。许多天体有可能看不清楚，某些处于可见光范围之外的辐射有可能完全观测不到。但是随着太空火箭在1957年诞生，历史上第一次有可能从大气层外进行观测。
1962年6月，焦孔尼（Riceardo Giacconi，1931—）及其同事在探测火箭上搭载了一台x射线探测器，看看它有无可能找到月亮上荧光的证据。这颗从新墨西哥的怀特桑兹发射的火箭，第一次发现了宇宙X射线源天蝎座X-1（这个名字表示它是在天蝎座发现的第一颗X射线源，天蝎座是部分位于银河系的南半球星座）。寻找一个处于电磁波谱不可见波段，例如x射线的天体，很像听到有人敲门，却看不见有人在门外，等你打开门，却又不知道谁在敲门。1967年，天文学家找到与天蝎座X一1配伍的可见天体，是一颗名叫V 818 Sco的变星。第二个X射线源金牛座X-1是1963年发现的，不久就认出它是巨蟹座星云，这是中国和日本天文学家在1054年观测到的超新星所遗留下的膨胀气体和尘埃组成的湍流云团。在这些发现之后，又进行了一系列火箭探测和气球探测，到了1970年，天文学家在我们的银河系中找到了25或30个X射线源。到了1970年12月，第一支X射线人造卫星轰隆隆发射上天，它发现了大量新的X射线源，大多数后来证明是双星系统（由两个相伴的星组成）。
1983年，美国国家航空和航天局（NASA）与荷兰和英国合作进行太空计划，发射红外天文学卫星（IRAS），普查整个天空（只差2%）的电磁波谱红外波段的红外源。IRAS装有液氦冷却的光学系统，连续勘查了近11个月，直到氦用完。数据在经过分析和整理之后，得到的IRAS观测目录非常广泛，其中包括织女星周围的尘埃外层，5颗新彗星和有关发射红外辐射的各种天体的广泛信息。
钱德拉和卢梭（Henry Norris Russel，1877-1957）正在谈话。美国1981年第一次发射的航天飞机，提供了一种把复杂的天文学观测站送入轨道的途径。美国国家航天局大型观测站系列中的第一项就是哈勃空间望远镜（HST），是1990年发射的。哈勃空间望远镜设计成能够窥视太空深处，在时间上可以追溯到遥远的过去，并且能够获得清晰度空前的图像。尽管哈勃空间望远镜出发时就有着明显的先天不足，但它还是发回了惊人的可视数据与信息丰富的图像——甚至还发回了无数与类星体、脉冲星、正在爆炸的星系、恒星的诞生、宇宙的年龄和大小等（这里只是列举了少数几项）有关的新信息。并且，哈勃空间望远镜被设计成能够对140亿光年前的原始星系进行探索，那时宇宙才刚刚诞生。它还能够对宇宙的大尺度结构进行深度红移研究。哈勃空间望远镜的分辨能力十倍于最好的地基望远镜，可以分辨近星场和星际大气的细节。它沿着地球上空380英里的轨道运行，最有希望在大尺度上对有关宇宙的各种问题给予明确的答案，包括它的大小和运动。遗憾的是，在它1990年发射后，发现有一块望远镜镜片存在缺陷，使几乎20年来一直在盼望得到它数据的天文学家大失所望。虽然望远镜仍然能够收集科学上有价值的图像，但它的模糊画面远不能满足计划的要求。不过航天飞机上的人员后来很好地完成了修理任务，不仅解决了这一问题，而且还完成了各种保养、维修和更新，使得哈勃空间望远镜的性能远远超过了原定计划。由于有了新的光学仪器，哈勃空间望远镜可以拍摄100亿至110亿光年远处的星星，保养和升级使它的寿命延长到了21世纪。
其他空间观测站也加入哈勃空间望远镜的队伍。康普顿7射线观测站（CGRO），特长是γ射线天文学，1991年发射，2000年完成任务。它携带了四台大型望远镜，有的大如小型汽车，每台都能在特定的能量范围内辨认7射线。这是因为，和所有的辐射一样，V射线只能是在与物质相互作用时才能检测到。因此康普顿γ射线观测站的探测器把探测到的射线转化成可见光的闪烁，再对闪烁进行计数和测量。γ射线在电磁波谱中是能量最大的辐射，从几万电子伏到几百亿电子伏。（相比之下，可见光只有几电子伏。）
在地面上完全不可能探测到宇宙γ射线，因为它不能穿透大气。但是在过去几十年里发现的许多最令人感兴趣的天体，包括类星体、脉冲星和中子星，都释放出大量能量，会产生7射线。天文学家希望通过康普顿γ射线观测站收集到的数据，对它们的结构和机制取得新的认识。科学家甚至想到，γ射线辐射也许是被黑洞吸入的物质发出的，通过这一辐射也许能够对消失前的物质有所了解。
他们还计划建立其他“大型观测站”，以便按电磁波谱的不同区域对宇宙进行快速扫描。也许今天美国宇航局最令人激动的观测站是钱德拉X射线观测站，这是美国宇航局大型观测站系列的另一部分。这个观测站是为了纪念理论物理学家钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar，1910—1995），一般称之为钱德拉。他出生于印度的拉合尔（现在属巴基斯坦），就学于剑桥大学的三一学院，1933年获博士学位，1953年成为美国公民。钱德拉是一位诺贝尔奖获得者，以其治学严谨和对白矮星的重要研究闻名于世，此外，他还研究了恒星的大气层、结构和动力学。
