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上編宇宙揭秘
宇宙的誕生
人們常常懷著不解之謎，問：宇宙是永遠不變的嗎？宇宙有多大？宇宙是什麽時候誕生的？宇宙中的物質是怎麽來的？等等。
人類當第一次把眼睛投向天空時，他就想知道這浩瀚無垠的天空以及那閃閃發光的星星是怎樣產生的。所以，各個民族，各個時代都有種種關於宇宙形成的傳說。不過那都是建立在想象和幻想基礎上的。今天，雖然科學技術已經有了很大進步，但關於宇宙的成因，仍處在假說階段。歸納起來，大致有以下這麽幾種假說。
到目前為止，許多科學家傾向於「宇宙大霹靂」的假說。這一觀點是由加莫夫和弗瑞德曼提出來的。這一假說認為，大約在２００億年以前，構成我們今天所看到的天體的物質都集中在一起，密度極高，溫度高達１００多億攝氏度，被稱為原始火球。這個時期的天空中，沒有恒星和星系，只是充滿了放射線。後來不知什麽原因，原始火球發生了大霹靂，組成火球的物質飛散到四面八方，高溫的物質冷卻起來，密度也開始降低。在爆炸兩秒鐘之後，在１００億攝氏度高溫下產生了質子和中子，在隨後的自由中子衰變的１１分鐘之內，形成了重元素的原子核。大約又過了１００００年，產生了氫原子和氦原子。在這１００００年的時間裏，散落在空間的物質便開始了局部的聯合，星雲、星系的恒星，就是由這些物質凝聚而成的。在星雲的開發中，大部份瓦斯變成了星體，其中一部份因受到星體重力的作用，變成了星際介質。
１９２９年，哈伯對２４個星系進行了全面的觀測和深入的研究。他發現這些星系的譜線，都存在明顯的紅移。根據物理學中的都卜勒效應，這些星系在朝遠離我們的方向奔去，即所謂退行。而且，哈伯發現這些星系退行的速度與它們的距離成正比。所以說，離我們越遠的星系，其退行速度越大。這種觀測事實證明宇宙在膨脹著。那麽，宇宙從什麽時候開始膨脹？已膨脹多久了？根據哈伯常數Ｈ＝１５０千米／（秒·千萬光年），這個意義是：距離我們１０００萬光年的天體，其退行的速度為每秒１５０千米。從而計算出宇宙的年齡為２００億年。也就是說，這個膨脹著的宇宙已存在２００億年了。
２０世紀６０年代，天文學中的四大發明之一的微波背景放射線認為，星空背景普遍存在著３Ｋ微波背景放射線，這種放射線在天空中是各向同性的。這似乎是當年熱大霹靂後遺留下的余熱。從某種意義上，這也是支持了大霹靂宇宙學的觀點。但是，熱大霹靂宇宙學也有些根本性問題沒解決。如大霹靂前的宇宙是什麽樣？大霹靂是怎麽引起的？宇宙的膨脹未來是什麽格局？
第二種是「宇宙永恒」假說。這種假說認為，宇宙並不是像人們所說的那樣動蕩不定，自從開天辟地以來，宇宙中的星體、星體密度以及它們的空間運動都處在一種穩定狀態，這就是宇宙永恒假說。這種假說是英國天文學家霍伊爾、邦迪和高爾特等人提出來的。霍伊爾把宇宙中的物質分成以下幾大類：恒星、小行星、隕石、宇宙塵埃、星雲、射電源、脈沖星、類星體、星際介質等，認為這些物質在大尺度範圍內處於一種平衡狀態。就是說，一些星體在某處湮滅了，在另一處一定會有新的星體產生。宇宙只是在局部發生變化，在整體範圍內則是穩定的。
第三種是「宇宙層次」假說。這種假說是法國天文學家沃庫勒等人提出來的。他們認為宇宙的結構是分層次的，如恒星是一個層次，恒星集合組成星系是一個層次，許多星系結合在一起組成星系團是一個層次，一些星系團組成超星系團又是一個層次。
綜合起來看，以上種種假說雖然說明了模式的部份道理，但還是缺乏概括性，還有繼續探討的必要。
１大霹靂說
我們的宇宙有起源嗎？如果有起源，它來自哪裏呢？
早在１９２７年，比利時天文學家勒梅特就指出，宇宙在早期應該處於非常稠密的狀態。１９３２年，勒梅特進一步提出，宇宙起源於被稱為「原始原子」的爆炸。１９４８年，美國科學家伽莫夫、艾爾弗、赫爾曼提出了「熱大霹靂宇宙學」，認為宇宙開始於「原始火球」的一次巨大霹靂，在這個過程中，碎片不斷在空間中自身膨脹。
