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有一种东西很奇怪，它至大至深，至高无上，笼罩在^们头顶上方，人们却不知道它为何物，早在两三千年前，古希腊科学家和哲学家就开始对它进行探索，但时至今日，人们对于它依然知之不多，因为它，爱因斯坦做过深刻检讨，布鲁诺被烧死在火刑柱上；也是因为它，埃德温·哈勃成为世界著名科学家，为了研究它，人类研制了一大批最新最精良的观测工具；也是为了研究它，人们上高山、飞太空不惧辛劳。那么它是什么呢?它就是宇宙如今，科学家对宇宙的研究已有重大突破，然而研究得越深入，它的神奇性就越显现，越令人神往，这是因为它的前世、今生与未来都充满神奇。
“宇宙”一词最早出现在战国时代的《尸子》中：“上下四方曰字，往古来今曰宙。”我们祖先早在2500年前就把“宇宙”同“时－空”结合在一起了，这是非常正确的。然而宇宙到底有多大，它的边缘在哪里，人类却久久没有弄清楚。直到20世纪初期，人们还认为银河系就是我们已知的整个宇宙。是望远镜提高了我们的眼力，让我们目击了土星上空美丽的光环、木星表面滚动的风暴云、百万光年外爆炸的超新星、正在诞生的“婴儿恒星”、137亿年前的早期宇宙、神秘的暗物质和神奇的暗能。那么，望远镜对于宇宙还能揭示什么呢?它能看到宇宙很遥远的边缘吗?
威尔逊山上的革命
20年前，美国“发现号”航天飞机将著名的“哈勃空间望远镜”(简称“哈勃”)放进了轨道，这个用高技术装备起来的第一部新一代空间望远镜正在探索宇宙边缘。它给了我们许多发现，许多惊奇。它是当代最精良的天文观测设备，能够同时拍摄百万颗恒星照片，它拍摄的照片比地面天文望远镜拍摄的清晰十多倍。通过在轨道上的四次大修，它成功地进行了长达19年、总共88万多次的宇宙观测，对2.9万个宇宙天体拍摄了57万多张照片，传回地球5万张高质量的精美图片，它取得的数据足以堆满两个美国国会图书馆。“哈勃”创造了许多太空观测奇迹，例如，发现了黑洞存在的证据，探测到恒星和星系的早期形成过程，观测到目前人类所能触及的最遥远(距离地球130亿光年)的古老星系，探明宇宙年龄为137亿年。这些观测对世俗文化有着极大的冲击力，对人类建立新的宇宙观有着极为重要的影响。
今天，用高技术装备起来的其他越来越多的望远镜正加入到“哈勃”的行列，共同揭示宇宙中那些令人难以理解的奥秘：宇宙的大小、年龄和激烈的程度。20世纪伊始，开始了一场天文学革命，其标志就是建造新的望远镜。这是一场持续改变我们对宇宙的感性知识、扩张我们感知的宇宙边缘和让我们永远在发现之旅上奔驰的革命，今天我们仍在这条革命道路上向前跑。
这场革命的第一步是一位名叫乔治·埃勒里·海耳的天文学家攀登加利福尼亚帕萨迪纳海拔2000米高的威尔逊山。天文学家早就认识到，要想得到真正好的天文观测资料，就要选择好的观测地址，因此天文学家往往不远万里选择天文台台址(例如中国科学院紫金山天文台曾经到荒凉的青海省德令哈建立毫米波观测站，而不是在原来的老天文台安装新的望远镜)。作为天文学家，海耳清楚地知道地球大气对天文观测的重要性。在天文学教科书里，“大气折射”、“蒙气差”对天文观测的不利影响有充分的描述：地球大气能改变天体光线的入射方向，在观测的天体位置上造成误差；浓密的大气层还有消光作用，导致从天体来的光线大大减弱。在威尔逊山上建立天文台，把歪曲和减弱望远镜成像能力的低层大气中的云和雾统统“踩”在脚下，是提高天文观测质量的重要举措。因此海耳要看看在这座山的山峰上能否建造一个天文台，让稀薄的大气变得清澈透明，更有利于天文观测。
100年前，在山顶上建天文台的想法是具有革命性的，也是一个巨大的挑战。把几百吨重的钢铁和混凝土一点一点地沿狭窄的山路拉上山是不容易的，但为了换取清澈明净的天空，花点功夫也是值得的。威尔逊天文台建成后将是当时地球上最高的天文台，并为全球天文台勾画出蓝图。
这个天文台是海耳的梦想，他要在这样的天文台上解决最大的宇宙之谜：找出我们的银河系之外是否还有其他世界。对海耳来说，解决天文台的高度仅仅是第一步，为了观测使人目眩的深空宇宙，他需要在天文台上安装当时世界最大的新望远镜。
望远镜是光线的“收集桶”，较大的望远镜可以收集较多的光线，可以聚焦较暗的星。在海耳时代，大多数望远镜是用玻璃透镜聚焦光线的，当玻璃透镜被做得很大时，其自身重力也会变得很大，使望远镜弯曲变形，造成星像失真。这里的“变形”，术语称为“畸变”。因此，玻璃透镜不能做得很大。海耳需要一种新设计的望远镜，要求望远镜能收集大量光线，但不能用玻璃透镜。经过周密思索、比较，海耳决定采用伊萨克·牛顿在1688年创造的反射望远镜。这种望远镜用弯曲的镜面代替玻璃透镜，把光线反射到一点来聚焦。海耳采用这种结构，用n年时间把反射望远镜制作出来。这部望远镜的曲面镜直径2.54米，重400千克，安置在12.2米铸铁管底座上，整个装置安置在30米直径的圆顶内。1917年，公众见到这架当时世界上最大的望远镜时一片哗然。
美丽的安德罗美达
威尔逊山上新建成的望远镜成为当时美国的科学眼睛，也是世界的科学眼睛，它的出类拔萃赢得了各国天文学家的青睐，他们飘洋过海，从世界各地聚集到威尔逊山，轮流守候在它身旁，用它观测星空。在天文望远镜殿堂里，威尔逊山的望远镜当之无隗地赢得了“宇宙历史上最重要望远镜”的美誉。
这架望远镜很快被用来揭示天文学上一个久未破解的奥秘：星云。星云是一种让人费解的天体。凭视觉看，它们是恒星之间云雾状的巨大发光体，浑然一体，千变万化，互相涉及，互为因果。有些星云是卵形漩涡，有些是由恒星组成的纤细漩涡，还有一些有着分岔的“触须”。根据它们的辐射和形状，星云被分为发射星云、反射星云、暗星云、超新星遗迹、弥漫星云和行星状星云。人们通过望远镜见到了几百个星云，却一直无人知道它们是什么，也不知道它们离我们有多远。后来，经过观测研究，人们才知道星云有两类，一类在银河系内，一类在银河系外。银河系内的星云才是真正的星云，它们是气体和尘埃形成的云雾状物质，而银河系外的“星云”则是由几千亿颗太阳一样的恒星组成的河外星系。