钱德拉X射线观测站1999年发射后，已经发回了许多清晰图片，作出了许多发现，其中包括第一次拍摄到了正在爆炸的恒星所发出的冲击波全景、白矮星发出的闪光和大星系吞噬小星系的情景。仅仅从太空航天飞机发射出去两个月，它就显示出围绕蟹状脉冲星的中心有一闪耀的环。脉冲星位于蟹状星云内，是超新星爆发后的残余。闪耀的环给科学家提供了脉冲星如何为整个星云供应能量的线索。
天文学家还知道，在银河系中心存在一个质量巨大的黑洞，但是他们从来没有在那个区域找到他们所希望的X射线辐射。钱德拉观测站在银河系中心附近发现一个微弱的X射线源，有可能正是长期寻找的信号。
钱德拉X射线观测站还发现在200万光年远处有一团气体呈漏斗状涌入巨大的黑洞，该气团比科学家预计的要冷得多。正如天文学家唐纳班（Harvey Tananbaum）所说：“钱德拉观测站教会我们去期望观测一切未曾想到过的天体，从太阳系的彗星和附近的白矮星到相距几十亿光年以外的黑洞。”
NASA大型观测站列表望远镜太空行动任务日期哈勃空间望远镜（HST）电磁波谱中的可见光区域以及近红外和紫外部分的天文学1990年；1999年任务延长康普顿γ射线观测站（CGRO）从天体发射的γ射线收集数据，这部分一般是宇宙中最强烈、能量极大的物理过程1991年；2000年退休钱德拉X射线观测站（CXO）观测光谱中的X射线区，研究类星体、黑洞和高温气体之类的天体1999年空间红外望远镜（SIRTF或者斯匹查空间望远镜）捕获被尾随地球轨道的太阳轨道大气阻截的热红外发射2003年詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）大型红外优化望远镜，作为哈勃望远镜的继续2009年（计划）
在2002年里，钱德拉X射线观测站提供了两个星系碰撞的真实记录。由于甚至在我们的银河系中，类似这样的碰撞可能已经多次发生，钱德拉X射线观测站的图像也许对宇宙为什么变成现在这个样子，提供了新的见解。科学家从钱德拉X射线观测站的证据想到，名叫Arp 220的星系的大量新星可能就是这种巨大碰撞融合的结果。星系合并还发送出巨大的冲击波穿过太空的星系际区域，在融合的星系中心形成质量巨大的黑洞。天文学家从钱德拉x射线观测站的信息得出结论，融合已经发生了几千万年，这个时间在宇宙的尺度上并不算长。
2003年8月25日发射了另一台激动人心的观测站，空间红外望远镜[SIRTF，现在重新命名为斯匹查（Spitzer）空间望远镜]。斯匹查专门针对IRAS和ISO顾不上的内容，考察红外谱区，它是对巨型观测站（不包括下一代空间望远镜）的最权威的补充。技术上的最新进展应该可以保证这一观测站成为最大和最有成效的观测站之一。用上这样先进的红外探测器，人们预期可以完成复杂的大面积测绘，它的装备足以使它的扫描速度比任何其他空间船载的红外望远镜快上百万倍。斯匹查还应该能够帮助回答有关恒星和行星形成、类星体等高能天体的起源、星系的形成和演变，以及物质的分布等关键性问题。
星体内部发生了什么事情
贝特是第一流的核物理学家，曾经在他的祖国德国跟随索末菲学习，此外还到剑桥大学跟随过卢瑟福，到罗马跟随过费米。当希特勒上台掌权时，贝特离开德国到了美国，在那里参加原子弹的研制工作，但是他对科学的最大贡献是他在1938年提出的关于恒星内部过程和机制的理论。他运用的是对亚原子物理学的详尽知识和爱丁顿的结论：即恒星越大，内部的压力越大，温度也越高。
贝特的讨论由此开始，先是氢核（质子）和碳核，由此启动了一系列反应，最后导致碳核的重新组合和氦核（一个α粒子）的形成。也就是说，恒星发动机用氢作为燃料，用碳作为催化剂，排出的“灰烬”就是氮。由于类似太阳的恒星大部分都是由氢构成，它们大多都有足够的燃料维持几十亿年。贝特还勾画出了另一幅可能的情景，氢核直接组合在一起，（没有碳催化剂）经过几个步骤再形成氦，这个机制可以在更低的温度下发生。贝特由于太阳和恒星能量生成（他称之为聚变）的研究而获得1967年诺贝尔物理学奖。
1948年，伽莫夫对贝特的思想——核反应为恒星提供能量并且充当它们的辐射能源——发生了兴趣。他和贝特一样，也是经过正规训练的物理学家，但是他对天文学的兴趣从13岁就开始了，那时父亲送给了他一台望远镜。伽莫夫出生于俄罗斯，在欧洲几个大学学习过，在那里他与玻尔和卢瑟福共事过。20世纪30年代转到美国，与原子物理学家泰勒合作，开始在圣路易斯的乔治·华盛顿大学教书，随后决定留下。伽莫夫对此的进一步计算表明，当恒星在这一过程用完基本燃料氢后，星体将变热。他假设，我们的太阳不是逐渐变冷，而是缓慢地变热，最后将把地球上的生命烘烤摧毁，甚至最终把它们吞没。