伽莫夫等人建立這一理論的最初目的，是為了說明宇宙中元素的起源的。因此他們將宇宙膨脹和元素形成聯系起來，提出了元素的大霹靂形成理論。按照這一理論，宇宙大霹靂初期生成的氦豐度為３０％，而由恒星內部核合成的氦豐度只有３％～５％。其余的氦豐度只能來自宇宙大霹靂的核合成，從而證實了熱大霹靂宇宙學的理論預言。
熱大霹靂宇宙學認為，宇宙膨脹是按「絕熱」的方式進行的，宇宙是從熱到冷演變的。在宇宙早期，放射線和物質的密度都很高，光子經過很短的路程就會被物質吸收或散射，然後物質再發射出光子，放射線和物質頻繁地交互作用。宇宙對放射線是不透明的，達到熱平衡狀態，放射線符合黑體放射線的規律。當宇宙溫度下降到大約３０００Ｋ時，質子與電子結合成氫原子，對放射線的連續吸收大大減少，物質跟放射線幾乎不再交互作用了，宇宙對放射線變得透明，光子可以在空間自由地穿行。宇宙的熱放射線主要是可見光和紅外線。時至今日，由於宇宙膨脹帶來的紅移，使溫度為３０００Ｋ的宇宙放射線的最大強度移到微波波段，稱為宇宙微波背景放射線。艾爾弗等人計算出與微波背景放射線相對應的溫度為５Ｋ左右。１９６５年，美國科學家彭齊亞斯和威爾森在７３５厘米波長上，接收到了各方向的來自宇宙的微波噪音，雜訊的訊號強度等效於溫度為３５Ｋ的黑體放射線。微波背景放射線的發現，有力地支持了熱爆炸宇宙模型。因此，大霹靂宇宙學得到大多數科學家的認同。
２無中生有
１９４８年後期，英國科學家邦迪·高爾德和霍伊爾建立了一種模型，這一模型建立在完全宇宙學原理之上，即除了宇宙是均勻的、各向同性的假設之外，還增加了宇宙不隨時間變化的假設。在這種宇宙模型中，宇宙是無限的，沒有開端也沒有終結，而且一直保持同樣的狀態。無論在什麽地方，在什麽時候，觀測者看到的宇宙總是相同的。這種宇宙模型中，宇宙起源的問題是不存在的。面對宇宙膨脹的事實，怎樣能使宇宙的狀態不變呢？邦迪等人認為，宇宙中不斷產生新的物質，其產生率和因宇宙膨脹造成的密度減小度相等，從而使宇宙物質密度保持恒定，不隨時間變化。這種模型叫做穩恒態宇宙模型。
新的物質是從哪裏產生的呢？他們主張，新的物質並不是由能量轉化而來，而是從虛無中產生的，這也等於承認能量也是從虛無中產生的。按照穩恒態宇宙模型，每立方米的空間體積內，每１０９年產生一個氫原子。這個數值太小了，無法由觀測驗證，此外它也違背了一些普遍適用的守恒規律，如物質守恒定律和能量守恒定律等。從觀測角度看，類星體的空間分布表明，過去的類星體比現在多得多，而穩恒宇宙模型主張類星體的數目任何時候都一樣，這和觀測事實不符。此外，這個模型也難以解釋宇宙微波背景放射線。
３暴脹宇宙學
由於大霹靂宇宙學得到觀測事實，如星系紅移或宇宙膨脹，３Ｋ宇宙微波背景放射線以及氘和氦的豐度的證實，因此已被大多數科學家承認，稱為標準宇宙模型。
但是，這個學說也有些難以解決的困難，如（１）奇異點問題。即原始火球的溫度和密度均為無限大，這是物理學中很難接受的。（２）均勻性問題。觀測表明，微波背景放射線之間應當是有聯系的，但大霹靂將宇宙各部份迅猛撕裂開，不允許有這種聯系。（３）平直性問題。標準宇宙模型認為宇宙空間曲率可能有正、負、零三種，但各種測量宇宙物質平均密度的方法，所得出的值均接近於臨界密度，即宇宙空間曲率很小，接近於零。這是偶然的嗎？為什麽會這樣呢？（４）磁單極子問題。標準宇宙模型中大統一理論認為，應當產生的磁單極子非常多，但我們並沒有探測到任何磁單極子。（５）小尺度不均勻性問題。即星系形成及星系的非均勻分布問題。
１９７９年～１９８１年，美國科學家古思、拜因貝魯克和威爾茨克三人提出暴脹宇宙學理論。這個學說認為，在大霹靂後不到１０－３５秒的瞬間，宇宙迅速膨脹，故稱為暴脹。暴脹持續了１０－３２秒，但在此非常短的時刻內，宇宙的體積卻以指數式增大了１０４３倍!
