在太空時代以前，世人一直認為天文學是一切科學中最神秘的，但是現在它卻突然成為一門引起世人極大興趣的科目，而且是一門切合實際的應用科學。自從第一批人造衛星出現以來，許多從來不曾舉起好奇的眼睛遙望星辰的人，現在也盯住天空了。多年以來一直是住在偏僻的天文台裏的少數專家才研究的題目——例如月球的運動，行星的物理學之類的題目——現在塞滿了報紙的篇幅和電視的銀幕。
但天文學上最激動人心的問題卻是完全不切合實用的；無論這個問題的最後答案是怎樣的，它對於人類的實際事務都絕不會有什麼影響。這個問題就是宇宙的性質和構造——我們生活於宇宙之中，我們本身也是宇宙的一部分。這個神秘問題無疑是科學上最偉大、最根本的問題之一，自從人類於艱苦努力謀求生存之餘還能閒暇作思考的時候起，就反覆不斷地提出過這個問題。正因為這個問題完全無關於人類事務，它也就更引人入勝；人類的心思每每給一些近乎玄學的想法迷惑住了。
幾乎每一個人都不免以這樣或那樣的方式遭遇一個在本質上無從解答的問題——有限和無限相對立的問題。當然，人類的心靈不可能想像無限小或無限大的東西；但有限這個概念若是應用到空間或時間上，也是無法想像的。無而沒有第三種想法；宇宙若不是有限的，便該是無限的。這是個兩難的問題，凡是關於我們宇宙的本質的任何討論，都必定圍繞這個問題。
即令是個三尺童子，也可能同這個難題接觸。他可能在藥房櫥窗裏見到一隻做廣告用的大瓶，瓶上的招貼紙畫著一個白鬍鬚的矮人，這人手裏端著一隻瓶子，同大瓶一模一樣，不過尺寸小些。這畫中的瓶子上當然又有一張招紙，也畫著一個較小的矮人，手上又端著瓶子，這更小的瓶上仍然畫著一個更小的矮人，手上又有隻瓶子。雖然印刷術還沒有進展到連第三代或第四代矮人的瓶子上的招紙都看得清楚的地步，但是這種畫法暗示招紙上的圖形可以一級一級縮小，以至於無窮。櫥窗外面的兒童研究了原來的瓶子後可能問道：這樣的圖形一級套一級，要套到哪一級才結束呢？顯然，圖形是可以越縮越小，永無止境！
當然，到某個程度必須終止；人類的心靈在這種可怕的無限概念之前退縮了。但對於心靈而論，是無路可逃的，它不能不老是想到矮人和瓶子在一級又一級縮小，圖畫縮個不止，心靈也就想個不停。在最小的圖形之後始終存在著更加微小的圖形的可能性。
這祗是無限的一端；事物還可以一級比一級擴大。不論一樣東西大到什麼程度——無論它是一棟房子、一個洲、整個地球、太陽、太陽系、銀河、一切銀河系、宇宙——總還有可能存在著更大的東西，即令看不到，至少也能夠想像到。假如我們描繪宇宙的最遠邊境為由一道柵欄圍住，欄上大書「宇宙的終極」字樣，我們的心靈立刻會跳過柵欄，提出問題道：「柵欄外面又是什麼？」無論把柵欄移得多麼遙遠，我們總能夠跳越它，於是無限的概念又出現於我們眼前。
到此刻為止，我們還祗討論空間的廣袤。但當我們想到時間的問題時，有限和無限相對立的難題又落到我們頭上了。究竟有沒有一個太初呢？假如有，在太初之前是什麼？萬事萬物會不會有個終結？時間會不會延伸到不可思議的、漫無休止的長度，即所謂「永遠」呢？
這兩個關於空間和時間的難題，應用到我們居住的宇宙上，就變得特別困難了。假如宇宙在空間和時間方面都是有限的，那麼我們就不得不問一聲：在限界之外是什麼！在太初之前是什麼？在終結之後又是什麼？可是人類的心靈又不能夠捨有限而取無限，不能體會到宇宙怎樣在空間和時間方面都無限地伸張出去。第三種可能性也許是空間和時間都無限，但物質的存在局限於空間裏有限的部分，而且只延續一定長久的時間。這第三種想法並不比頭兩種可能性更教人滿意，因為它把「物質的宇宙」這個現象貶低為只是一個無足輕重的事件，迷失於空間和時間的茫茫海洋裏。看起來似乎連思考這些神秘問題都是完全枉然的，因為憑我們的思想的正常方式無法想出任何解答。我們有一種本能的感覺，覺得找不出證據或反證來判斷這個爭端。但人類的天性決不滿足於在難題面前束手無策。在古代，種種的猜想通常根據信仰、宗教教條甚至於各人的嗜好。人人都可以自由挑選一種理論——這種情況也許是很好玩的，但無法顯露宇宙的真正性質。幾千年來，大都是些無結果的爭辯。