以太空为基地的对太阳的研究肯定了贝特和伽莫夫的聚变推动恒星的思想，此外还发现了其他许多有关太阳的事实，其中包括由带电原子性粒子组成的太阳风的存在，它不断经过行星吹向太阳系的边缘。1973—1974年间，美国太空实验室空间站有三项太空行动，宇航员最初集中关注太阳，发回了有关太阳活动的75 000张照片，其中包括6张太阳耀斑（太阳能量的爆发性释放）。
星体演化：配恩-伽珀斯金
20世纪天文学家探讨的重大问题中，有一个就是“恒星的生命史是怎样的”。一旦得知恒星经历这样的过程：诞生、年轻时的炽热明亮、渐渐衰老、然后死亡，天文学家就迫切想要揭示其细节。在这些前沿探索者中，有一位妇女名叫配恩·伽珀斯金（Cecilia Payne-Gaposchkin，1900—1979），她在20世纪后半叶被公认为历史上最杰出的、当今最著名的女天文学家之一。
配恩出生于英国的温都沃，1919年获得奖学金进入剑桥大学，在那里受到爱丁顿的激励，投身于天文学。夏普勒邀请她参加哈佛学院天文台，她接受了邀请，在坎农（Annie Jump Cannon，1863—1941）的领导下从事光谱研究。坎农负责哈佛大量恒星光谱照片的分类整理工作。配恩在哈佛完成了博士论文《星体大气》，对于这篇论文，斯特拉夫（Otto Struve，1897—1963）评价为“历史上天文学中写得最好的博士论文”。配恩24岁时，综合了光谱数据和她自己的观测，推导出每一类光谱代表的温度以及恒星大气的成分。配恩是一位杰出的科学家，她喜欢把自己说成野外博物学家，善于“把以前认为是没有联系的各种事实收集在一起，并且看出它们中间的规则”。尽管她从不张扬自己，也从未想过要这样做，然而，她显示的特点却是一个伟大理论家的关键品质之一。
1934年，配恩与拾基·伽珀斯金（Sergei I。Gaposchkin，1898—1984）结婚。他是新近加入哈佛学院天文台的研究变星的专家，他们两人合作写过许多论文。20世纪50年代，配恩还写了三部有关星体演化的重要书籍：《成长中的恒星》（1952年）、《天文学导论》（1953年）和《银河系新星》（1957年）。1956年，她成为哈佛大学教授，是哈佛大学历史上第一位女教授，她还是所在系的第一位主任，当了12年。她的压轴之作是1979年出版的《恒星与星团》。
和大多数专注于自己工作的人一样，科学家有时也会因为忌妒同事取得突破性进展而烦恼。为了避免这种忌妒之情，配恩常常喜欢说，她建议科学家应该扪心自问，他关心的是知识的进步还是自己事业的进步。显然，配恩更倾向于关心知识的进步。
新方法，新发现
1931年，来自俄克拉荷马州的无线电工程师央斯基（Karl Jansky，1905—1950）运用改进过的天线，以确定无线电话联络的干涉源，由此创建了天文学中一门崭新的分支，叫做射电天文学。他在1932年发表了第一篇论文，1933年确定他发现的天体射电辐射来自银河系。
然而，这个领域并没有立时流行。射电天文学最早是从1946年由澳大利亚的欧文（E。G。Bowen）领导的太阳研究开始的。1947年，射电天文学家追踪第一个射电天体，发现它与肉眼观察到的蟹状星云位置吻合。今天天空的射电定位可以用来制作图像，帮助我们“看见”遥远星系和恒星的温度等级和热量分布。
射电望远镜往往用盘状天线收集射电波。然而也有可能，建造射电波天线时不建造盘状天线，这正是央斯基贯彻的思想。英国有一组成功的天文学家，在休伊什（AnthonyHewish，1924—）领导下，就是这样做的。平常射电天文学所用天线是用金属或导线网做成凹面反射区。最有趣的一个是世界上最大的固定盘式射电天线，安装在波多黎各的阿雷西博。这台望远镜建于1963年，天线盘直径1000英尺，占地25英亩。天线盘由40000个单个的反射面板组成，附在钢缆网络上。大量面板把来自太空的入射射电波聚焦于悬挂在天线盘上方的检测平台。近年来，射电天文学家提高了设备的分辨率，办法是建造一排天线，例如新墨西哥州索科洛的巨型阵列（VLA），它是世界上最大的射电望远镜阵列，由27个望远镜天线盘组成，在平地上排列成大Y字形。
射电天文学在第二次世界大战之前并没有真正流行，但是当它流行以后，天文学家开始对这种探索天空的新方法激动万分，射电波可以穿透尘埃云，而尘埃云会吸收太空中的太阳光，从而使光学天文学不易展开。射电波对银河系中心的研究特别有帮助，因为用普通的办法完全看不到它们。
桑达奇和马尔顿·施密特（Maarten Sehmidt，1929—）发现类星体与休伊什和约瑟琳·贝尔（Joeelyn Bell，1943—）发现脉冲星用的手段都是射电天文学。
类星体
20世纪50年代发现了一些致密射电源，但是当时的射电望远镜还不能精确给天体定位，所以很难把这些天体与用光学望远镜得到的可视图像相比较。其中有一个叫做3C273的致密源在1962年正好被月亮遮住，这才得以确定它的位置。桑达奇用帕洛马山顶的200英寸海尔望远镜拍摄到的照片在那个位置显示出一个暗沉的星状天体。