在暴脹宇宙模型中用以描述時空的場，既不是磁場或重力場，也不是描述物質的場，而是用具有類似真空性質的所謂希格斯場。希格斯場能夠產生不穩定性，這些不穩定性觸發時空猛烈迅速膨脹。如果認為大霹靂以前宇宙就是希格斯場的形式，就可能避開奇異點問題。其次，在暴脹宇宙模型中，膨脹很快，但具有相互聯系的範圍迅速變大，從而解決了均勻性問題。第三，暴脹宇宙模型中的宇宙比標準模型中的宇宙要大得多，因而看上去要平直得多，從而解釋了為什麽宇宙是平直的問題。第四，大統一理論認為磁單極子是在「對稱相」轉變為「非對稱相」的過程中產生的，產生的數量與相轉變速度成正比例，暴脹宇宙模型中相轉變比較緩慢，因而磁單極子也較少。第五，這種學說認為重力強度在宇宙暴脹過程中不是恒量，重力強度變化方式與宇宙膨脹的速率有關，並導致宇宙膨脹速率減慢。當暴脹階段終了，宇宙過渡到今天所見到的平緩的膨脹狀態，物質分布不均勻現象便產生了。這為解決小尺度上不均勻性指明了方向。
宇宙的大小
宇宙到底有多大？這個問題很專業，但常人要理解也不難，你先把太陽想象成一個南瓜，大約２５００億個南瓜堆成了銀河系，而無數這樣的「南瓜堆」，又分布在一個假想中的「空心球」裏。這個「空心球」的半徑是１５億公裏，相當於從地球到太陽的距離，即所謂１個「天文單位」，這就是宇宙的大小。而我們的地球在這個體積為９５億立方公裏的「空心球」裏，不過像一顆綠豆而已。
這個代表宇宙的「空心球」，總共由１億億億億億億億億億億粒子組成，其中每一個星系、每顆恒星和行星以及我們每一個人，就是由這一堆基本粒子組成的。這個有限的宇宙是人類用哈柏望遠鏡看到的，它所觀察到的最遠星系距離我們１５０億光年，再遠點就什麽都看不到了。就跟宇宙中的所有基本粒子能夠數清一樣，至少從理論上說，在一定的時間內我們能看見宇宙中的「最後一顆恒星」。
但這並不意味著那顆最後的恒星上面寫著一行字：「這是宇宙的盡頭，請往回走」。事實上宇宙空間是有限無界的。我們的地球就是這樣一個有限的空間，你在它的表面上無論朝哪個方向走，無論走多遠，你都不可能找到地球的「邊界」，地球的體積是有限的，它的半徑不過才６０００多公裏，所以最終你將回到出發點。愛因史坦的「廣義相對論」說的正是這碼事兒：宇宙中無數巨大星系（就是那些「南瓜堆」）的巨大重力作用，會使整個宇宙空間發生彎曲，最終卷成一個球形，光線沿這個球面空間的運動軌跡也是彎曲的，並且永遠達不到宇宙的邊界。
這個「空心球」之外又是什麽呢？置身其中的人類至少目前無法回答，只能請出「上帝」，或者說「上帝」本身就是答案。就連當今世界最傑出的「相對論」專家、劍橋大學的霍金教授也指出，追溯這類終極問題會使人感到，上帝存在的可能性至少有５０％。羅馬教皇保羅二世為此大喜並親自接見了他，同時要求他停止窺視上帝的秘密。但霍金拒絕了，仍孜孜不倦探索宇宙終極奧秘，想給出科學的解釋。
其實你完全可以把自己想象成「上帝」，然後再來觀察這個「空心球」，你就會發現它的體積並非固定不變，而是在不斷膨脹，就像一個被逐漸吹脹的瓦斯一樣。
「宇宙」這個詞，古已有之。但其含義與今天已大不一樣了。對「宇宙」的認識從自身居住的附近地區到地球，到行星，再到太陽，太陽系，其間經歷了漫長的歷史過程。
到了１８世紀，在人們眼裏，宇宙還只是太陽系。隨著科學技術的發展，人們認識到：地球不是太陽系的中心，太陽才是太陽系的中心。而太陽也只是天空中數以萬計的恒星中的一顆。於是，人們心目中的「宇宙」，開始逐漸擴充套件到了銀河系。到了１８世紀以後，才弄清了太陽只不過是銀河系中密密麻麻恒星中的一顆。
銀河系直徑約１０萬光年，厚度約１萬光年，太陽繞銀河系中心旋轉一周需２億年。
近代，人們的認識範圍逐漸擴大，人們心目中的「宇宙」已不再是銀河系。人類已經認識到：在銀河系以外，還有許多「河外星系」的存在。
這些「河外星系」離我們很遠，所以即使透過大型的望遠鏡，看到的它們也僅僅是一些模糊的光點。它們也是由千千萬萬顆恒星組成的。
十幾個或幾十個星系在一起組成「星系群」，我們的銀河系就同它周圍的１９個星系組成了一個「星系群」，這個星系群的直徑大約為２６０萬光年。
比「星系群」更高一級的星系組織是「星系團」，它由成百上千個星系組成。「室女星座」裏有一個星系團，包含１０００個以上的星系，離我們大約２０００萬光年。「後發星座」裏，包含了２７００個星系，距離我們大約２億４千萬光年。「卡莫里星座」裏，有一個包含４００個星系的「星系團」，離我們更遠，光從那裏照射到地球，整整需要７億年之久！
這一個個「星系團」，共同組成了我們的總星系。