测定一个星云是银河系天体还是河外星系，就需要测出它到地球的距离，而测定星云的距离是不容易的，在广袤的太空中确定天体距离是对天文学家最大的挑战之一。天体的距离是靠观测其光线来确定的，天体的光线犹如汽车的头灯，距离越近，看起来越亮。但是，星星并不是我们想象的那样分布在与我们距离相同的球面上。这种“相同”是投影产生的错觉。实际上，不同的天体到我们的距离千差万别，各不相同。我们有这样的常识：在较远距离上，汽车头灯可能与距离近的自行车头灯有着同样的亮度；而当汽车越来越近时，汽车头灯就比自行车头灯亮多了。 天体的情况也是一样。因此，测量天体的距离需要有一盏标准的“天灯”做“量天尺”，这把“量天尺”通常用符合条件的恒星(遥远星系内特别明亮的恒星)来做，并且有一个专用名称一“标准烛光”。
美国天文学家哈勃测量了仙女座星云，这个星云有一个凄美的神话故事。“仙女座”译成中文是“安德罗美达”。在希腊神话中，安德罗美达是依索比亚国王克甫斯和王后卡西奥佩娅的女儿。卡西奥佩娅因不断炫耀自己的美丽而得罪了海神波塞冬的妻子安菲特里忒，后者要波塞冬替她报仇。波塞冬遂派海怪蹂躏依索比亚。克甫斯得知此事后非常害怕，请求神谕解救。神谕暗示，唯一的办法是献上安德罗美达，用铁索把她锁在海怪(鲸鱼座)必经之路的巨石上，任由海怪蹂躏。克甫斯夫妇按照神谕的话做了，可怜的安德罗美达受尽折磨。后来，英雄帕修斯路过这里，看见安德罗美达的惨痛，立即拿出腰间悬挂的蛇发魔女墨杜莎的人头对着海怪，海隆顿时化为岩石，原来这是由于墨杜莎有一对闪闪发光的特殊眼睛(现在称墨杜莎的“眼睛”为“大陵五”，是一对互相绕着转的食变双星)。帕修斯杀死了海怪，救出了仙女安德罗美达，演绎了一段英雄救美的佳话。
说完故事，再谈哈勃的观测。哈勃先在仙女座星云中寻找造父变星，因为他选择造父变星作为“标准烛光”。他仔细地对仙女座星云的照片分析了几个月，1923年10月6日，他终于在仙女座边缘上找到了一颗造父变星。哈勃喜出望外，在照片上画了两条黑线，并在黑线之间标出造父变星的位置，写上“变!”作为槲己。
利用造父变星，哈勃测量出仙女座星云到地球的距离约为80万光年，比银河系内已知最远的恒星还远8倍多。这个数据无可辩驳地表明，仙女座星云是银河系边缘外的星系。这次测量是改变历史的测量，哈勃非常激动地提起笔，在“仙女座到我们地球的距离比我们银河系远8倍多”这句话后面打了一个大大的惊叹号。
哈勃是幸运的，因为他有机会接受海耳的邀请，参与了星云距离的测量。哈勃的成功也是意料之中的。作为当时最著名的观测天文学家之一，每到夜幕降临、华灯初上的时候，哈勃便打开天窗，守候在2.54米望远镜旁。哈勃用辛勤的劳动获得了仙女座星云的前所未有的细节，他的发现彻底改变了我们对宇宙的认识，大大延伸了宇宙的前沿，从此银河系不再是宇宙的全部，仙女座星云也不是独一无二的河外星系，仅哈勃一人就观测到了好几十个河外星系。位于银河系外面的星云就像辽阔海洋中的岛屿，星罗棋布地散布在广袤的宇宙中。天文学家形象地称它们为“宇宙岛”，把密布“岛屿”的宇宙叫做“岛宇宙”
“岛宇宙”的出现打破了银河系是宇宙边缘的旧观念，“河外有河，天外有天”，辩证法在这里得到了很好的诠释。哈勃用当时望远镜的观测资料深刻地改变了人类的宇宙观。今天，最大的望远镜仍在观测宇宙，而且比哈勃时代观测的范围更加广阔。今天望远镜穿越了100多亿光年，“看”到了数千亿个星系位于我们的银河系外面，每一个星系都由数千亿星组成。天空中的星星数比地球上所有海滨和沙漠的沙粒的总和还要多!
破译星光密码
19世纪初，英国物理学家渥拉斯顿制造了一架分光镜，用来分析太阳光。这是一架破译光线密码的仪器，它能像雨后彩虹那样把白色太阳光分离成五彩缤纷的光谱，让隐藏在光谱里的宇宙奥秘暴露在天文学家面前。分光镜之所以具有奇妙的功能，源于光线是一种电磁波，每一种颜色都有自己的波长。红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的波长依次变短，频率依次变高，红光波长较长，频率较低，紫光波长较短，频率较高；白光是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光线混合而成的。因此，利用分光镜可以分析出天体发射的光线里含有哪些成分。换句话说，利用分光镜可以破译天体光线的密码，获取天体的信息。
1842年，奥地利物理学家和数学家克里斯琴·约翰·多普勒提出一条原理，被称为“多普勒原理”。该原理指出，当发射光线的物体相对于观测者运动时，观测到光线的波长要发生变化——光源向观测者运动时，光被压缩，波长变短，频率变高，出现蓝移(也称紫移)；相反，当光源背离观测者运动时，光被拉伸，波长变长，频率变低，出现红移。光源运动的速度越高，这种效应越显著。因此，根据光线是红移还是蓝移，可以计算出光源在视线方向的运动方向，根据红移或蓝移的大小，可以计算出光源在视线方向的运动速度。根据多普勒原理，恒星光谱线的位移既能显示恒星是向着还是背着观测者运动，也能据此计算出恒星的运动速度大小。
1928年，哈勃利用多普勒原理研究新发现的星系的红移，借以找出星系的移动速度。他分析了许多星系的速度，并按照星系的远近列成表，观察它们的速度同星系距离的关系，结果得出了一个令人震惊的结论：离我们越远的星系红移越大，远离的速度越快。1929年，他在星系速度与距离之间建立了一个有趣的关系：离开越远的星系红移越大，远离的速度也越大。这就是著名的哈勃定律。由这条定律得出结论：宇宙在膨胀。
哈勃的发现引出一个问题：如果宇宙在膨胀，那么是什么促使它膨胀的呢?天文学家从哈勃的发现中寻找出答案。哈勃发现，宇宙中的星系在相互移开，用天文学上的术语，叫做“退行”，而且是自然“移开”的。所谓宇宙在膨胀，并非星系在离开我们，而是空间本身在伸展。也就是说，宇宙和星系就像练球房和球一样，球是星系，练球房就是宇宙，练球房“膨胀”了，球与球之间的空间自然就增大了。科学家由此想到：在过去某些时间，“练球房”和“球”不都在一个中心点吗?追溯到过去，中心点——宇宙的爆发点温度比现在高，密度比现在大，而且越早期温度越高，密度也越大。宇宙是从一个高温、高密状态膨胀演化而来的。因此，苏联著名天文学家伽莫夫在20世纪50年代提出了大爆炸宇宙学理论。