但是这颗星具有不寻常的光谱，它含有不能辨认的吸收谱线。这颗以及后来出现的其他类似的星体就叫做类星射电源，或简称类星体。
1963年，施密特发现，3C2273光谱中的吸收谱线仍然是普通的谱线，只不过向光谱的红端有大规模位移。在以后的年代里，天文学家发现了大量类星体，它们具有特别大的红移量。
恒星的光谱不仅能够揭示它的化学成分，而且从多普勒位移或红移，人们可以推算出它相对于地球的退行速度。许多银河系外的星系在它们的电磁波谱中都有趋向红端的位移，天文学家认为这些是多普勒位移，说明这些系统正以一定的速度远离我们而去，这是对宇宙膨胀的一种肯定。宇宙膨胀引起的红移被称为宇宙红移。如果类星体的红移也是宇宙的，那么它们一定处于非常遥远的地方——可能远在十亿光年之外——这就使它们成为望远镜能够观察到的最远的天体。再有，既然距离如此之远还能观察到，表明它们的能量一定非常巨大。正如哈勃指出的那样，天体离开我们的速度正比于距离。这一结果导致了如下的思想：宇宙产生于一次巨大的爆炸，而星系是向各个方向飞散的残片。这也意味着，观测到的类星体离我们非常非常远。
类星体的发现给天文学家带来了巨大的困惑。这一发现的后果或者是怀疑红移这一天文学准绳的可靠性，或者是同意在什么地方还有我们无法解释的过程。有些已经认出的类星体可能处于十亿光年以外的地方，也许它们是中心极其活跃的星系，但是离我们太远，所以它们看起来似乎是非常暗淡的单个恒星。
然而，并不是所有天文学家都相信，类星体显示了宇宙红移。例如有一位美国天文学家阿普（Halton Arp，1927—），他发现了一系列由一个类星体和一个星系组成的系统，它们似乎在物理上是相互联系的，但在它们的光谱中显示出非常不同的红移。于是他论证说，除了宇宙的膨胀以外，一定还有某种未知的机制在影响这些红移。大多数天文学家相信，类星体具有宇宙红移，而阿普发现的系统只具有表面上的相关性，它们实际上离开地球的距离远不是这样。
数据中的暗号
1967年7月，休伊什和他的学生在英国卡文迪什实验室附近的场地上排列了一长列的天线，做成更强大的射电望远镜，用来观测射电星光的闪烁。研究生约瑟琳·贝尔的工作是检查每天的星表，寻找有趣的数据。8月份，她注意到在天空中有一个小点在奇怪地闪光，在这一位置从来也没有出现过类似现象。休伊什认为可能是接收器的噪声。他们笑着把这一信号称为来自另一个世界的“小绿人”发出的信号，然后继续收集数据。后来不仅这一信号继续出现，而且贝尔小姐又发现了三个类似的脉冲射电源。他们开始意识到，这些数据反映了一个真实的现象：有一类天体，是以前从来没有检测到的。他们开始运用已知的物理定律寻求解释。
休伊什、贝尔和他们的同事就这样发现了所谓的脉冲星（因为它们在发出脉冲），科学家们认识到，他们检测到了中子星。所谓中子星，指的是这样一类星，其密度达到难以置信的程度，如同像太阳那样大的质量硬挤在一座山里面一样。尽管有人曾经认为中子星可能存在，以前却从来没有人检测到。
倾听生命之音
射电天文学也是一小群专注的科学家所用的关键性工具，他们探讨的问题是：我们孤独吗？有一些人——被称为外空生物学家——正在寻找各种暗示，看看我们人类是不是宇宙中唯一的智慧生命形式。他们中间包括著名的美国天文学家萨根（Carl Sagan，1934—1996），他和德鲁阳（Ann Druyan，1949—）合写过一本小说，书名叫《接触））（Contact）。这本书的主角是一位妇女，她把整个一生都投入到系统和科学地探究来自地外文明的可验证的符号或信息上——不是指飞碟（UFO）。小说具有想象成分——毕竟它是小说——但是萨根知道科学家是怎样对待这个问题的，当问题涉及地外智慧的搜寻（SETI）时，他把科学放在正确的位置上。考虑到“地外人”来到的可能性微乎其微（即使从太阳系之外最近的恒星到我们地球旅行，也需要经过许多代），许多科学家以为，我们也许有一天能够接收到从宇宙中某处另一个太阳系的类地行星发出的信号。但是当它到达时只有我们正在倾听，才能认出它来。
然而，搜寻太阳系之外的文明所发出的信号，其难度堪与试图在宇宙的干草堆里寻找一根针，或者在尼亚加拉大瀑布的吼声中尽力听出蟋蟀的声音相提并论——我们始终想知道，我们要找的针或者想要听到的声音究竟有没有，也许我们到头来什么也没有发现，顶多只是发现不平静的自然界在随意、持续地扰动而已。但是有些问题似乎是永恒的，深深地扎根在人们的意识里。“我们是不是孤独的？”就是这样一类的问题。20世纪80年代和90年代技术的发展已经成熟到可以进行此类实验。在世界范围内，科学家开始审视通过组织严密的搜寻所获得的来自太空的各种信号。天体物理学家和SETI科学家奥利弗（BernardM。Oliver，1919—1995）1986年在一次采访中说过：“如果我们是正确的，那么，经过好几十亿年，应该有大量的智慧文明像群岛一样在这个星系里成长，如果他们在其整个历史中都处于孤立状态，这对我来说是不可想象的。”
