在400年前，也就是1609年前，我們人類肉眼可觀測到最遙遠的宇宙大約是300萬光年之外的三角座星系。稍近一些的有250萬光年外的仙女座星系和20萬光年外的小麥哲倫星系。能看到的最遠的恆星也不超過1000光年之外。
銀河系示意圖
然而，這些我們肉眼可見的星系之外還有多達2萬億個星系。2013年，普朗克太空望遠鏡通過對宇宙微波背景輻射的觀測，得到宇宙的年齡是137.98億年（約138億年）。因為宇宙一直在膨脹，所以我們可觀測到的宇宙，假如以地球為中心的話，向外延伸最大的範圍是465億光年之內。光的速度約30萬千米/每秒，465億光年，就是光走過了465億年的距離。對於我們人類，遙遠的太空，一直是神秘莫測的，揭開宇宙的秘密也成為我們人類永不息滅的慾望和動力。區區300萬光年的範圍怎麼能滿足我們探索宇宙的慾望呢，我們想要看到更加遙遠的宇宙。望遠鏡可以觀測到更多肉眼沒法觀測到的宇宙景象1608年，荷蘭的一個眼鏡商人漢斯.利伯希偶然間發現兩個鏡片放一起可以看到更加遠的物體，於是發明瞭望遠鏡。這一發現，對於那些具有敏銳感知的人來說，意識到它具有非常巨大的作用，這些人中就有一個叫伽利略，他於1609年第一個通過用鏡片發明了天文望遠鏡。此時，我們已經可以觀測到許多肉眼看不到的宇宙景象，比如當時伽利略就是通過天文望鏡觀測到了木星的衛星，後來奧勒.羅默還通過這個木星的衛星運行的一些規律，最早算出了光的速度是22.5萬千米/秒。
望遠鏡
從此，望遠鏡的靈敏度和分辯率就一直在不斷的提高和改進之中。1611年，德國的天文學家開普勒通過對望遠鏡的改進，提高了它的放大倍數。沙伊納在開普勒的設計原理上設計的望遠鏡還看到了太陽的黑子。而1917年，胡克發明的望遠鏡，哈勃用它發現了宇宙正在膨脹的驚人事實……
胡克望遠鏡
我們知道，望遠鏡設計的原理，是通過用鏡片對光的折射和反射得到物體放大的成像，從而看到更加遙遠物體清晰的面目。而這些星體的光是從離我們非常非常遙遠的地方傳播過來的。這些光通過地球的大氣層時，會受到大氣的散射干擾而讓光線變得模糊不清，臭氧層還會吸收傳播過來的紫外線而影響觀測的結果。為瞭解決些個問題，科學家們不得不想辦法把望遠鏡送到大氣層之外的太空去。太空望遠鏡可以觀測到離地球134億光年的宇宙景象20世紀40年代開始，太空望遠鏡就成了天文學家們的夢想，直到1990年4月24日，美國航空航天局（NASA）的哈勃望遠鏡升空，我們探索宇宙又開始進入了一個新的紀元。
哈勃望遠鏡
哈勃望遠鏡是在離地球559公里的高空工作的，所以它避免大氣層和臭氧層的干擾，擁有比地面上的望遠鏡高出10倍以上的清晰度。哈勃望遠鏡的工作頻率以可見光為主，延伸到近紅外線和近紫外線。今年已經是它的30週歲，他升空以來，給我們帶來了豐厚的禮物，給我們傳回來大量珍貴的天文影像。1995年，哈勃望遠鏡拍攝的“哈勃深空“影像，已經是深入到宇宙大爆炸後10億年左右的空間，也就是離我們有128億光年的空間；2012年拍攝的”哈勃超深空“影像，則是深入到宇宙大爆炸後6億年左右的深空；到了2018年，哈勃捕捉到了離我們有134億光年的Z11星系，這時我們已經可以觀測到宇宙大爆炸後4億年左右的星空。
哈勃望遠鏡觀測宇宙示意圖
至此，我們觀測的宇宙還是在可見光和紅外線和紫外線的範圍之內。物體發出光的亮度與它的強度有關，而光的顏色則和它的頻率有關。在可見光中，光的頻率大小由弱到強對應的顏色分別是紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。不可見光中，紅色之外是頻率越來越小的紅外線、微波和無線電波；紫色之外則是頻率越來越強的紫外線、X射線和伽馬射線。為了全方位的探測宇宙，現代天文望遠鏡的工作頻率範圍從可見光已擴展到幾乎所有不可見光的波段。NASA的大型軌道天文台計畫就包括4個空間望遠鏡：哈勃望遠鏡、康普頓伽馬射線天文台、線德拉X射線天文台和斯皮策空間望遠鏡。它們就分別工作在可見光、紅外線、紫外線、伽馬射線以及硬X射線、軟X射線這些不同的波段。
