古诗云：“星汉灿烂，日出其中，日月之行，日出其里。”从古至今，面对茫茫宇宙，人们对它由表及里、由浅入深、由片面到更多方面的认识，经历了漫长的历程。从意大利科学家伽利略用光学望远镜观测星空算起，大体经历了四个阶段。
第一步，伽利略的天文发现向人类展现了一个前所未有的广阔宇宙。虽然他自制的折射望远镜非常简陋，放大倍率也只有30来倍，但他先后发现月球表面地形是那样凹凸不平，太阳有自转，日面有黑子，木星至少有4颗卫星绕着转，水星和金星有盈亏现象，银河原来是由密密麻麻的恒星组成。随着光学望远镜口径的增大、仪器威力的增强，以及观测方法的增多和观测质量的提高，改变了人类对宇宙的认识。
第二步，天体光谱学的诞生和天体物理的飞速发展使人们得到了天体的本质信息。1859年德国科学家、物理学家基尔霍夫和化学家本生发现处于炽热状态物体的能量辐射和吸收之间的关系，进而正确解释了天体连续光谱背景上暗线的真相。从此，科学家不仅可以从光谱分析中得出一个天体的化学组成，还可以推出该天体的距离、大小、运动特征、元素丰度、大气成分以及密度、温度、压力、磁场等物理特征。
第三步，射电天文学的建立在探测宇宙方面做出了杰出贡献。二十世纪六十年代天文学四大发现（星际有机分子、类星体、3K微波背景辐射和脉冲星）无不与它相关。不仅如此，利用高能物理、核物理、原子物理学的探测技术，科学家很快探测到天体的各种辐射，也促使紫外天文学、X射线天文学、γ射线天文学、红外天文学迅速发展起来。科学家们正越来越深刻认识天体的红外、紫外、X射线和γ射线图像和相应的宇宙图景。
第四步， 探测宇宙的最新阶段是 从人造卫星发射上天开始的。广阔无边的宇宙空间实验室中为科学家提供了地面实验室难以想象的物理条件，如超高密、超真空、超高压、超强磁场、超高速等等，从此天文学名副其实地成为实验科学。著名地哈勃太空望远镜1990年升空后，已使我们认识的宇宙扩大了五倍。
宇宙指物质世界总体，而人类目前所观测到的最大空间范围是哈勃半径，约为150亿光年。通常把目前能观测到的宇宙空间及其中的各类天体称为可测宇宙。
人类对宇宙的认识由近到远，由现在到过去逐渐展开，认识到宇宙的层次结构为：
星球
恒星系星系团 超星系团总星系
下表给出了某些天体的典型尺度
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天体层次 |
行星(地球) |
恒星(太阳) |
星际云(平均) |
星团(球状) |
星系 |
宇宙 |
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半径(pc)* |
10-10 |
10-6 |
10 |
10 |
104 |
1010 |
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平均距离(pc) |
10-5 |
1 |
10 |
103 |
106 |
-- |
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质量(M日) |
10-6 |
1 |
103 |
10-6 |
1011 |
1021 |
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平均密度(g/cm3) |
1 |
1 |
10-23 |
10-21 |
10-23 |
10-30 |
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中心温度(K) |
104 |
107 |
102 |
-- |
-- |
-- |
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*pc为秒差距 1pc = 3.261633光年 =  |
人类生活的地球是"本星系群"中的"银河星系团"内"太阳系"里的一颗大行星。年龄约40 ~ 50 亿年。地球的平均半径6370千米,地壳平均厚度33千米,称为地幔的地球中间层平均厚度2800多千米。
太阳是银河系内3000亿个恒星之一，直径约
光年，表面温度6000K,中心温度达 , 质量相当于33.3万个地球。太阳系是以太阳为中心，以及由它的引力支配而绕它运动的天体所构成的系统。含有九大行星，3000多个小行星，66 颗天然卫星，为数众多的彗星、流星、星际物质、人造天体。
本星系群中包含30~40个星系，尺度约为30万光年。其中银河系直径约为9万光年，厚约1万光年，扁平铁饼状结构，其“身躯如盘，内脏如球，外形如旋涡”。