透過了解人們認識宇宙的過程，我們已經可以初步來回答「宇宙有多大」這個問題了。人們從自身居住的區域認識到地球，又從地球認識到太陽系，眼界擴大了成百上千倍。從太陽系認識到銀河系，眼界擴大了一億倍，從銀河系認識到總星系，眼界擴大１００００億倍。隨著人們認識的不斷深化，宇宙的大小也在不斷擴大。幾十年前，總星系的半徑還只有１０億光年，現在卻已達到１００億光年之遙。總星系大小的不斷擴大，還給許多科學家開了一個不小的玩笑。例如鼎鼎大名的愛因史坦，他曾經「計算」出宇宙的半徑為１０億光年，後來他又修訂了「計算」，認為宇宙的半徑是３５億光年。事實證明，他的宇宙大小的範圍一次又一次被突破了。
那麽，宇宙到底有多大？宇宙是有限的還是無限的呢？
從天文學角度上說，宇宙是有限的，宇宙的大小，實際可以認為是總星系的大小，是一個以一定長度為半徑的有限的時間和空間範圍。總星系是目前天文學所能探測到的最遠的世界。目前，人們對宇宙的認識只能局限於總星系。從哲學角度上說，從哲學家發展變化的觀點出發，宇宙不僅在空間上是無限的，在時間上也是無限的。「天地四方曰宇，往古來今曰宙」。正因為宇宙在時間上和空間上的無限，才使得宇宙能夠成為一個統一的整體而存在。
茫茫宇宙，無邊無際。目前認為總星系的半徑為１００億光年，也就是目前我們心目中宇宙的大小。但１００億光年以外，還可能有數不清的星系和星系團，總星系究竟有多大？它的邊緣在哪裏？它的中心又在何方？至今仍然是天文學中的不解之謎。
超級大霹靂
２０世紀最大的科學成果之一，就是發現了宇宙正在膨脹，或稱「宇宙大霹靂」。
人們對宇宙的研究是從測量恒星之間的距離開始的，這把「量天尺」就是光譜——遠處恒星射來的光在光譜上向藍色一端移動時，說明它離我們較近，如果向紅色一端移動，則離我們較遠。美國天文學家艾德溫·哈伯正是在測量遙遠天體的距離時驚異地發現，大部份星系發出的光，在光譜上都是向紅色一端移動，這就是「紅移」。這意味著它們都在以飛快的速度，遠離我們而去。當時測出的最高速度竟達每秒３８００公裏，而且星系之間也是越離越遠。不管我們位於哪個星系都會看到，其他星系都在飛速離開我們退行，其速度隨距離的增大而增大。
這意味著整個大宇宙每時每刻都在變動，而且非常激烈，就像發生了一場大霹靂。那些被炸得四散飛去的碎片，不正是相互越離越遠的星系嗎？反推回去，那麽昨天的星系肯定比今天挨得更近，去年的宇宙也比今年的小，假如我們回到極遠的過去，就會看到各個星系緊挨在一起，那時的宇宙小極了，今天宇宙中的全部物質，最後都被壓縮到一個「點」上。當壓力超過臨界點時，大霹靂就從這個點上發生了，時間和空間由此開始。爆炸之後生成的宇宙不斷膨脹，原來被壓縮得無限緊密的物質，就像炮彈爆炸後，彈片四散飛開一樣，然後組合成了今天我們所能見到的各種星系、星雲。當爆炸後的溫度冷下來後，宇宙便開始收縮，最後又回到那個無限致密的「點」上——這便是宇宙生命迴圈的歷史。
美籍俄國物理學家伽莫夫預言，作為大霹靂後逐漸冷卻的遺物，今天的宇宙中存在一種溫度很低的電磁放射線，即所謂「宇宙背景放射線」。這個預言很快就得到了驗證，美國科學家彭齊亞斯和威爾森於１９６５年用微波探測器，果然探測到了這種來自宇宙深處的微波放射線，從而證明了「宇宙大霹靂」理論成立，為此他倆榮獲１９７８年度的諾貝爾物理學獎。但伽莫夫卻什麽也沒得到，所以當有人問他，宇宙大霹靂開始之前，又發生了什麽事呢？伽莫夫不無煩惱地回答：「上帝正在為提這個問題的人準備地獄！」
另外一些更前衛的科學家，則為這個刁鉆的問題提供了另一種答案——他們使用「宇宙」這個概念時用的是復數，這就是說，我們生存其中的這個宇宙爆炸之前，存在著另外一個甚至多個宇宙，聯系它們的通道，就是「黑洞」這一類極端的物理現象了。
宇宙的樣子
１９１６年，愛因史坦發表了著名的「廣義相對論」，套用這一理論，科學家們解決了恒星的演化問題。而宇宙是否是靜止的呢？對這一問題，連愛因史坦也犯了一個大錯誤。他認為宇宙是靜止的，然而，１９２９年哈伯以不可辯駁的實驗，證明了宇宙不是靜止的，而是向外膨脹的。從這個意義上講，我們可以認為它是不存在的。因此，我們可以認為宇宙是有限的。
「宇宙到底是什麽樣子？」目前尚無定論。值得一提的是史蒂芬·霍金的觀點，比較讓人容易接受：宇宙有限而無界，只不過比地球多了幾維。比如，我們的地球就是有限而無界的。在地球上，無論從南極走到北極，還是從北極走到南極，你始終不可能找到地球的邊界，但你不能由此認為地球是無限的。實際上，我們都知道地球是有限的。地球如此，宇宙亦是如此。
怎麽理解宇宙比地球多了幾維呢？舉個例子：一個小球沿地面捲動並掉進了一個小洞中，在我們看來，小球是存在的，它還在洞裏面，因為我們人類是「三維」的。而對於一個動物來說，它得出的結論就會是：小球已經不存在了！它消失了。為什麽會得出這樣的結論呢？因為它生活在「二維」世界裏，對「三維」事件是無法清楚理解的。同樣的道理，我們人類生活在「三維」世界裏，對於比我們多幾維的宇宙，也是很難理解清楚的。這也正是對於「宇宙是什麽樣子」，這個問題無法解釋清楚的原因。