SETI方法第一次重大突破发生于1959年。这时有两位科学家莫里孙（Philip Morrison，1915—2005）和柯孔尼（Giuseppe Cocconi，1914—）提出，射电天文学可以用于与其他世界通信。为什么是射电天文学呢？奥利弗解释说：“从经济和效率来看，信息载体应该符合以下标准：（1）其他条件相同的情况下，能量……应该最低；（2）速度应该尽可能大；（3）粒子应该容易产生、发射和捕获；（4）粒子应该不会被星际介质显著吸收或偏转。”这些标准射电波都容易满足，因为它快速、有效而且相对便宜。所以，仅仅从逻辑上判断，智慧文明（如果存在的话）应该选择射电谱穿过浩瀚的星际太空来传送长途信号。
第一项针对地外智力进行的射电望远镜探索是名叫欧兹马的计划，是1960年由SETI先驱德雷克（Frank Drake，1930—）在美国西弗吉尼亚州绿洲的国家射电望远镜天文台（NRAO）进行的。德雷克选择了两颗邻近的类似太阳的恒星，鲸鱼座τ星和波江座ε星，用了整整150小时“倾听”。结果什么也没有发现，但是他开了一个头。
欧兹马计划之后，在美国、苏联、澳大利亚和欧洲发射了30个以上的SETI实验装置，都没有取得结果。尽管组织了许多小时的综合倾听时间，但它们覆盖的仅仅是全部可能性的一小部分。光谱的各种方向和分段以及信号调制的各种类型还有几乎无穷无尽的组合有待探索。
到了20世纪八九十年代，新技术和现代计算机的巨大数据处理能力使这些研究发生了革命性的变化。多通道分析器现在可以同时精确地显示数以百万计的射电频道。有一个计划，是1985年9月由名叫行星学会的非盈利组织建立的，创造了一台新的840万频道分析器。NASA的SETI计划于1993年失去了国会的拨款，只是在私人的资助下才得以维持，它利用超大规模集成（VLSI）电路，收集多达1000万个单独的频道。来自望远镜的实时数据由这台仪器进行分析，寻找有意义的数据，然后传送到信号分析器，再转到强大的计算机里。
如果没有这一自动筛选过程，来自射电望远镜的信息量将庞大得无法处理。在运用更先进的技术之前，一次5天观测期可以产生300盘以上的数据磁带。用一台计算机分析这些磁带上的数据，需要花两年半的时间。天文学家塔尔特（Jill Tarter，1944—）在有了这一经历后，画了一幅漫画，在由计算机打印输出叠成的磁带山下伸出一双脚，旁边写道：“活人被埋了！”她后来解释道：“如果是不实时的，你没法做这件事情。”也就是说，如果获得数据时，你不能实时处理，你将会发现：“你不能储存它，又不能靠人的智力处理它。你现在有了一种比以前精细得多的仪器，只要告诉它规则，它就会按照你的规则忠心耿耿地执行。”这项工作要求设备能够清除巨量不相关的杂音，仅仅保留可能有兴趣的信号。新技术做的正是这样的事情。
但是有了分析数据的设备还只是挑战的一部分。你面对的是浩瀚的宇宙，你向哪里观测呢？你要搜寻的对象是什么？SETI的研究者平常用的是两种方法之一：用灵敏的仪器追踪几个有希望的恒星，或者用不太灵敏的仪器以更宽的频带对整个天空进行宽带扫描。这是一个看不到头的任务，一个人可能一辈子都得不到肯定的结果。这也可能是一项带着一长串“如果”的作业。首先，假如地外文明真的存在，它有没有可能按照同样的推理，选择同样的频率，向我们这一方向播送信号？也许更重要的是，他们有没有这样代价昂贵的接近我们的企图？或者地外科学家在说服某个星系国会提供经费给这类大胆但很可能是无用的冒险事业时，会不会遇到麻烦？再有，考虑到宇宙已经存在了亿万年，当我们达到具有搜寻其他文明信号的能力时，这个时刻也许与信号到达的时刻并不吻合。从相距4光年的地方发来的信号只要4年就可以到达，然而今天从100光年以外的文明发来的信号还要再过100年才能到达。
但是，不管回答是10年、20年、50年或者甚至100年，大多数研究者都同意，我们不只是通过不确定的答案来知道情况，而是从我们搜寻的方法来知道情况。
搜寻就这样继续着。智慧是不是孤立的现象，而地球是不是它唯一的代盲人？我们是自然界短命的怪物，还是更大的宇宙社会的一部分？像我们这样的文明，是否能够长期存在，以至有能力到达其他世界，还是人类注定要灭亡，孤独地和不被注意地，在大自然的操纵下走向末日？有没有其他类似我们自己的代言人，宇宙黑暗中的其他搜寻者，正在寻找光和友谊？正在寻找希望？只有时间，以及全世界的SETI计划才会作出回答。
太阳系外的行星