任何客观存在的具体物质都有自己的结构，都在运动和变化；同样，“宇宙”这个客观存在也应该有结构，也要不断地演化。结构和形态的组成，演化通俗的讲就是指生老病死。研究宇宙结构和演化的科学就叫宇宙学。
我国古代有“盖天说”、“浑天说”、“宣夜说”等；国外有“地球中心说”、“阳中心说”等。随着科学的进步，人们逐渐发现对宇宙来说根本没有所谓的中心，或者说处处是中心。
宇宙中任何一个部分在本质上是等价的，任何方向都是平权的，这个有关宇宙空间和物质分布均匀且各向同性的假设就是宇宙学的基本内容。为纪念否定地球中心说的哥白尼，这个原理也叫哥白尼原理。
当然，这个原理并不适用于宇宙的细节。天文观测表明，天体或天体系统的成团结构大体在 108 ~109 光年的尺度上终止，而现在天文观测已达到3×1010 光年。这样我们就可以把宇宙学原理当作宇宙大尺度的平均效应，而把成团结构当作均匀背景上的涨落。
有人认为，宇宙不仅在空间上各向同性，而且在时间上也是如此。他们称之为完美的宇宙学原理。还有人认为，宇宙物质的阶层状成团结构并没有终止于某个尺度上，因而根本不存在物质分布的均匀各向同性。
宇宙学原理到目前为止还是一种假说，但它已为宇宙学研究起到了巨大的指导作用。
美国天文学家斯利费在1912年后发现星系光谱呈现红向位移现象，简称红移。如果将谱线的位移视为发射谱线的天体与观测者之间相对运动所产生的多普勒效应，这将意味着它们远离我们而去。到1926年，斯利费已积累了46个星系的红移资料，其中红移量小的相当于每秒几百千米的远离速度，大的达每秒几千千米。1929年， E.P.哈勃利用前人的观测资料和自己的测量数据，发现了星系视向退行速度v同距离D大致成线性关系的经验规律:
现在，称这个定律为哈勃定律。 
为哈勃常数。测定是观测宇宙学最重要的课题之一。目前较为公认的数据为 100km(s.Mpc)。
人们认为，哈勃定律对于为数众多的正常星系是成立的，并且还经常把它外推至较大红移量的天体，以标定距离。不过，哈勃定律对于红移量较大的特殊星系，特别是对于类星体，哈勃定律并没有得到公认。一个重要原因是对于这些星体或天体系统，演化效应的影响越来越突出。如何考虑演化效应至今仍是一个难题。
1946年，美籍俄国天体物理学家伽莫夫首次将广义相对论宇宙学和化学元素生成理论联系在一起，去研究宇宙膨胀和宇宙元素丰度两者的起源，提出热大爆炸宇宙学模型。伽莫夫认为，宇宙开始于高温、高密度的原始物质。最初温度超过几十亿度，很快降至十亿度，那时的宇宙中充满的是辐射和基本粒子，随后温度持续下降，宇宙开始膨胀。当膨胀持续了几百万年时，温度冷却至四千度，物质逐渐凝聚成星云，再演化成今天的各种天体。
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三种膨胀宇宙。“开宇宙”无限伸展且永远膨胀。“闭宇宙”是有限的，且最终往回收缩到一次“大坍聚”。这两者之间的分水岭是“临界宇宙”，它是无限大的，并且永远膨胀下去 |
1948年伽莫夫的学生阿尔法和赫尔曼根据他的思路，推算出160－200亿年前热大爆炸之后的余烬，在今天应表现出温度为5K的背景辐射。1965年美国天体物理学家彭齐亚斯和威尔逊，不期而遇地探测到各向同性地宇宙微波背景辐射。他们用高灵敏度地射电望远镜，接收到地这些来至宇宙深处地波长为7.35厘米的背景噪声，相当于3K的黑体辐射，这与伽莫夫及其学生的预言相符。3K宇宙微波辐射的发现是 成为热大爆炸学说的最有力的支持。近年来，粒子物理的电弱统一理论、量子色动力学和大统一理论提出后不久，就陆续和大爆炸理论结合起来，对于宇宙中质子数同光子数之比、重轻子的质量、中微子种类的限制等等做出了
不少有意义的解释和预言。
大爆炸模型预言宇宙应当由大约25％的氦和75％的氢组成，这与天文测量结果极为符合。最初三分钟里形成的氢与氦，构成了宇宙中99％以上的物质。形成行星和生命的丰富多彩的重元素，只占宇宙总质量的不到l％，它们大部分是在恒星内部形成的。
1989年，美国发射了宇宙背景探测器COBE（COsmic Background Explorer）。1990年，发送回来的最初一批探测资料表明微波背景辐射与温度2.730K的黑体辐射曲线的吻合程度达到99.75%。1992年，又探测到背景辐射的不均匀性，表明早期宇宙中曾发生过物质的扰动，正是这种扰动才得以形成今日所见的星系和星系成团现象。它与大爆炸宇宙模型所需的早期宇宙中的暴涨理论相符。所以，大爆炸模型被公认为最有生命力、最令人满意的描述今日所观测到宇宙图像的理论。