均勻的宇宙
長期以來，人們相信地球是宇宙的中心。哥白尼把這個觀點顛倒了過來，他認為太陽才是宇宙的中心。地球和其他行星都圍繞著太陽轉動，恒星則鑲嵌在天球的最外層上。布魯諾進一步認為，宇宙沒有中心，恒星都是遙遠的太陽。
無論是托勒密的地心說還是哥白尼的日心說，都認為宇宙是有限的。教會支持宇宙有限的論點。但是，布魯諾居然敢說宇宙是無限的，從而挑起了宇宙究竟是有限還是無限的長期論戰。這場論戰並沒有因為教會燒死布魯諾而停止下來。主張宇宙有限的人說：「宇宙怎麽可能是無限的呢？」這個問題確實不容易說清楚。主張宇宙無限的人則反問：「宇宙怎麽可能是有限的呢？」這個問題同樣也不好回答。
隨著天文觀測技術的發展，人們看到，確實像布魯諾所說的那樣，恒星是遙遠的太陽。而且，銀河是由無數太陽系組成的巨大星系，但這樣大的星團足有無數個，它們是均勻分布著的。
由於光的傳播需要時間，我們看到的距離我們一億光年的星系，實際上是那個星系一億年以前的樣子。所以，我們用望遠鏡看到的，不僅是空間距離遙遠的星系，而且是它們的過去。從望遠鏡看來，不管多遠距離的星系團，都均勻各向同性地分布著。因而我們可以認為，宇觀尺度上（１０５光年以上）物質分布的均勻狀態，不是現在才有的，而是早已如此。
於是，天體物理學家提出一條規律，即所謂宇宙學原理。這條原理說，在宇觀尺度上，三維空間在任何時刻都是均勻各向同性的。現在看來，宇宙學原理是對的。所有的星系都差不多，都有相似的演化歷程。因此我們用望遠鏡看到的遙遠星系，既是它們過去的形象，也是我們星系過去的形象。望遠鏡不僅在看空間，而且在看時間，在看我們的歷史。
有限而無邊的宇宙
愛因史坦發表廣義相對論後，考慮到萬有重力比電磁力弱得多，不可能在分子、原子、原子核等研究中產生重要的影響，因而他把註意力放在了天體物理上。他認為，宇宙才是廣義相對論大有用武之地的領域。
愛因史坦１９１６年發表廣義相對論，１９１７年就提出一個建立在廣義相對論基礎上的宇宙模型。這是一個人們完全意想不到的模型。在這個模型中，宇宙的三維空間是有限無邊的，而且不隨時間變化。以往人們認為，有限就是有邊，無限就是無邊。愛因史坦把有限和有邊這兩個概念區分開來。
一個長方形的桌面，有確定的長和寬，也有確定的面積，因而大小是有限的。同時它有明顯的四條邊，因此是有邊的。如果有一個小甲蟲在它上面爬，無論朝哪個方向爬，都會很快到達桌面的邊緣。所以桌面是有限有邊的二維空間。如果桌面向四面八方無限伸展，成為歐氏幾何中的平面，那麽，這個歐氏平面是無限無邊的二維空間。
我們再看一個籃球的表面，如果籃球的半徑為ｒ，那麽球面的面積是４πｒ２，大小是有限的。但是，這個二維球面是無邊的。假如有一個小甲蟲在它上面爬，永遠也不會走到盡頭。所以，籃球面是一個有限無邊的二維空間。
按照宇宙學原理，在宇觀尺度上，三維空間是均勻各向同性的。愛因史坦認為，這樣的三維空間必定是常曲率空間，也就是說空間各點的彎曲程度應該相同，即應該有相同的曲率。由於是物質存在的，四維時空應該是彎曲的。三維空間也應是彎的而不應是平的。愛因史坦覺得，這樣的宇宙很可能是三維超球面。三維超球面不是通常的球體，而是二維球面的推廣。通常的球體是有限有邊的，體積是πｒ３，它的邊就是二維球面。三維超球面是有限無邊的，生活在其中的三維生物（例如我們人類就是有長、寬、高的三維生物），無論朝哪個方面前進均碰不到邊。假如它一直朝北走，最終會從南邊走回來。
宇宙學原理還認為，三維空間的均勻各向同性是在任何時刻都保持的。愛因史坦覺得其中最簡單的情況就是靜態宇宙，也就是說，不隨時間變化的宇宙。這樣的宇宙只要在某一時刻均勻各向同性，就永遠保持均勻各向同性。
愛因史坦試圖在三維空間均勻各向同性、且不隨時間變化的假定下，求解廣義相對論的場方程式。場方程式非常復雜，而且需要知道初始條件（宇宙最初的情況）和邊界條件（宇宙邊緣處的情況）才能求解。他設想宇宙是有限無邊的，而且是靜態的。再加上對稱性的限制（要求三維空間均勻各向同性），場方程式就變得好解多了。但還是得不出結果。反復思考後，愛因史坦終於明白求不出解的原因：廣義相對論可以看作萬有重力定律的推廣，只包含「吸引效應」不包含「排斥效應」。而維持一個不隨時間變化的宇宙，必須有排斥效應與吸引效應相平衡才行。這就是說，從廣義相對論場方程式不可能得出「靜態」宇宙。要想得出靜態宇宙，必須修改場方程式。於是他在方程式中增加了一個「排斥」項，叫做宇宙項。這樣，愛因史坦終於計算出一個靜態的、均勻各向同性的、有限無邊的宇宙模型。一時間大家非常興奮，科學終於告訴我們，宇宙是不隨時間變化的，是有限無邊的。看來，關於宇宙有限還是無限的爭論似乎可以畫上一個句號了。