於是，二十世紀科學的驚人進展突然把局勢改變了。現在天文學和理論物理學給我們提供了工具，藉此可以從嶄新的角度向這個問題進攻，使用從前無法想像的概念和想法。相對論和二百吋望遠鏡以及龐大的射電望遠鏡（無線電望遠鏡）之類的大大改進了的天文觀測器械，已給我們以工具，藉此可以探究「宇宙的結構」這個古老問題，不再靠個人的信仰或嗜好了。這倒不一定是說我們已比從前更接近於瞭解宇宙的性質；不過，最低限度，這個問題和解決它的可能性比從前更加大大地激動人心。
據現代科學所瞭解，我們對於宇宙的全面看法，已不再著眼於一個月亮、行星或恆星，而是以銀河（天河）為宇宙中的物質的基本單位。這些銀河，從前叫做「螺旋星雲」，是天空裏非常非常遙遠的物體，多年來天文學家們都查不出個究竟。現在天文學上把典型的銀河描寫為由許許多多恆星結合而成的極大的一團，形成一個巨大的海島似的宇宙，其體積相當於我們太陽系所歸屬的銀河。用荷蘭天文學家詹．Ｈ．奧爾特（Jan H. Oort）的話來說：
——「人類在近兩個世紀裡所處的境況彷彿是個守望者，注視著一批奇怪的物體朝自己走來。起先看這些物體是些暗淡模糊的影子。等到更強大的望遠鏡把它們越拉越近，才認清它們是一群群星辰，更進一步看清它們分成許多個系統，其形狀和類型互有差別；現在我們已能分析許多星辰集團的內部結構的詳細情況。」——
單單一個銀河裏就可能有恆星一千億個之多，這樣的銀河已經紀錄到的不下幾十億個，都是由強大望遠鏡深入太空而觀察到的。
上述的細節雖然非常有趣，在我們研究宇宙的構造這個基本問題時，卻不必太過注意。現在最重要的是這麼一種說法，即認為銀河是宇宙的基本單位——可說是構成宇宙的原子。
關於銀河在宇宙中的分佈狀況，有兩項重大的發現。第一項是：據最強大的望遠鏡的觀察所及，銀河似乎均勻地散佈於整個太空。銀河有形成集團和星叢的傾向，但以整個宇宙而論，統計起來，這種結叢的趨勢也是到處都差不多的。第二項發現是二十世紀初年由Ｖ．Ｍ．斯立活（V.M. Slipher）Ｅ．Ｐ．赫博（E.P. Hubble）和Ｍ．Ｌ．赫瑪孫（M.L. Humason）作出的。他們發現：銀河各自背離而去，任何兩個銀河飛逝的速度同它們之間的距離成正比。這個現象引起了「宇宙膨脹」的理論。二十世紀本來多的是科學上的驚人奇事，宇宙膨脹論可能是二十世紀天文學上最重大、最激動人心的發現。
顯然，認識了銀河的真正本質和它們奇怪的飛逝情況，一定給那些研究宇宙的性質的人提供很多可資思考的材料。但是，假如沒有一種統攝全局的理論，使這些重大的發現能夠在一個更大的思想體系內讓人瞭解，這些發現就會毫無用處。恰好在科學上出現了最幸運的巧事，就是天文學家發現宇宙膨脹現象的前不幾年，理論物理學家剛好根據他們的數學方程式也推究出同樣的觀念。這些方程式全都脫胎於著名的「特殊相對論」（Special Theory of Relativity），特殊相對論是阿爾伯特．愛因斯坦（Albert Einstein）在一九○五年研究出來的，後來他又在一九一七年將這理論推廣了。
相對論據說是外行的人無法理解的，但只要是討論宇宙的性質，若不依靠愛因斯坦的觀念就無從談起。相對論使我們對於宇宙的基本實體——空間、時間、物質——的概念煥然一新。愛因斯坦本人和跟他同時代的數學家不久都認識到：相對論是個獨一無二的好工具，可用來解決「我們周圍的宇宙究竟是怎麼回事」這個自古以來就無法答覆的問題。不幸，相對論裏有一個概念超出了人類感覺的具體覺察的範圍。相對論的種種概念，牽涉到一個因素，是在我們思想的結構中不佔地位的，這就是：第四因次（或譯次元、度）。
用數學的詞句來說，一個因次就是空間的一個重大延伸。一條無限細的線只往一個方向伸張，因此它是「一因次的」。一個平面，譬如一張平直的紙，往兩個方向延伸；它只有長和寬，假如我們不理會這張紙的厚度的話。因此，平面是「二因次的」。一個盒子往三個方向伸張——高、長和寬——所以空間是「三因次的」。平面的兩個因次形成一個直角，這是可以從一張紙的每一個角上立即看到的。空間的三個因次也是如此：盒子的每隻角都是由三條邊組合而成的，這三條邊形成三個直角。