根据这一理论，大爆炸发生在一瞬间，而宇宙就是在这个瞬间诞生的。宇宙诞生以后，曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期，宇宙体系并不是静止的，而是在不断膨胀，使物质密度从密到稀演化。根据大爆炸宇宙学，大爆炸的整个过程是：在宇宙早期，温度极高，在100亿K(开氏度)以上，物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡，那时宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质；由于整个宇宙体系在不断膨胀，结果温度很快下降，当温度下降到10亿K左右时，中子开始失去自由存在的条件，或者发生衰变，或者与质子结合成重氢和氦等元素，开始形成化学元素；当温度进一步下降到100万K后，早期形成化学元素的过程结束，宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核；当温度下降到几千摄氏度时，辐射减退，宇宙间的物质主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气体云，再进一步演化形成各种各样的恒星、星系和星系团，成为我们今天看到的宇宙。
“无意”获得诺贝尔奖
今天的人们无法回到宇宙初期目睹宇宙演化的真实画面，只能依据观测资料，运用物理理论进行分析，推断出大爆炸的大致过程。所谓观测资料，是指散落在宇宙空间的大爆炸余赆——微波背景辐射。
1964年，美国贝尔实验室的阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊两位研究人员为了检验一台巨型天线的低噪声性能，把天线对准了没有明显天体的天空区域进行测量，无意间收到一个相当大的微波噪声，波长7.35厘米。精确测量显示，这种辐射的温度相当于绝对温度为3K的黑体辐射。而且无论天线指向何方，它们都存在。彭齐亚斯和威尔逊最初怀疑设备出了问题，产生了干扰，于是他们对仪器的各个部件进行试验，甚至扫去了天线内的鸽子粪便。他们从冬到夏，夜以继日地做试验，观测了天空每一个可能的方向，甚至就连对两年前夏季发生的一次高空核爆炸是否产生了带电粒子都做了考虑。但是各种考虑都徒劳无功，找不到信号来源。这种既不是来自天体辐射、也不是仪器干扰产生的微波噪声，看来只可能是广阔宇宙空间产生的了。难道虚无缥缈的宇宙空间存在背景辐射吗?两位研究人员找不出答案。由于无法解释这个温度的来源，尽管他们对自己的结果确信无疑，却没有公布测量结果。
1965年，彭齐亚斯和威尔逊获悉，以迪克为首的普林斯顿大学研究小组正在研究宇宙背景辐射，他们立即与迪克教授取得了联系。经过双方深入讨论，彭齐亚斯和威尔逊初步断定，他们发现的正是普林斯顿大学研究的宇宙背景辐射。他们估计，迪克等人之所以没有探测到这种辐射，乃是因为他们的天线灵敏度不够。于是，彭齐亚斯和威尔逊撰写了一篇600字的论文——《在4080兆赫处天线附加温度的测量》，宣布了他们的成果。
就这样，彭齐亚斯和威尔逊“意外”地发现了宇宙微波背景辐射(简称CMB)，看到了大爆炸的余辉，听到了“开天辟地”的声响。他们是幸运的，而更幸运的是，他们的发现为大爆炸理论提供了证据，对科学发展做出了巨大贡献。为了彰显他们在科学上的贡献，瑞典诺贝尔委员会1978年授予他们诺贝尔物理学奖。
从此，宇宙微波背景辐射成了天体物理学家和宇宙学家案头的热门研究课题，理论家研究它的理论，观测者则观测它的细节。美国宇航局的“宇宙背景辐射卫星”(简称COBE)在1989年11月应运升空。这个探测器成功地给出世界上第一张微波背景辐射温度图，图上显示出天空区域的平均能量(或温度)有万分之一起伏，冷的区域与热的区域交替涨落。这些观测暗示，微波背景辐射是不均匀的。理论家认为，微波背景辐射是大爆炸的余烬，大约产生于大爆炸之后38万年，较“热”的光子来自早期宇宙的稠密区域，起伏现象表明恒星和星系是物质分布不均匀的结果。这一结论把宇宙学家的视线引向了宇宙的“婴儿时期”。
研究极早期宇宙，需要高分辨率的探测资料，探测这样的资料，“宇宙背景辐射卫星”是办不到的，因为它的传感器分辨率不够。于是，在2001年6月30日美国宇航局发射了“威尔金森微波各向异性探测器”(简称WMAP)，这个探测器的外形与彭齐亚斯和威尔逊的巨大天线相类似，但性能精良得多，并且装备了两架反射望远镜。整个装置在距离地球约150万千米的第二拉格朗日点上飞行，进行复杂的全天扫瞄，全天扫瞄一次需6个月。WMAP的飞行目的是高精度地检测大爆炸辉光，尝试寻找星系形成的原因和察看大爆炸之初的状况。
WMAP在多年飞行中取得许多重要成果，科学家于2003年公布了其第一批观测结果，随后又相继发布了多批观测资料。根据WMAP的观测结果绘制的宇宙微波背景温度图揭示了大量信息，图上小红点是物质开始聚集、最后形成星系团的地方，是揭示恒星和星系最初如何形成的至关重要的证据。
WMAP是比较精确的探测器，它的资料既帮助天文学家推断出宇宙很早的时期(大爆炸之后约亿亿亿分之一秒)发生的事，也让天文学家揭示了巨大的宇宙之谜——宇宙的精确年龄。一般认为，自大爆炸以来宇宙的年龄是137.5亿年，误差为正负1.1亿年；而根据WMAP的观测得出的数据是137.3亿年，误差为正负1.2亿年。137亿岁的宇宙很古老，但却不是无限大的。根据宇宙的年龄，科学家立刻计算出宇宙的大小——从宇宙诞生点到宇宙边缘的长度，即宇宙半径。在地球上看，宇宙半径等于光速与宇宙年龄的乘积。所以，宇宙年龄是137亿年，就意味着宇宙半径相当于137亿光年。光速虽然很大，但却是有限值，宇宙年龄也是有限的，两个有限数相乘，其结果一定也是有限大的。因此，宇宙一定是有限的。然而，哲学上认为宇宙是无限的，人的认识也是无限的。WMAP得出的结论与辩证法相悖，这是怎么回事?原来，尽管WMAP观测的宇宙边缘比其他望远镜远得多，其测量数据达到最接近真实值，但仍然只能探测有限的宇宙。
观测工具的进步必定带来新的认识：根据WMAP测量出的宇宙的物质成分分析，我们的宇宙主要是由看不见的暗能和暗物质组成的，暗能占73％，暗物质占23％，整个宇宙只有4％的物质是看得见的。唉，人类用望远镜观天400年，竟然只看到了4％的宇宙!