膨脹或脈動的宇宙
幾年之後，一個名不見經傳的前蘇聯數學家弗利德曼，套用不加宇宙項的場方程式，得到一個膨脹的、或脈動的宇宙模型。弗利德曼的宇宙在三維空間上也是均勻的、各向同性的，但是，它不是靜態的。這個宇宙模型隨時間變化，分三種情況。第一種情況，三維空間的曲率是負的；第二種情況，三維空間的曲率為零，也就是說，三維空間是平直的；第三種情況，三維空間的曲率是正的。前兩種情況，宇宙不停地膨脹；第三種情況，宇宙先膨脹，達到一個極大值後開始收縮，然後再膨脹，再收縮……因此第三種宇宙是脈動的。弗利德曼的宇宙模型最初發表在一個不太著名的雜誌上。後來，西歐一些數學家物理學家得到類似的宇宙模型。愛因史坦得知這類膨脹或脈動的宇宙模型後，十分興奮。他認為自己的模型不好，應該放棄，弗利德曼模型才是正確的宇宙模型。
同時，愛因史坦宣稱，自己在廣義相對論的場方程式上加宇宙項是錯誤的，場方程式不應該含有宇宙項，而應該是原來的老樣子。但是，宇宙項就像「天方夜譚」中從瓶子裏放出的魔鬼，再也收不回去了。後人沒有理睬愛因史坦的意見，繼續討論宇宙項的意義。今天，廣義相對論的場方程式有兩種，一種不含宇宙項，另一種含宇宙項，都在專家們的套用和研究中。
早在１９１０年前後，天文學家就發現大多數星系的光譜有紅移現象，個別星系的光譜還有紫移現象。這些現象可以用多譜勒效應來解釋。遠離我們而去的光源發出的光，我們收到時會感到其頻率降低，波長變長，並出現光譜紅移的現象，即光譜會向長波方向移動的現象。反之，向著我們迎面而來的光源，光譜線會向短波方向移動，出現紫移現象。這種現象與聲音的都卜勒效應相似。許多人都有過這樣的感受：迎面而來的火車其鳴叫聲特別尖銳刺耳，遠離我們而去的火車其鳴叫聲則明顯遲鈍。這就是聲波的都卜勒效應，迎面而來的聲源發出的聲波，我們感到其頻率升高，遠離我們而去的聲源發出的聲波，我們則感到其頻率降低。
如果認為星系的紅移、紫移是都卜勒效應，那麽大多數星系都在遠離我們，只有個別星系向我們靠近。隨之進行的研究發現，那些個別向我們靠近的紫移星系，都在我們自己的本星系團中（我們銀河系所在的星系團稱本星系團）。本星系團中的星系，多數紅移，少數紫移，而其他星系團中的星系就全是紅移了。
１９２９年，美國天文學家哈伯總結了當時的一些觀測數據，提出一條經驗規律，河外星系（即我們銀河系之外的其他銀河系）的紅移大小正比於它們離開我們銀河系中心的距離。由於都卜勒效應的紅移量與光源的速度成正比，所以，上述定律又表述為：河外星系的退行速度與它們離我們的距離成正比：
Ｖ＝ＨＤ
式中Ｖ是河外星系的退行速度，Ｄ是它們到我們銀河系中心的距離。這個定律稱為哈伯定律，比例常數Ｈ稱為哈伯常數。按照哈伯定律，所有的河外星系都在遠離我們，而且，離我們越遠的河外星系，逃離得越快。
哈伯定律反映的規律與宇宙膨脹理論正好相符。個別星系的紫移可以這樣解釋，本星系團內部各星系要圍繞它們的共同重心轉動，因此總會有少數星系在一定時間內向我們的銀河系靠近。這種紫移現象與整體的宇宙膨脹無關。
哈伯定律大大支持了弗利德曼的宇宙模型。不過，如果檢視一下當年哈伯得出定律時所用的數據圖，人們會感到驚訝。在距離與紅移量的關系圖中，哈伯標出的點並不集中在一條直線附近，而是比較分散的。哈伯怎麽敢於斷定這些點應該描繪成一條直線呢？一個可能的答案是，哈伯抓住了規律的本質，拋開了細節。另一個可能是，哈伯已經知道當時的宇宙膨脹理論，所以大膽認為自己的觀測與該理論一致。以後的觀測數據越來越精，數據圖中的點也越來越集中在直線附近，哈伯定律終於被大量實驗觀測所確認。
宇宙有限還是無限
現在，我們又回到前面的話題，宇宙到底有限還是無限？有邊還是無邊？對此，我們從廣義相對論、大霹靂宇宙模型和天文觀測的角度來探討這一問題。
滿足宇宙學原理（三維空間均勻各向同性）的宇宙，肯定是無邊的。但是否有限，要分三種情況來討論。
如果三維空間的曲率是正的，那麽宇宙將是有限無邊的。不過，它不同於愛因史坦的有限無邊的靜態宇宙，這個宇宙是動態的，將隨時間變化，不斷地脈動，不可能靜止。這個宇宙從空間體積無限小的奇異點開始爆炸、膨脹。此奇異點的物質密度無限大、溫度無限高、空間曲率無限大、四維時空曲率也無限大。在膨脹過程中宇宙的溫度逐漸降低，物質密度、空間曲率和時空曲率都逐漸減小。體積膨脹到一個最大值後，將轉為收縮。在收縮過程中，溫度重新升高、物質密度、空間曲率和時空曲率逐漸增大，最後到達一個新奇異點。許多人認為，這個宇宙在到達新奇異點之後將重新開始膨脹。顯然，這個宇宙的體積是有限的，這是一個脈動的、有限無邊的宇宙。