1995年以前，科学家正确地假设，一定还有其他的太阳系，但是没有一个人看到过任何证据，能证明其他恒星有像地球一样的，与太阳系其他行星一起围绕着太阳旋转的行星。后来，运用多普勒光谱学，发现在一颗叫做飞马座51的恒星周围有一颗地外行星在旋转。这是一项令人激动的突破。从那时起，直到2003年9月，太阳系外的行星数目上升到了110个，它们的位置全是用同样的方法确定的。到目前为止，它们都是一些非常大的行星，比气体巨星木星还要大得多——不过这些也是最容易发现的。还有许多行星也许存在却至今未能检测到。
在我们太阳系之外快速地发现了如此之多的行星，是一个令人激动的迹象，暗示在宇宙中某些地方确有可能存在导致生命起源的环境。这是一个尚未揭开的大奥秘。
早期阶段
千百年来，人们始终在问：宇宙是怎样开始的，它会不会结束，怎样结束？然而当20世纪50年代有可能科学地解释这个问题时，大多数天文学家却试图回避。伽莫夫是一个例外。1948年伽莫夫研究出了一个方案，认为勒迈特利（Georges Lemaitre，1894—1966）提出的某种原始“宇宙蛋”或者“超级原子”的爆炸可能导致宇宙内各种元素的形成。伽莫夫是通俗科学读物作家，很快就由于这一关于宇宙起源的思想而声名鹊起，尽管这一思想并没有被普遍接受。
其实，许多科学家感到“早期阶段”问题要么不属于科学的范围，要么就是对科学的一种冒犯。英国物理学家霍伊尔（Fred Hoyle，1915—2001），也是一位科普作家，与奥地利人彭第（Hermann Bondi，1919—2005）和古尔德（Thomas Gold，1920—2004）联合提出了一个与之对抗的理论。由于极其不满意时间具有开端这一思想，他们提出的一幅图景称为“稳态宇宙”，其中物质不断创生，结果推动了宇宙的膨胀。宇宙的膨胀是哈勃在观测到所有星系都离我们而去时作出的结论。霍伊尔取笑伽莫夫的理论，戏称其为“大爆炸”理论。可以想象当这个名称后来流行时他会感到多么惊愕。
微波背景
与此同时，1964年新泽西州的贝尔实验室有两位研究者彭齐亚斯（Arno Allan Penzias，1933—）和威尔逊（Robert Woodrow Wilson，1936—），他们正在利用实验室的大型射电天线搜寻来自天空的弱信号，但是在对付背景噪声以便提取更清楚的信号时却遇到了麻烦。于是，他们把设备拆开，检验底盘，检验所有的接头。他们甚至在底盘中发现了鸽子窝，于是小心地轰走了这些鸟，把鸟窝移到几英里之外的地方。但是鸽子又回来了。他们再次轰走它们。但依然无法摆脱这种穿透宇宙的微波背景辐射。这一辐射就像巨大的回声，似乎意味着很久以前的某个时间发生过某种重大事件，从而使整个宇宙的温度升高，现在它已经几乎完全消散了。这是第一次真正支持年轻的伽莫夫于1948年提出的思想，他不仅预言了这一辐射，而且还正确地计算出它的精确温度是绝对零度之上的3K。
然后在1992年，另一份证据问世。处理宇宙背景探测器（Cosmic Background Explorer，COBE）太空船发回地面数据的科学工作小组宣布，与以前的证据不一样，宇宙背景辐射具有“波纹”。以前，威尔逊和彭泽亚斯以及后来所有研究者收集到的数据，都表明背景辐射的温度都是相同的，不管你观察的是天空的哪一部分。从这一恒定的温度，科学家推论得出，早期宇宙一定是光滑和均匀的，完全没有现在宇宙学家所谓的“肿块”。当我们遥望天空，看到一团一团的物质——星系、星云——点缀在空旷的太空里时，这些斑点就是宇宙学家所谓的“肿块”。
新的数据引人注目，因为它非常精确。COBE是NASA在1989年发射的，在第一年里沿着轨道进行了几亿次温度测量。在这样大量的数据中，COBE小组发现温度有微小的变化，冷热相差只有一度的百万分之三十，这些变化发生在早期宇宙气体密度有微小涨落的区域内，差不多是大爆炸之后的300 000年。（当我们说到时间开始之后仅仅300 000年时，就好像一个活了90岁的人一生中的第一天一样。）
当宇宙膨胀时，这些早期温度涨落区域也在成长，所以现在COBE检测的区域相当于几十亿光年的跨度。实际上，这些区域是如此之大，它们不可能是我们观测到的哪怕是最大星系团的先驱。但是它们的发现使得科学家确信，有可能找到更小范围内更大的密度涨落，而它们似乎是支持宇宙诞生的“暴胀”模型的。
当然，究竟宇宙是不是从大爆炸开始，还是以别的方式，创世的思想总会提出这样的问题：物质最先是从哪里来的？但是，正如宇宙学家霍金（Stephen Hawking，1942—）曾经说过的那样：这就像问北极之北5英里在什么地方一样。或者，换句话说，任何关于“大爆炸之前”的问题都是非物理的。时间存在于宇宙中——宇宙却不存在于时间里。
黑洞
与此同时，20世纪50年代在剑桥大学发生了一场个人奋战。年轻的物理学研究生霍金刚刚得知，他患了一种名叫肌萎缩侧索硬化症，难怪在过去的几年里，他走路和说话变得越来越不协调，逐步发展的瘫痪在几年内将把他困在轮椅上。在未来的岁月里，他只能眼看着体力衰退，直至死亡。这位卓越的年轻学生立刻陷于深深的失望之中。怎样把已经开始的充满希望的事业进行下去？难道一切都要放弃吗？几个月过去了，他的工作没有进展。