独一无二的“哈勃”
WMAP把我们从地球上带回到宇宙诞生后亿亿亿分之一秒的时刻，又把前人从未见过的宇宙边缘的细节展现在我们面前，这是历史上任何其他望远镜所不及的。然而，记录这些结果的是人眼看不见的微波辐射，那么什么时候我们才能用普通的可见光观测宇宙中的星系呢?科学家给出的答案是，“等到光学望远镜技术获得巨大飞跃并且用来指向天空的时候。”我们幸运地看到，这一天已在1990年4月25日到来了。这个展示“光学望远镜技术获得巨大飞跃”的“哈勃空间望远镜”的发射，打开了宇宙的一个新窗户。
“哈勃”由美国宇航局和欧洲空间局合作研制，由美国“发现号”航天飞机部署进轨道。“哈勃”的发射实现了天文学家莱曼·斯必泽(也译作斯皮策)在太空建立天文台的梦想。1946年，斯必泽在《在地球之外的天文观测优势》一文中指出，太空中的天文台有两项优于地面天文台的性能。其一，角分辨率不受星光闪烁、大气湍流的影响；其二，在太空，红外和紫外观测没有大气层的吸收。“哈勃”的轨道在地面以上600千米的高空，那里既不受地球大气对天文观测的影响，也没有烟、雾、云遮蔽宇宙光线之忧，因而大大提高了望远镜观测天体的能力。
“哈勃”是一架经典光学望远镜，长13.3米，直径4.3米，重11.6吨，造价近30亿美元。其望远镜主镜是卡塞格林式反射望远镜，口径2.4米，能在光学、紫外和红外等多个波长范围工作。同地面大望远镜相比，“哈勃”的口径不算大，但由于在大气层上面观测，摆脱了大气束缚，因此具有空间分辨率高和天光背景暗的突出优点。此外，“哈勃”带有广角行星照相机，可同时拍摄百万颗恒星照片，拍摄的照片比地面同类天文望远镜拍摄的清晰十多倍。所有这些突出优 点使得“哈勃”成为当代最精良的天文观测设备。
“哈勃”的基本任务是拍摄天体像，它的“大眼睛”在真空中“注视”两星期就能得到一张天空像片，这种像片不是计算机制作的，而是数字图像。“哈勃”拍摄的图像犹如晶体一样清晰，它们都反映出很异常的空间事件，如爆炸星的遗迹、空间的流体——正在诞生新恒星的巨大气体和尘埃云，它们在巨大盘面上涡旋和碰撞以创造出超级星系的遥远星系等。
望远镜是时间机器，我们现在看到的光子实际上是从130多亿年前开始旅行的，它们穿过漫长的星际空间来到我们这里。所以，利用“哈勃”不仅能看到光线向外穿越的空间，而且能让时光“倒流”，看到光线的出发点。1995年，“哈勃”做过一次逆转时间回头看光线出发点的试验。试验是这样进行的：先把“哈勃”指向宇宙中一个黑点(即天空中什么也没有的点)，然后对天空中这个黑点观测10天，犹如它在通过银河系的一个小钥匙孔观测外面的宇宙一样。据实验人员描述，“哈勃”在那个黑点上见到了1万个星系。在像上看到的每一个光点代表一个星系，每一个星系都由数千亿颗太阳那样的星组成。这种像叫做“哈勃深空场”。“哈勃深空场”表明，从星系来的光线比人眼看到的任何光线暗40亿倍!而且那些光线在几十亿年前就开始旅行了。“哈勃”的镜面进行过4次升级，在2009年最后一次飞行中获得的新“深空场”表明，它见到过大爆炸后近6亿年的最远的星。
“哈勃”创造了许多太空观测奇迹，发现了黑洞存在的证据，探测到恒星和星系的早期形成过程，观测到目前人类所能触及的最遥远天体——距离地球130多亿光年的古老星系。利用这些观测资料，天文学家提出了7500多份科学研究报告，并且取得12项最重大科学发现，其中与宇宙学相关的发现就有8项，它们分别是：证实了暗物质的存在，探测到类星体明亮的光线，发现宇宙正加速膨胀，揭示星系形成全过程，“称重”超大质量黑洞，观测到宇宙中最强烈的爆炸，观测到恒星壮观的死亡过程，发现宇宙年龄为130多亿年。我们有理由相信，在一定意义上，“哈勃”在科学史上是真正独一无二的。
超大型望远镜扬威
在当代天文界，有两种设备获得很高的声誉，一是“哈勃”，二是地面超级望远镜组成的庞大网络系统。前者因揭示了宇宙的许多奥秘而光环闪烁，后者则因调查了一项轰动整个天文学界的发现而备受好评。这项发现就是迫使我们改变对我们头顶上宇宙的许多看法的神秘力量——“暗能”。美国《科学》杂志评价说，“发现暗物质和暗能存在的新证据，是2003年所取得的最重大科学突破。”
暗能是迄今发现的最神秘的东西，对于它科学家至今仍无深刻了解。暗能是从无有(或称真空)中产生的。暗能的发现是偶然与必然相结合的结果。在20世纪90年代中期，一个包括阿列克斯·费利彭科在内的天文学家小队来到夏威夷莫纳克亚山上的凯克天文台观测遥远的宇宙。他们知道宇宙是膨胀的，但怀疑宇宙是否能一直膨胀下去。他们有一个理论：宇宙实际上有可能停止膨胀和开始减慢膨胀。他们认为，这如同向空中抛苹果，地球对苹果的吸引力使苹果向上的速度越来越小，最后停止运动并向相反方向运动。所有星系之间都有相互吸引力，这些力都可以使宇宙膨胀变慢、停止，然后变成向相反方向膨胀，成为一次“大收缩”。
宇宙真的能自己往回收缩吗?要回答这个问题，需要在地球上测量宇宙边缘的速度。由于距离遥远，这种测量需要最强大的望远镜。这时，直径10米的凯克望远镜吸引了许多观测者。凯克望远镜是由3献边形镜片组合而成的，是一架极其出色的天文望远镜，它能使我们对120亿光年远的可见宇宙边缘的星系逐个进行观测。但是，就像其他地面望远镜一样。为了找出这些遥远星系的实际距离，需要有“标准烛光”。哈勃当初是用造父变星作“标准烛光”的，但要测量比哈勃测量的远得多的星系，造父变星就显得太暗了。所以，天文学家现在测量遥远星系时采用的“标准烛光”是Ia型超新星。他们利用Ia型超新星测量了红移，计算出这些遥远的星系远离地球的速度。经过几年的观测和计算，他们在1998年得出令人震惊的结论：宇宙膨胀完全不是减慢，而是加速。因此，用扔苹果类比的想法是错误的，这是由于推动宇宙加速膨胀的不是引力，而是一种神秘的力——斥力，天文学家称为“暗能”。
“暗能”是什么?它对宇宙运动加速起了什么作用?目前这些都是谜。暗能是一种假想的物质，很均匀，很稀薄，密度约为每立方厘米10的负29次方克。正因为暗能很稀薄，所以很难在实验室里探测它，只能通过它造成的宇宙加速膨胀来了解它的存在。根据现代“宇宙学标准模型”，它建立起73％～74％的宇宙能量。有人提出这样一些疑问：在暗能推动下，宇宙会一直加速膨胀下去吗?长期加速膨胀下去的宇宙最终会爆裂吗?这些问题目前都无答案。
望远镜不断地打开宇宙的新窗户，科学家每次通过望远镜考察宇宙新的领域都会发现新的惊奇。
“宇宙”一词最早出现在战国时代的《尸子》中：“上下四方曰字，往古来今曰宙。”我们祖先早在2500年前就把“宇宙”同“时－空”结合在一起了，这是非常正确的。然而宇宙到底有多大，它的边缘在哪里，人类却久久没有弄清楚。直到20世纪初期，人们还认为银河系就是我们已知的整个宇宙。是望远镜提高了我们的眼力，让我们目击了土星上空美丽的光环、木星表面滚动的风暴云、百万光年外爆炸的超新星、正在诞生的“婴儿恒星”、137亿年前的早期宇宙、神秘的暗物质和神奇的暗能。那么，望远镜对于宇宙还能揭示什么呢?它能看到宇宙很遥远的边缘吗?