康普頓伽馬射線天文台
2015年，中國的硬X射線調製望遠鏡（HXMT)升空，它也是我國的第一顆天文衛星。至今，世界上擁有天文衛星的國家和地區大致可分為三個梯隊：第一梯隊是獨領風騷的美國；第二梯隊是歐洲空間局以及歐洲的一些國家；第三梯隊是印度、日本、中國、俄羅斯、巴西、韓國和台灣地區等。射電望遠鏡探測到宇宙大爆炸後38萬年時的景象。我們說一個發光的物體時，並不是指僅僅發出可見光，光其實就是一種電磁波，物體發光就是一種電磁輻射，只是頻率不同體現出來的顏色不同而已。光的頻率越小波長就越大，有些可見光傳播的距離和時間長了，受到各種影響頻率也會變得越來越小。如宇宙背景輻射經過137億年到達地球時，已經是一種微波，所以我們稱之為宇宙微波背景輻射。1931年，美國貝爾實驗室的楊斯基在搜索和鑑別別人幹擾信號中接收到來自銀河系的射電輻射。射電波實際上是一種無線電波，它是從遙遠的天際穿過大氣層來到了地球。隨後，格羅特.雷伯在自已家的後院建了一個探測宇宙射電的天線，在1939年同樣探測到了來自銀河系的射電輻射，世界上第一台專用於天文觀測的射電望遠銀誕生了，從此射電望遠銀開創了用射電波研究天體的新紀元。
射電望遠鏡
這種來自宇宙的射電輻射，最早我們可以追溯到宇宙爆炸38萬年前。宇宙大爆炸之始，各種粒子在溫度高達上100億度的環境下，相互對撞，光子一產生就被電子碰撞湮滅，跟本就沒法走遠。直到宇宙大爆炸38萬年後，溫度下降到3000開爾文以下（0開爾文是絕對溫度-273攝氏度），此時原子核已經可以捕獲住電子，光子不再受到電子的碰撞，從而大量的光子自由的奔向了宇宙的四面八方，這個大量光子脫離電子的時刻，形成了一個不斷膨脹的“最後散射面”，這就是“宇宙背景輻射”。這個“宇宙背景輻射”已經在1946年，被美國兩位無線電工程師威爾遜和彭齊亞斯在偶然中發現。
普朗克望遠鏡觀測的宇宙微波背景輻
所以大爆炸後38萬年之前的宇宙，我們沒法通過光去觀測到。理論上，我們通過射電望鏡能觀測得到的最遠距離，也是宇宙大爆炸38萬年之後的景象。目前世界上最大的射電望遠鏡是2016年9月25日在我國貴州落成的“天眼望遠鏡”，英文名稱FAST。它的球面口徑達500米，面積相當於30個足球場，比此前世界上最大的美國阿雷西博天文望遠鏡面積還要大很多，並且靈敏度提高了2.23倍。“天眼望遠鏡”至今發現的脈衝星數量已經超過了歐洲其他搜索脈衝星團隊的總和。如果有外星人發信息聯繫地球的人類，估計“天眼望遠鏡”應該會是第一個收到。
貴州天眼望遠鏡
自射電望遠鏡出現以來，天文學家取得了很多非常重要的成果，如發現了脈衝星、類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機分子等等。天文學家們還會繼續用它去探索黑洞，外地文明……中微子可探測到宇宙大爆炸後1秒時的景象。通過光我們可以觀測到宇宙大爆炸後38萬年後的景象，那麼38萬年之前的景象呢？科學們不會放棄。在20世紀20年代，大自然主動給了物理學家們一些啟示。就是科學家們在做β衰變實驗時發現，能量不守恆了。按質能守恆定律，中子衰變成一個質子和一個電子，那麼質子和電子的能量總和應該等於中子才對，可是在實際測量中，卻少了那麼一丟丟，一部分能量莫名其妙的消失了。這時有一部分科學家就宣佈，能量守恆定律在這裡失效了！但是，能量守恆失效這是不可思議的呀！泡利在1930年12月4日的一個物理大會上，讓他的朋友轉提了一個建議：就是中子衰變後，除了產生電子和質子，應該還有其他的粒子，是這些粒子“偷”走了那一部分能量。1934年，費米覺得這個想法不錯就給這些還看不到的粒子一個名字，叫做“中微子”。泡利的這個預言出來26年後的1956年，科溫和萊因斯等人在實驗中真的發現了"中微子“粒子。