尽管霍金的健康无法恢复，但是他的事业可以恢复，这对科学来说，是一件幸运的事情。他的导师想出了一个计划：向他提出一个如此富有魅力的问题，以至他无法舍弃。就这样，霍金开始深入地探究黑洞，成了世界上在这个课题上最知名的专家，这个课题是现代天文学最有挑战性的问题之一。
霍金美国物理学家惠勒（John Archibald Wheeler，1911—）在20世纪60年代创造了“黑洞”这个词，表示恒星坍缩时最终形成的一种结构，那只不过是一个奇点。根据爱因斯坦的相对论，当这种情况发生时，任何东西都无法逃离高度集中的质量——甚至包括光。所以黑洞是看不见的，除非注意它的效应。
1974年，霍金提出“黑洞并不黑”的概念，也就是说，他认为黑洞能够缓慢地释放辐射。他说，黑洞也许有可能像在太阳底下蒸发的雪球。这似乎是矛盾的，因为根据定义，黑洞是如此之重，以至于没有东西可以逃逸它的引力，包括光。这就是为什么把它叫做黑洞的缘故。黑洞的周边叫做视界，不允许任何东西逸出。
但是，霍金率先把量子力学运用到黑洞理论中，由此提出物质可以在视界里的“虚”空间产生的思想。也就是说，根据量子理论，虚粒子不断产生和湮灭，其速度快到永远不会干扰能量和质量守恒定律所要求的平衡。霍金认为，这只能发生在黑洞的视界上，当大多数虚粒子立刻湮灭在黑洞中时，偶尔也可能有少许沿另一方向泄漏出去，于是黑洞就会缓慢释放出辐射。
这一思想与20世纪80年代麻省理工学院的古斯（Alan Guth，1947—）提出的宇宙起源理论相当吻合。古斯的理论叫做暴胀模型，说的是在宇宙起源的最初几分之一秒里，整个宇宙突然间在极短的时间（万亿分之一秒）里爆炸，使宇宙从一个原子的大小膨胀到几十亿光年的跨度。
失踪的质量
天文学中观测到的古怪现象之一是瑞士天文学家茨维基（Fritz Zwicky，1898—1974）在1933年发现的。这个现象可与黑洞匹敌，有时称之为“失踪的质量”，因为许多线索都告诉我们，有某些东西是用任何类型的望远镜也观测不到的，茨维基称之为暗物质。茨维基是一个性情暴躁、爱好抬杠的人，正如一位同事说的那样，他“喜欢证明别人错了”，这就不奇怪为什么正是他最早注意到宇宙账簿的不平衡现象。他提出“失踪的质量”这一思想，就是为了说明看不见的暗物质一定存在——有可能在星系和星系之间存在某种比我们能够检测到的物质多10至100倍的东西。
起初，没有人信他的，时至今日，某些天文学家依然认为，我们看到的物质不足以造成我们看到的恒星和星系之间的连接。在宇宙中似乎有更大的引力，其大小比我们根据明亮物质的观测所能够解释的大得多。
事实上，目前的怀疑是，我们已经发现，我们迄今为止没有办法检测宇宙中99%的物质。它既不发光也无法用X射线或射电天文学的方法检测，但是我们却能看到它的引力效应。
例如，20世纪70年代华盛顿特区卡内基研究所的鲁宾（Vera Cooper Rubin，1928—）和福特（W。Kent Ford）收集了广泛的数据，它们表明在星系团中，远离中心的星系以比我们看得见的质量——恒星和发光气体——赖以约束在星系团中的引力效应大得多的速度运动。他们对旋臂星系旋转的研究表明在星系边缘有暗晕轮的存在。鲁宾和福特估计，在这一晕轮中暗藏有10倍于我们实际上在星系中看到的物质量的某种东西。在比星系更大的尺度上对星系运动所作的统计分析支持这些思想，并且估计暗物质比我们能够探测到的物质量大30倍（星系内部除外，在这里普通物质占了优势）。自从1978年以来，在卡内基有一个小组，其中包括鲁宾、福特、伯尔孙（David Bursein）和怀特默（Braley Whitmore），他们分析了200个以上的星系，得到的结果都是肯定的。
什么是暗物质？还没有人能够明确说明。但是可以肯定的是，它绝不是普通物质。也就是说，它不可能是我们无法检测到的由恒星和暗星组成的黑洞或者小块的固体物质。到了1984年，候选者是中微子（如果其质量大于零）或者假设的粒子：光微子（photino）、引力微子（gravitino）和轴子（axion）。有些科学家认为，暗物质也许是大爆炸留下的运动缓慢的基本粒子。
正如英国恒星天体物理学家里斯（Martin Rees，1942—）所说：“要解决隐藏质量的特性，最简洁的方法自然是检测到构成它的天体。”
有些天体物理学家认为，白矮星与失踪质量有关，因为自矮星是一种衰退的恒星，由气体的收缩而形成，但因其质量非常小，核反应不能在其核心进行。由于其中没有核反应发生，白矮星都非常暗，难以检测到，以至没有人发现过白矮星，因此它们只被看成是假设中的存在。然而，1995年第一颗白矮星终于被发现了。直到2003年9月，又发现了好几十颗白矮星，这要归功于极其灵敏的红外探测器。许多天文学家认为，白矮星在宇宙中很可能和常规的恒星一样普遍存在。在恒星附近发现的某些大型气体行星（不存在于太阳系中）也可能是白矮星。所以，白矮星可以对某些失踪质量作出很好的解释。