威尔逊山上的革命
20年前，美国“发现号”航天飞机将著名的“哈勃空间望远镜”(简称“哈勃”)放进了轨道，这个用高技术装备起来的第一部新一代空间望远镜正在探索宇宙边缘。它给了我们许多发现，许多惊奇。它是当代最精良的天文观测设备，能够同时拍摄百万颗恒星照片，它拍摄的照片比地面天文望远镜拍摄的清晰十多倍。通过在轨道上的四次大修，它成功地进行了长达19年、总共88万多次的宇宙观测，对2.9万个宇宙天体拍摄了57万多张照片，传回地球5万张高质量的精美图片，它取得的数据足以堆满两个美国国会图书馆。“哈勃”创造了许多太空观测奇迹，例如，发现了黑洞存在的证据，探测到恒星和星系的早期形成过程，观测到目前人类所能触及的最遥远(距离地球130亿光年)的古老星系，探明宇宙年龄为137亿年。这些观测对世俗文化有着极大的冲击力，对人类建立新的宇宙观有着极为重要的影响。
今天，用高技术装备起来的其他越来越多的望远镜正加入到“哈勃”的行列，共同揭示宇宙中那些令人难以理解的奥秘：宇宙的大小、年龄和激烈的程度。20世纪伊始，开始了一场天文学革命，其标志就是建造新的望远镜。这是一场持续改变我们对宇宙的感性知识、扩张我们感知的宇宙边缘和让我们永远在发现之旅上奔驰的革命，今天我们仍在这条革命道路上向前跑。
这场革命的第一步是一位名叫乔治·埃勒里·海耳的天文学家攀登加利福尼亚帕萨迪纳海拔2000米高的威尔逊山。天文学家早就认识到，要想得到真正好的天文观测资料，就要选择好的观测地址，因此天文学家往往不远万里选择天文台台址(例如中国科学院紫金山天文台曾经到荒凉的青海省德令哈建立毫米波观测站，而不是在原来的老天文台安装新的望远镜)。作为天文学家，海耳清楚地知道地球大气对天文观测的重要性。在天文学教科书里，“大气折射”、“蒙气差”对天文观测的不利影响有充分的描述：地球大气能改变天体光线的入射方向，在观测的天体位置上造成误差；浓密的大气层还有消光作用，导致从天体来的光线大大减弱。在威尔逊山上建立天文台，把歪曲和减弱望远镜成像能力的低层大气中的云和雾统统“踩”在脚下，是提高天文观测质量的重要举措。因此海耳要看看在这座山的山峰上能否建造一个天文台，让稀薄的大气变得清澈透明，更有利于天文观测。
100年前，在山顶上建天文台的想法是具有革命性的，也是一个巨大的挑战。把几百吨重的钢铁和混凝土一点一点地沿狭窄的山路拉上山是不容易的，但为了换取清澈明净的天空，花点功夫也是值得的。威尔逊天文台建成后将是当时地球上最高的天文台，并为全球天文台勾画出蓝图。
这个天文台是海耳的梦想，他要在这样的天文台上解决最大的宇宙之谜：找出我们的银河系之外是否还有其他世界。对海耳来说，解决天文台的高度仅仅是第一步，为了观测使人目眩的深空宇宙，他需要在天文台上安装当时世界最大的新望远镜。
望远镜是光线的“收集桶”，较大的望远镜可以收集较多的光线，可以聚焦较暗的星。在海耳时代，大多数望远镜是用玻璃透镜聚焦光线的，当玻璃透镜被做得很大时，其自身重力也会变得很大，使望远镜弯曲变形，造成星像失真。这里的“变形”，术语称为“畸变”。因此，玻璃透镜不能做得很大。海耳需要一种新设计的望远镜，要求望远镜能收集大量光线，但不能用玻璃透镜。经过周密思索、比较，海耳决定采用伊萨克·牛顿在1688年创造的反射望远镜。这种望远镜用弯曲的镜面代替玻璃透镜，把光线反射到一点来聚焦。海耳采用这种结构，用n年时间把反射望远镜制作出来。这部望远镜的曲面镜直径2.54米，重400千克，安置在12.2米铸铁管底座上，整个装置安置在30米直径的圆顶内。1917年，公众见到这架当时世界上最大的望远镜时一片哗然。
美丽的安德罗美达
威尔逊山上新建成的望远镜成为当时美国的科学眼睛，也是世界的科学眼睛，它的出类拔萃赢得了各国天文学家的青睐，他们飘洋过海，从世界各地聚集到威尔逊山，轮流守候在它身旁，用它观测星空。在天文望远镜殿堂里，威尔逊山的望远镜当之无隗地赢得了“宇宙历史上最重要望远镜”的美誉。
这架望远镜很快被用来揭示天文学上一个久未破解的奥秘：星云。星云是一种让人费解的天体。凭视觉看，它们是恒星之间云雾状的巨大发光体，浑然一体，千变万化，互相涉及，互为因果。有些星云是卵形漩涡，有些是由恒星组成的纤细漩涡，还有一些有着分岔的“触须”。根据它们的辐射和形状，星云被分为发射星云、反射星云、暗星云、超新星遗迹、弥漫星云和行星状星云。人们通过望远镜见到了几百个星云，却一直无人知道它们是什么，也不知道它们离我们有多远。后来，经过观测研究，人们才知道星云有两类，一类在银河系内，一类在银河系外。银河系内的星云才是真正的星云，它们是气体和尘埃形成的云雾状物质，而银河系外的“星云”则是由几千亿颗太阳一样的恒星组成的河外星系。
测定一个星云是银河系天体还是河外星系，就需要测出它到地球的距离，而测定星云的距离是不容易的，在广袤的太空中确定天体距离是对天文学家最大的挑战之一。天体的距离是靠观测其光线来确定的，天体的光线犹如汽车的头灯，距离越近，看起来越亮。但是，星星并不是我们想象的那样分布在与我们距离相同的球面上。这种“相同”是投影产生的错觉。实际上，不同的天体到我们的距离千差万别，各不相同。我们有这样的常识：在较远距离上，汽车头灯可能与距离近的自行车头灯有着同样的亮度；而当汽车越来越近时，汽车头灯就比自行车头灯亮多了。 天体的情况也是一样。因此，测量天体的距离需要有一盏标准的“天灯”做“量天尺”，这把“量天尺”通常用符合条件的恒星(遥远星系内特别明亮的恒星)来做，并且有一个专用名称一“标准烛光”。