如果三維空間的曲率為零，也就是說，三維空間是平直的（宇宙中有物質存在，四維時空是彎曲的），那麽這個宇宙一開始就具有無限大的三維體積，這個初始的無限大三維體積是奇異的（即「無窮大」的奇異點）。大霹靂就從這個「無窮大」奇異點開始，爆炸不是發生在初始三維空間中的某一點，而是發生在初始三維空間的每一點。即大霹靂發生在整個「無窮大」奇異點上。這個「無窮大」奇異點，溫度無限高、密度無限大、時空曲率也無限大（三維空間曲率為零）。爆炸發生後，整個「奇異點」開始膨脹，成為正常的非奇異時空，溫度、密度和時空曲率都逐漸降低。這個過程將永遠地進行下去。這是一種不大容易理解的影像：一個無窮大的體積在不斷地膨脹。顯然，這種宇宙是無限的，它是一個無限無邊的宇宙。
三維空間曲率為負的情況與三維空間曲率為零的情況比較相似。宇宙一開始就有無窮大的三維體積，這個初始體積也是奇異的，即三維「無窮大」奇異點。它的溫度、密度無限高，三維、四維曲率都無限大。大霹靂發生在整個「奇異點」上，爆炸後，無限大的三維體積將永遠膨脹下去，溫度、密度和曲率都將逐漸降下來。這也是一個無限的宇宙，確切地說是無限無邊的宇宙。
那麽，我們的宇宙到底屬於上述三種情況的哪一種呢？我們宇宙的空間曲率到底為正，為負，還是為零呢？這個問題要由觀測來決定。
廣義相對論的研究表明，宇宙中的物質存在一個臨界密度ρｃ，大約是每立方米三個核子（質子或中子）。如果我們宇宙中物質的密度ρ大於ρｃ，則三維空間曲率為正，宇宙是有限無邊的；如果ρ小於ρｃ，則三維空間曲率為負，宇宙也是無限無邊的。因此，觀測宇宙中物質的平均密度，可以判定我們的宇宙究竟屬於哪一種，究竟有限還是無限。
此外，還有另一個準則，那就是減速因子。河外星系的紅移，反映的膨脹是減速膨脹，也就是說，河外星系遠離我們的速度在不斷減小。從減速的快慢，也可以判定宇宙的型別。如果減速因子ｑ大於，三維空間曲率將是正的，宇宙膨脹到一定程度將收縮；如果ｑ等於，三維空間曲率為零，宇宙將永遠膨脹下去；如果q小於，三維空間曲率將是負的，宇宙也將永遠膨脹下去。
下表列出了有關的情況：
宇宙中物質密度紅移的減速因子三維空間曲率宇宙型別膨脹特點
ρ＞ρcq＞正有限無邊脈動
ρ=ρcq=零有限無邊永遠膨脹
ρ＜ρcq＜負有限無邊永遠膨脹
我們有了兩個準則，可以決定我們的宇宙究竟屬於哪一種了。觀測結果表明，ρ＜ρｃ，我們宇宙的空間曲率為負，是無限無邊的宇宙，將永遠膨脹下去！不幸的是，減速因子觀測給出了相反的結果，ｑ＞，這表明我們宇宙的空間曲率為正，宇宙是有限無邊的，脈動的，膨脹到一定程度會收縮回來。哪一種結論正確呢？有些人傾向於認為減速因子的觀測更可靠，推測宇宙中可能有某些暗物質被忽略了，如果找到這些暗物質，就會發現ρ實際上是大於ρｃ的。另一些人則持相反的看法。還有一些人認為，兩種觀測方式雖然結論相反，但得到的空間曲率都與零相差不大，可能宇宙的空間曲率就是零。然而，要統一大家的認識，還需要進一步的實驗觀測和理論推敲。今天，我們仍然肯定不了宇宙究竟有限還是無限，只能肯定宇宙無邊，而且現在正在膨脹！此外，還知道膨脹大約開始於１００億～２００億年以前，這就是說，我們的宇宙大約起源於１００億～２００億年之前。
愛因史坦宇宙模型
根據物理理論，在一定的假設前提下提出的關於宇宙的設想與推測，稱為宇宙模型。
著名科學家愛因史坦於１９１６年建立了廣義相對論的物理理論。這一理論認為，宇宙中沒有絕對空間和絕對時間，無論是空間和時間都不能與物質隔開來，空間和時間均受物質影響；重力是空間彎曲的效應，而空間彎曲是由物質存在決定的。愛因史坦將他的理論套用於宇宙研究，１９１７年發表了【根據廣義相對論的宇宙學考察】的論文，他將廣義相對論的重力場方程式用於整個宇宙，建立起一種宇宙模型。
當時科學家普遍認為宇宙是靜止的，不隨時間變化的。美國天文學家斯裏弗已發現了河外星系的譜線紅移（顯然這是對靜止宇宙的挑戰），但由於當時正值第一次世界大戰，這一訊息並沒有傳到歐洲。因此，愛因史坦也和大多數科學家一樣，認為宇宙是靜態的。愛因史坦想從重力場方程式著手，得出一個宇宙是靜態的、均勻的、各向同性的答案。但他得到的解是不穩定的，表明空間和距離不是恒定不變的，而是隨時變化的。為了得到一個空間是穩定的解，愛因史坦人為地在重力場方程式中引入一個叫做「宇宙常數」的項，讓它起斥力的作用。愛因史坦得出一個有限無邊的靜態宇宙模型，稱為愛因史坦宇宙模型。為了便於理解，可把它比喻為三維空間中的一個二維球面：球面的面積是有限的、但沿著球面沒有邊界，也無中心，球面保持靜態狀態。幾年以後，愛因史坦得知河外星系退行，宇宙是膨脹的訊息後，非常後悔在自己的模型中加了一個宇宙常數項，稱這是他一生中犯的最大錯誤。