许多奥秘已经开始转向天体物理学家所谓的“暗能量”。天文学家对这一可能性发生兴趣已经有好几年了，2003年10月完成的三维宇宙图似乎肯定了暗能量的存在。在把宇宙的大尺度结构细化之后，这幅图景反映了宇宙140亿年演变中各种力的相互作用以及星系与暗物质的聚集。它还提供了一种估计，普通物质占到宇宙的5%，传统的暗物质占到大约25%，而渗透在这个宇宙中的暗能量则构成了宇宙其余的70%。斯隆数字太空勘测（Sloan Digital Sky Survey，SDSS）国际工作组可以作为许多21世纪科学计划管理的复杂性的一个范例，它组织了来自13个研究所的200位科学家为这幅图景工作。
在20世纪90年代中期以前，天体物理学家和宇宙学家把引力看成是修饰和形成宇宙的主要力量。后来在遥远的太空中观测到恒星爆炸，表明还有一种力——“暗能量”——使宇宙向外扩张。2003年2月，一张研究不同星系的早期图像肯定了暗能量的存在。一位科学家评论说：“证据之网极为强大，所有观测都指向暗能量。”现在的问题是，暗能量究竟是什么？
一揽子全包……
萦绕于宇宙学家和亚原子物理学家心头挥之不去的最为令人着迷的问题就是：这一切是怎样开始的？
现在几乎所有理论家都同意，一定有过一个起源时刻，也一定有过一场大爆炸，它源于比任何原子核还要小的粒子的一次急剧性爆炸。尽管暴胀理论出现某些漏洞，但这一宇宙暴胀模式的新理论，在天文学家和宇宙学家中取得了广泛认同。暴胀理论回答了“大爆炸”理论涵盖的许多问题，但不是全部问题。
例如，为什么不是所有一切都正好在那爆炸的瞬间，如此激烈地炸飞，以至于所有物质都均匀散布开来，既没有相互连接，也没有局部集中，没有恒星、行星、星系和彗星？或者，如果不是有足够的动力使得所有事物四散飘离，那么，为什么这一紧凑的原始宇宙不可以是挤作一团？理论家实际上计算过宇宙要避免这两种命运的临界值，并且这种计算是有效的。
然而，许多理论家都曾经试图描述在最初的一刻究竟发生了什么，试图追溯到原子结构更为简单的那一刻，试图在我们今天看到的复杂性后面寻求简单的对称。他们追溯到新生宇宙最初瞬间，温度在亿亿亿度之上，在这一刻，弱力、电磁力和强力全都是一种力。这些努力就是所谓的大统一理论，直到现在，这些理论没有一个有效。格拉肖曾经这样说：“大统一理论是既不大，也不统一，更不是理论”。所以正如粒子物理学家莱德曼（Leon Lederman，1922—）所说：与其用理论一词，不如说它们都是一些猜测性的结果。
为了携带这个力，不得不假设存在一种古老的信使粒子，叫做希格斯（Higgs）玻色子，这是一种超重量的粒子，扮演大统一力的信使，就像光子现在充当电磁力的信使一样。在时间开始时，粒子和反粒子可以相互快速转变。例如，一个夸克可以变成一个反电子（正电子）或一个反夸克，而一个反夸克又可以变成一个中微子或一个夸克，等等。这个过程是以希格斯玻色子作为媒介的——但是这种粒子还有待发现。欧洲核子研究中心有一个研究小组正在捕捉希格斯粒子存在的证据，他们是这样认为的，这种粒子有时也叫做“上帝的粒子”，因为它负责传递所有质量给原子性粒子。但是也许要等待欧洲核子研究中心新的加速器完成后才有结果。如果检测到了希格斯粒子，由原子性粒子，包括轻子和夸克等组成的以及量子色动力学所描述的复杂组合——所谓“标准模型”的原子图景——将会得到验证。然而，现在这一验证也许还要等待。
要把所有四种力综合在一起的努力更为大胆，也更富有猜测性，这四种力是把引力也包括进来，量子色动力学——夸克的行为及其颜色特性——加上引力。这些概念，有时被称为万物理论（TOES），非常复杂。有一种所谓的超弦理论曾经一度相当普及，这种理论解释说，在大爆炸最初的一刹那，并没有点状粒子，只有一小段弦。它需要十维才能运作——九个是空间，一个是时间。要解释为什么我们只知道三维的空间，理论家推测那是因为另外六维自行卷曲了。
然而，许多科学家对于这种过度的理论化感到不安，这些复杂的理论一环扣一环，几乎难以诉诸实验进行验证。再有，研究越来越小的基本粒子结构，要求越来越大的加速器和探测器。最终目的——通过统一对称原理理解物质的基本结构——值得赞美，但是需要的数学复杂性却没有止境。结果，许多批评者担心宇宙科学有变成某种新神话的危险，因为它已与可检验的科学失去联系。
然而，纵观1946年以来的几十年，天文学家和宇宙学家得到了极其丰富的新数据、新展望和新思想。研究人员发展了更为复杂的研究宇宙以及宇宙结构和起源的方法，它们的精确度和准确度都达到了前所未有的程度。再有，与粒子物理学的高度交叉对两个领域都产生了重要的新启示。
结果是，宇宙变得比以前更庞大、更复杂，也更有趣。