美国天文学家哈勃测量了仙女座星云，这个星云有一个凄美的神话故事。“仙女座”译成中文是“安德罗美达”。在希腊神话中，安德罗美达是依索比亚国王克甫斯和王后卡西奥佩娅的女儿。卡西奥佩娅因不断炫耀自己的美丽而得罪了海神波塞冬的妻子安菲特里忒，后者要波塞冬替她报仇。波塞冬遂派海怪蹂躏依索比亚。克甫斯得知此事后非常害怕，请求神谕解救。神谕暗示，唯一的办法是献上安德罗美达，用铁索把她锁在海怪(鲸鱼座)必经之路的巨石上，任由海怪蹂躏。克甫斯夫妇按照神谕的话做了，可怜的安德罗美达受尽折磨。后来，英雄帕修斯路过这里，看见安德罗美达的惨痛，立即拿出腰间悬挂的蛇发魔女墨杜莎的人头对着海怪，海隆顿时化为岩石，原来这是由于墨杜莎有一对闪闪发光的特殊眼睛(现在称墨杜莎的“眼睛”为“大陵五”，是一对互相绕着转的食变双星)。帕修斯杀死了海怪，救出了仙女安德罗美达，演绎了一段英雄救美的佳话。
说完故事，再谈哈勃的观测。哈勃先在仙女座星云中寻找造父变星，因为他选择造父变星作为“标准烛光”。他仔细地对仙女座星云的照片分析了几个月，1923年10月6日，他终于在仙女座边缘上找到了一颗造父变星。哈勃喜出望外，在照片上画了两条黑线，并在黑线之间标出造父变星的位置，写上“变!”作为槲己。
利用造父变星，哈勃测量出仙女座星云到地球的距离约为80万光年，比银河系内已知最远的恒星还远8倍多。这个数据无可辩驳地表明，仙女座星云是银河系边缘外的星系。这次测量是改变历史的测量，哈勃非常激动地提起笔，在“仙女座到我们地球的距离比我们银河系远8倍多”这句话后面打了一个大大的惊叹号。
哈勃是幸运的，因为他有机会接受海耳的邀请，参与了星云距离的测量。哈勃的成功也是意料之中的。作为当时最著名的观测天文学家之一，每到夜幕降临、华灯初上的时候，哈勃便打开天窗，守候在2.54米望远镜旁。哈勃用辛勤的劳动获得了仙女座星云的前所未有的细节，他的发现彻底改变了我们对宇宙的认识，大大延伸了宇宙的前沿，从此银河系不再是宇宙的全部，仙女座星云也不是独一无二的河外星系，仅哈勃一人就观测到了好几十个河外星系。位于银河系外面的星云就像辽阔海洋中的岛屿，星罗棋布地散布在广袤的宇宙中。天文学家形象地称它们为“宇宙岛”，把密布“岛屿”的宇宙叫做“岛宇宙”
“岛宇宙”的出现打破了银河系是宇宙边缘的旧观念，“河外有河，天外有天”，辩证法在这里得到了很好的诠释。哈勃用当时望远镜的观测资料深刻地改变了人类的宇宙观。今天，最大的望远镜仍在观测宇宙，而且比哈勃时代观测的范围更加广阔。今天望远镜穿越了100多亿光年，“看”到了数千亿个星系位于我们的银河系外面，每一个星系都由数千亿星组成。天空中的星星数比地球上所有海滨和沙漠的沙粒的总和还要多!
破译星光密码
19世纪初，英国物理学家渥拉斯顿制造了一架分光镜，用来分析太阳光。这是一架破译光线密码的仪器，它能像雨后彩虹那样把白色太阳光分离成五彩缤纷的光谱，让隐藏在光谱里的宇宙奥秘暴露在天文学家面前。分光镜之所以具有奇妙的功能，源于光线是一种电磁波，每一种颜色都有自己的波长。红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的波长依次变短，频率依次变高，红光波长较长，频率较低，紫光波长较短，频率较高；白光是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光线混合而成的。因此，利用分光镜可以分析出天体发射的光线里含有哪些成分。换句话说，利用分光镜可以破译天体光线的密码，获取天体的信息。
1842年，奥地利物理学家和数学家克里斯琴·约翰·多普勒提出一条原理，被称为“多普勒原理”。该原理指出，当发射光线的物体相对于观测者运动时，观测到光线的波长要发生变化——光源向观测者运动时，光被压缩，波长变短，频率变高，出现蓝移(也称紫移)；相反，当光源背离观测者运动时，光被拉伸，波长变长，频率变低，出现红移。光源运动的速度越高，这种效应越显著。因此，根据光线是红移还是蓝移，可以计算出光源在视线方向的运动方向，根据红移或蓝移的大小，可以计算出光源在视线方向的运动速度。根据多普勒原理，恒星光谱线的位移既能显示恒星是向着还是背着观测者运动，也能据此计算出恒星的运动速度大小。
1928年，哈勃利用多普勒原理研究新发现的星系的红移，借以找出星系的移动速度。他分析了许多星系的速度，并按照星系的远近列成表，观察它们的速度同星系距离的关系，结果得出了一个令人震惊的结论：离我们越远的星系红移越大，远离的速度越快。1929年，他在星系速度与距离之间建立了一个有趣的关系：离开越远的星系红移越大，远离的速度也越大。这就是著名的哈勃定律。由这条定律得出结论：宇宙在膨胀。
哈勃的发现引出一个问题：如果宇宙在膨胀，那么是什么促使它膨胀的呢?天文学家从哈勃的发现中寻找出答案。哈勃发现，宇宙中的星系在相互移开，用天文学上的术语，叫做“退行”，而且是自然“移开”的。所谓宇宙在膨胀，并非星系在离开我们，而是空间本身在伸展。也就是说，宇宙和星系就像练球房和球一样，球是星系，练球房就是宇宙，练球房“膨胀”了，球与球之间的空间自然就增大了。科学家由此想到：在过去某些时间，“练球房”和“球”不都在一个中心点吗?追溯到过去，中心点——宇宙的爆发点温度比现在高，密度比现在大，而且越早期温度越高，密度也越大。宇宙是从一个高温、高密状态膨胀演化而来的。因此，苏联著名天文学家伽莫夫在20世纪50年代提出了大爆炸宇宙学理论。