中微子質量非黨非常的小，電子的質量都比它重上百萬倍。它以接近光速在飛行，它幾乎不和任何物質發生反應，所以它能輕鬆的穿越任何物質，1光年厚的鉛牆，它都能毫不費力的秒穿過。這些中微子，無時無刻無所無在的在宇宙中穿行，你伸出一個母子，一秒中內就有700億個中微子從中穿過，但是它並不會傷害到我們。中微子像光一樣，也有一個“最後散射面”，但是它比“宇宙背景輻射”出現得還要早得多。當宇宙大爆炸到1秒中的時候，中微子就停止了和其他粒子的弱力作用，從此在宇宙中自由的飛翔，這就是“中微子宇宙背景輻射”。因為中微子十分難以探測，目前科學家們還沒有直接觀測到”中微子宇宙背景輻射“，只探測到太陽等遙遠天際恆星傳播過來的中微子。現在科學家們在到處尋找中微子的蹤影，希望從中探究出宇宙的丁點秘密。如加拿大地下2.1公里處的薩德伯裡中微子天文台、日本的中微子超級神岡探測器等等。如果有一天我們探測到了”中微子宇宙背景輻射“那麼理論上就可以瞭解許多宇宙在大爆炸後1秒中時的現象。
日本超級神岡中微子的探測器
引力波可探測到宇宙大爆炸後10^-35秒時的景象。觀測到宇宙大爆炸後1秒中的景象就滿足了？科學家們並不會，否則他們就不稱之為科學家了。那麼宇宙中還有哪些東西，從早期的宇宙，跨越遙遠的時空，如今還殘留在宇宙之中的呢？還真有！可能你也猜到了，就是引力波。愛因斯坦的廣義相對論早在1915年就預言了引力波的存在。愛因斯坦認為引力是由時空的彎曲造成的幾何效應，而引力波則是時空擾動產生的漣漪。100年後的2016年2月11日，LIGO科學合作組織和Virgo合作團隊宣佈首次探測到了雙黑洞合併引發的引力波信號。2017年10月18日晚10時，全球天文學界聯合發佈了，人類首次直接探測到由雙中子星合併產生的時空漣漪——引力波。它走過了1.3億年後，竟然被我們捕捉到了！
雙中子星合併示意圖
暴脹宇宙理論認為，在宇宙爆炸的初期，即大爆炸至10^-35秒時，在10^-33秒內空間有一次急速膨脹。因宇宙在極短時間內膨脹到難以想像的地步，這個時間內膨脹的宇宙已經有如今可見宇宙的大小，這讓空間變得非常的平坦。同時空間暴脹的過程也產生了時空的漣漪，這就是原始引力波。這些引力波還在宇宙中傳播，如果有一天，我們能夠捕捉到它，就能瞭解到宇宙在大爆炸到10^-35秒時的更多情況。
LIGO引力波探測器
引力波因為是時空自身的一種擾動，和電磁波不同，它傳播的過程不會損失任何能量。不論是怎麼樣的物體，都沒法阻擋引力波的前進。所以用引力波來探索宇宙具有更大的優勢。科學家們可以利用引力波來瞭解黑洞，瞭解暗物質、暗能量甚至是利用它來理解宇宙最初誕生的機制。總結我們人類在探索宇宙的過程中，從肉眼到望遠鏡到太空望遠鏡、射電望遠鏡再到中微子、引力波……是人類智慧的結晶，探索大自然，我們不會只侷限於自身俱有的條件。《科技想要什麼》一書的作者凱文.凱利說過：技術是讓世界變得越來越有序的一種力量。技術的發展會伴隨著人類文明的進程，技術的進步，讓我們瞭解到更多的自然秘密，從而造福人類社會。引力波之後，我們還有什麼是可以用來來探測宇宙的嗎？