但是，大爆炸理论也存在一些问题有待解决。例如失踪质量问题，星系形成问题，正、反物质不对称的起源，各向同性的起源，奇点如何避免的问题，等等。
星系，就是由众多恒星组成的庞大天体系统，是构成可观测宇宙的基本成员。宇宙空间中，星系是数不胜数的。目前已观测到约1010个星系除我们所在的银河系外，其余均称河外星系。星系大小悬殊明显，我们的银河系是一个较大的星系，“仙女座星云”是距银河系最近的、较大的旋涡星系，而“大、小麦哲伦星云”虽较近，但比银河系小得多。
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麒麟座玫瑰星云NGC202237 |
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马头星云NGC202024 |
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仙女星系 |
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武仙座球状星团M13 |
1、星系的起源
目前较流行的看法是：在宇宙大爆炸后的膨胀过程中，分布不均匀的星系前物质收缩形成原星系，再演化成星系。关于星系前物质，有人认为是弥漫物质，也有人主张是超密物质。关于原星系的诞生，有两种见解，一种是引力不稳定假说，另一种是宇宙湍流假说。引力不稳定假说认为在复合时期前后的30亿年期间，星系团规模的引力不均匀性开始出现并逐渐增长，这时宇宙物质不稳定而聚成原星系。宇宙湍流假说认为在宇宙等离子物质复合以前，强辐射压可能引起湍动涡流，物质中性化后涡流的碰撞、混合、相互作用产生巨大的冲击波，形成团块群，再演变为星系。
2、星系的演化
原始星系在收缩过程中，出现第一代恒星，在原星系的中心区，收缩快、密度高、恒星的形成率也高。形成旋涡星系的星系核或旋涡星系整体。星系的自转离心力阻止赤道面上的进一步收缩，并造成不同的扁率，气体的随机运动和恒星辐射加热等因数又使部分气体未聚成星胚，并因碰撞作用而沉向赤道面。几亿年间，由原星系形成的为年轻星系。此后百亿年间，星系结构无大的变化。
3、类星体
类星体是20世纪60年代天文学四大发现之一。类星体在光学观测中只是一个光点，类似恒星。但是在分光观测中，它的谱线具有很大的红移，又不像恒星，美籍华裔天文学家丘宏义给它取名为类星体，英文缩写为QSO。到1993年底已确认10000多个类星体。
类星体的红移量之大，使天文学家们吃惊。为什么类星体有这么大的红移？根据最新的观测，许多类星体其实就是遥远星系的核心。那么如果类星体真是离我们那么远，那它们自身的光度一定非常强大，比一般星系大上千倍。但是，根据光变时标推断，它们的体积似乎小于一光年。体积不大又怎么能提供如此强大的能量呢？多数天文学家相信，这是由中心的超大质量黑洞吸积周围物质释放的引力能。总之，现在只观测到类星体的一些蛛丝马迹，类星体的本质还不清楚。因为类星体浑身是谜，引起天文学家们的极大兴趣。
目前，科学家正在发展一种新理论。宇宙的前生是超空间里的一个四维超球体。一个球面的中心不在表面上，而在球体的内部，我们的宇宙的起爆点也不在宇宙里，而在“那边”。这个四维超球体在膨胀，造成它的“投影”--也就是我们的宇宙不断地胀大，每时每刻“创造”出新的空间，星系互相远离。空间膨胀速度可以超过光速，这并不违反相对论，我们发现在遥远的宇宙边缘存在着运动速度接近光速的星体正是个良好的佐证。如果不是空间本身的膨胀，问题就严重得多，因为我们无法想象一个巨大得星体可以象基本粒子那样快速的运动。
如果宇宙真是超球体在三维空间的投影，它最可能的形状有两种：类似球形的封闭空间和类似双曲面的开放空间。这取决于宇宙是否有足够的物质。物质充足的话，它将是封闭空间，光会陷在里面，宇宙本身就成了一个大黑洞;而在开放的空间里，平行线会交叉，宇宙会因为物质不足而不停膨胀，最终恒星冷却，黑洞蒸发，整个世界成为一团寒冷、稀薄、无限接近真空的雾。宇宙学家知道要算清物质的总量有多么重要，可是到目前为止，我们仍未得到一个较精确的值。
当前讨论较多的虫洞，可形象地解释为时空的“虫眼洞穴”。比方说，时空是位于苹果地表面，接着，为了要联系苹果上的两点，虫从一点开始咬，凿开一个洞穴，这个洞穴连接着时空之相异的两点。科学家认为它是贯穿第四维“管子”，与黑洞相连。我们穿过它就可以在一刹那到达宇宙的其它地方。有一天如果真的发生了这样的事，就可以确认"宇宙是四维的"这个假说。但现在尚无确凿报道，说某个宏观物体突然出现或消失。