根据这一理论，大爆炸发生在一瞬间，而宇宙就是在这个瞬间诞生的。宇宙诞生以后，曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期，宇宙体系并不是静止的，而是在不断膨胀，使物质密度从密到稀演化。根据大爆炸宇宙学，大爆炸的整个过程是：在宇宙早期，温度极高，在100亿K(开氏度)以上，物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡，那时宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质；由于整个宇宙体系在不断膨胀，结果温度很快下降，当温度下降到10亿K左右时，中子开始失去自由存在的条件，或者发生衰变，或者与质子结合成重氢和氦等元素，开始形成化学元素；当温度进一步下降到100万K后，早期形成化学元素的过程结束，宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核；当温度下降到几千摄氏度时，辐射减退，宇宙间的物质主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气体云，再进一步演化形成各种各样的恒星、星系和星系团，成为我们今天看到的宇宙。
“无意”获得诺贝尔奖
今天的人们无法回到宇宙初期目睹宇宙演化的真实画面，只能依据观测资料，运用物理理论进行分析，推断出大爆炸的大致过程。所谓观测资料，是指散落在宇宙空间的大爆炸余赆——微波背景辐射。
1964年，美国贝尔实验室的阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊两位研究人员为了检验一台巨型天线的低噪声性能，把天线对准了没有明显天体的天空区域进行测量，无意间收到一个相当大的微波噪声，波长7.35厘米。精确测量显示，这种辐射的温度相当于绝对温度为3K的黑体辐射。而且无论天线指向何方，它们都存在。彭齐亚斯和威尔逊最初怀疑设备出了问题，产生了干扰，于是他们对仪器的各个部件进行试验，甚至扫去了天线内的鸽子粪便。他们从冬到夏，夜以继日地做试验，观测了天空每一个可能的方向，甚至就连对两年前夏季发生的一次高空核爆炸是否产生了带电粒子都做了考虑。但是各种考虑都徒劳无功，找不到信号来源。这种既不是来自天体辐射、也不是仪器干扰产生的微波噪声，看来只可能是广阔宇宙空间产生的了。难道虚无缥缈的宇宙空间存在背景辐射吗?两位研究人员找不出答案。由于无法解释这个温度的来源，尽管他们对自己的结果确信无疑，却没有公布测量结果。
1965年，彭齐亚斯和威尔逊获悉，以迪克为首的普林斯顿大学研究小组正在研究宇宙背景辐射，他们立即与迪克教授取得了联系。经过双方深入讨论，彭齐亚斯和威尔逊初步断定，他们发现的正是普林斯顿大学研究的宇宙背景辐射。他们估计，迪克等人之所以没有探测到这种辐射，乃是因为他们的天线灵敏度不够。于是，彭齐亚斯和威尔逊撰写了一篇600字的论文——《在4080兆赫处天线附加温度的测量》，宣布了他们的成果。
就这样，彭齐亚斯和威尔逊“意外”地发现了宇宙微波背景辐射(简称CMB)，看到了大爆炸的余辉，听到了“开天辟地”的声响。他们是幸运的，而更幸运的是，他们的发现为大爆炸理论提供了证据，对科学发展做出了巨大贡献。为了彰显他们在科学上的贡献，瑞典诺贝尔委员会1978年授予他们诺贝尔物理学奖。
从此，宇宙微波背景辐射成了天体物理学家和宇宙学家案头的热门研究课题，理论家研究它的理论，观测者则观测它的细节。美国宇航局的“宇宙背景辐射卫星”(简称COBE)在1989年11月应运升空。这个探测器成功地给出世界上第一张微波背景辐射温度图，图上显示出天空区域的平均能量(或温度)有万分之一起伏，冷的区域与热的区域交替涨落。这些观测暗示，微波背景辐射是不均匀的。理论家认为，微波背景辐射是大爆炸的余烬，大约产生于大爆炸之后38万年，较“热”的光子来自早期宇宙的稠密区域，起伏现象表明恒星和星系是物质分布不均匀的结果。这一结论把宇宙学家的视线引向了宇宙的“婴儿时期”。
研究极早期宇宙，需要高分辨率的探测资料，探测这样的资料，“宇宙背景辐射卫星”是办不到的，因为它的传感器分辨率不够。于是，在2001年6月30日美国宇航局发射了“威尔金森微波各向异性探测器”(简称WMAP)，这个探测器的外形与彭齐亚斯和威尔逊的巨大天线相类似，但性能精良得多，并且装备了两架反射望远镜。整个装置在距离地球约150万千米的第二拉格朗日点上飞行，进行复杂的全天扫瞄，全天扫瞄一次需6个月。WMAP的飞行目的是高精度地检测大爆炸辉光，尝试寻找星系形成的原因和察看大爆炸之初的状况。
WMAP在多年飞行中取得许多重要成果，科学家于2003年公布了其第一批观测结果，随后又相继发布了多批观测资料。根据WMAP的观测结果绘制的宇宙微波背景温度图揭示了大量信息，图上小红点是物质开始聚集、最后形成星系团的地方，是揭示恒星和星系最初如何形成的至关重要的证据。
WMAP是比较精确的探测器，它的资料既帮助天文学家推断出宇宙很早的时期(大爆炸之后约亿亿亿分之一秒)发生的事，也让天文学家揭示了巨大的宇宙之谜——宇宙的精确年龄。一般认为，自大爆炸以来宇宙的年龄是137.5亿年，误差为正负1.1亿年；而根据WMAP的观测得出的数据是137.3亿年，误差为正负1.2亿年。137亿岁的宇宙很古老，但却不是无限大的。根据宇宙的年龄，科学家立刻计算出宇宙的大小——从宇宙诞生点到宇宙边缘的长度，即宇宙半径。在地球上看，宇宙半径等于光速与宇宙年龄的乘积。所以，宇宙年龄是137亿年，就意味着宇宙半径相当于137亿光年。光速虽然很大，但却是有限值，宇宙年龄也是有限的，两个有限数相乘，其结果一定也是有限大的。因此，宇宙一定是有限的。然而，哲学上认为宇宙是无限的，人的认识也是无限的。WMAP得出的结论与辩证法相悖，这是怎么回事?原来，尽管WMAP观测的宇宙边缘比其他望远镜远得多，其测量数据达到最接近真实值，但仍然只能探测有限的宇宙。
观测工具的进步必定带来新的认识：根据WMAP测量出的宇宙的物质成分分析，我们的宇宙主要是由看不见的暗能和暗物质组成的，暗能占73％，暗物质占23％，整个宇宙只有4％的物质是看得见的。唉，人类用望远镜观天400年，竟然只看到了4％的宇宙!
独一无二的“哈勃”
WMAP把我们从地球上带回到宇宙诞生后亿亿亿分之一秒的时刻，又把前人从未见过的宇宙边缘的细节展现在我们面前，这是历史上任何其他望远镜所不及的。然而，记录这些结果的是人眼看不见的微波辐射，那么什么时候我们才能用普通的可见光观测宇宙中的星系呢?科学家给出的答案是，“等到光学望远镜技术获得巨大飞跃并且用来指向天空的时候。”我们幸运地看到，这一天已在1990年4月25日到来了。这个展示“光学望远镜技术获得巨大飞跃”的“哈勃空间望远镜”的发射，打开了宇宙的一个新窗户。
“哈勃”由美国宇航局和欧洲空间局合作研制，由美国“发现号”航天飞机部署进轨道。“哈勃”的发射实现了天文学家莱曼·斯必泽(也译作斯皮策)在太空建立天文台的梦想。1946年，斯必泽在《在地球之外的天文观测优势》一文中指出，太空中的天文台有两项优于地面天文台的性能。其一，角分辨率不受星光闪烁、大气湍流的影响；其二，在太空，红外和紫外观测没有大气层的吸收。“哈勃”的轨道在地面以上600千米的高空，那里既不受地球大气对天文观测的影响，也没有烟、雾、云遮蔽宇宙光线之忧，因而大大提高了望远镜观测天体的能力。
“哈勃”是一架经典光学望远镜，长13.3米，直径4.3米，重11.6吨，造价近30亿美元。其望远镜主镜是卡塞格林式反射望远镜，口径2.4米，能在光学、紫外和红外等多个波长范围工作。同地面大望远镜相比，“哈勃”的口径不算大，但由于在大气层上面观测，摆脱了大气束缚，因此具有空间分辨率高和天光背景暗的突出优点。此外，“哈勃”带有广角行星照相机，可同时拍摄百万颗恒星照片，拍摄的照片比地面同类天文望远镜拍摄的清晰十多倍。所有这些突出优 点使得“哈勃”成为当代最精良的天文观测设备。
“哈勃”的基本任务是拍摄天体像，它的“大眼睛”在真空中“注视”两星期就能得到一张天空像片，这种像片不是计算机制作的，而是数字图像。“哈勃”拍摄的图像犹如晶体一样清晰，它们都反映出很异常的空间事件，如爆炸星的遗迹、空间的流体——正在诞生新恒星的巨大气体和尘埃云，它们在巨大盘面上涡旋和碰撞以创造出超级星系的遥远星系等。
望远镜是时间机器，我们现在看到的光子实际上是从130多亿年前开始旅行的，它们穿过漫长的星际空间来到我们这里。所以，利用“哈勃”不仅能看到光线向外穿越的空间，而且能让时光“倒流”，看到光线的出发点。1995年，“哈勃”做过一次逆转时间回头看光线出发点的试验。试验是这样进行的：先把“哈勃”指向宇宙中一个黑点(即天空中什么也没有的点)，然后对天空中这个黑点观测10天，犹如它在通过银河系的一个小钥匙孔观测外面的宇宙一样。据实验人员描述，“哈勃”在那个黑点上见到了1万个星系。在像上看到的每一个光点代表一个星系，每一个星系都由数千亿颗太阳那样的星组成。这种像叫做“哈勃深空场”。“哈勃深空场”表明，从星系来的光线比人眼看到的任何光线暗40亿倍!而且那些光线在几十亿年前就开始旅行了。“哈勃”的镜面进行过4次升级，在2009年最后一次飞行中获得的新“深空场”表明，它见到过大爆炸后近6亿年的最远的星。
“哈勃”创造了许多太空观测奇迹，发现了黑洞存在的证据，探测到恒星和星系的早期形成过程，观测到目前人类所能触及的最遥远天体——距离地球130多亿光年的古老星系。利用这些观测资料，天文学家提出了7500多份科学研究报告，并且取得12项最重大科学发现，其中与宇宙学相关的发现就有8项，它们分别是：证实了暗物质的存在，探测到类星体明亮的光线，发现宇宙正加速膨胀，揭示星系形成全过程，“称重”超大质量黑洞，观测到宇宙中最强烈的爆炸，观测到恒星壮观的死亡过程，发现宇宙年龄为130多亿年。我们有理由相信，在一定意义上，“哈勃”在科学史上是真正独一无二的。
超大型望远镜扬威
在当代天文界，有两种设备获得很高的声誉，一是“哈勃”，二是地面超级望远镜组成的庞大网络系统。前者因揭示了宇宙的许多奥秘而光环闪烁，后者则因调查了一项轰动整个天文学界的发现而备受好评。这项发现就是迫使我们改变对我们头顶上宇宙的许多看法的神秘力量——“暗能”。美国《科学》杂志评价说，“发现暗物质和暗能存在的新证据，是2003年所取得的最重大科学突破。”
暗能是迄今发现的最神秘的东西，对于它科学家至今仍无深刻了解。暗能是从无有(或称真空)中产生的。暗能的发现是偶然与必然相结合的结果。在20世纪90年代中期，一个包括阿列克斯·费利彭科在内的天文学家小队来到夏威夷莫纳克亚山上的凯克天文台观测遥远的宇宙。他们知道宇宙是膨胀的，但怀疑宇宙是否能一直膨胀下去。他们有一个理论：宇宙实际上有可能停止膨胀和开始减慢膨胀。他们认为，这如同向空中抛苹果，地球对苹果的吸引力使苹果向上的速度越来越小，最后停止运动并向相反方向运动。所有星系之间都有相互吸引力，这些力都可以使宇宙膨胀变慢、停止，然后变成向相反方向膨胀，成为一次“大收缩”。
宇宙真的能自己往回收缩吗?要回答这个问题，需要在地球上测量宇宙边缘的速度。由于距离遥远，这种测量需要最强大的望远镜。这时，直径10米的凯克望远镜吸引了许多观测者。凯克望远镜是由3献边形镜片组合而成的，是一架极其出色的天文望远镜，它能使我们对120亿光年远的可见宇宙边缘的星系逐个进行观测。但是，就像其他地面望远镜一样。为了找出这些遥远星系的实际距离，需要有“标准烛光”。哈勃当初是用造父变星作“标准烛光”的，但要测量比哈勃测量的远得多的星系，造父变星就显得太暗了。所以，天文学家现在测量遥远星系时采用的“标准烛光”是Ia型超新星。他们利用Ia型超新星测量了红移，计算出这些遥远的星系远离地球的速度。经过几年的观测和计算，他们在1998年得出令人震惊的结论：宇宙膨胀完全不是减慢，而是加速。因此，用扔苹果类比的想法是错误的，这是由于推动宇宙加速膨胀的不是引力，而是一种神秘的力——斥力，天文学家称为“暗能”。
“暗能”是什么?它对宇宙运动加速起了什么作用?目前这些都是谜。暗能是一种假想的物质，很均匀，很稀薄，密度约为每立方厘米10的负29次方克。正因为暗能很稀薄，所以很难在实验室里探测它，只能通过它造成的宇宙加速膨胀来了解它的存在。根据现代“宇宙学标准模型”，它建立起73％～74％的宇宙能量。有人提出这样一些疑问：在暗能推动下，宇宙会一直加速膨胀下去吗?长期加速膨胀下去的宇宙最终会爆裂吗?这些问题目前都无答案。
望远镜不断地打开宇宙的新窗户，科学家每次通过望远镜考察宇宙新的领域都会发现新的惊奇。