宇宙的中心
太陽是太陽系的中心，太陽系中行星都繞著太陽旋轉。銀河也有中心，它周圍所有的恒星也繞著銀河系的中心旋轉。那麽宇宙有中心嗎？一個讓所有的星系包圍在中間的中心點？
看起來應該存在這樣的中心，但是實際上它並不存在。因為宇宙的膨脹一般不發生在三維空間內，而是發生在四維空間內的，它不僅包括普通三維空間（長度、寬度和高度），還包括第四維空間——時間。描述四維空間的膨脹是非常困難的，但是我們也授權以透過推斷氣球的膨脹來解釋它。
我們可以假設宇宙是一個正在膨脹的氣球，而星系是氣球表面上的點，我們就住在這些點上。我們還可以假設星系不會離開氣球的表面，只能沿著表面移動而不能進入氣球內部或向外運動。從某種意義上可以說我們把自己描述為一個二維空間的人。
如果宇宙不斷膨脹，也就是說氣球的表面不斷地向外膨脹，則表面上的每個點彼此離得越來越遠。其中，某一點上的某個人將會看到其他所有的點都在退行，而且離得越遠的點退行速度越快。
現在，假設我們要尋找氣球表面上的點退行的地方，那麽我們就會發現它已經不在氣球表面上的二維空間內了。氣球的膨脹實際上是從內部的中心開始的，是在三維空間內的，而我們是在二維空間上，所以我們不可能探測到三維空間內的事物。
同樣的，宇宙的膨脹不是在三維空間內開始的，而我們只能在宇宙的三維空間內運動。宇宙開始膨脹的地方是在過去的某個時間，即億萬年以前，雖然我們可以看到，可以獲得有關的資訊，而我們卻無法回到那個時候。
宇宙的命運
我們的宇宙正在膨脹。它會一直膨脹下去嗎？還是有一天會收縮起來？如果它一直膨脹下去，會出現什麽情況呢？這是一個關系到宇宙未來的大問題。
自然界的四種作用，即重力作用、電磁作用、強交互作用、弱交互作用，其中以重力作用最弱，但它在大範圍內起作用，而且重力對宇宙的膨脹起著抑制作用。
由於宇宙各部份相互間的重力，使得宇宙的膨脹一直在減速。這種重力的大小取決於宇宙物質的密度，物質密度越大，這種重力也就越大。如果宇宙物質密度高於一定的值（臨界值），則重力將最終足以制止宇宙膨脹；如果宇宙物質密度低於這個臨界密度值，則重力不夠大，因而宇宙將永遠膨脹下去。研究表明：宇宙中存在著大量不可見的暗物質，如褐矮星、死去的恒星、不發光的氣雲以及宇宙早期生成的小黑洞等等。近來，有些科學家發現微中子可能有靜止品質，由於宇宙間微中子數量很大，只要微中子具有區區的３０～５０電子伏的品質，就將使宇宙物質密度大於臨界密度，那時重力場將足夠強，將使宇宙的膨脹在持續相當長時間後停下來，並轉為收縮。收縮過程會逐漸加速，直到回復到無限密集的狀態。然後又可能發生大霹靂，宇宙再一次膨脹……宇宙就這樣在膨脹、收縮、再膨脹、再收縮間來回振蕩。
研究宇宙永遠膨脹下去，會出現什麽情況呢？一些科學家的研究結果認為：最終宇宙中可能只有由光子、微中子、電子、正電子組成的稀薄電漿了。不過，那將是１０１００年之後的事。
由於各種因素和現在掌握的數據都不確定，因此我們的宇宙未來命運是怎樣的，還是未解決的問題。
未來人類的舞台
人口的增加，資源的消耗，能源的不足，汙染的蔓延，這一切使得我們這個星球顯得太狹小、太擁擠了。展望未來，人類的衣、食、住、行將越來越困難。到下一世紀，人類就將面臨這樣一項震撼宇宙的偉大任務：擴大人類活動的舞台，創造一個新世界。
這個新世界的目標是改造太陽系，建立太陽城。太陽系的確需要改造，因為它的能量分布太不合理了：有生命而需要能量的地球，僅僅獲得太陽能量的五千億分之一，太陽的其余能量都白白彌散到茫茫太空中。一方面是節衣縮食，另一方面卻在驚人地浪費，人類顯然有權提出「均富濟貧」的口號，為自己，也為生命爭得更舒適的空間。
這是一場革命：重新組構太陽系，以便更有效地利用太陽能。這個膽大包天的思想也不是今天才出現的，早在１８９３年，俄羅斯航空之父齊奧爾科夫斯基就在他的【地球與天空的「夢想」】一書中提到過這個思想。英國物理學家伯那爾發展了這個思想。１９２９年他預測說，將來，大多數人可能會居住在空中的天體上。
今天，空間科學家已為此勾畫出三種獨具匠心的方案。在這些方案中，未來的世界比地球大１００萬倍。建築這樣一個新世界，材料從何而來？科學家們想到了木星，這個羅馬神話中的主神朱庇特，太陽系中最大的行星將成為新世界的礦山。
讓我們逐一瀏覽一下這些方案，或許能把我們的思路拓寬。
第一個方案：迪森球。這是美國普林斯頓大學物理學家迪森提出的方案。未來的人類世界是半徑１億５千萬公裏的中空球體，將太陽囊括在其中。這樣一來，太陽放射線能可以說是點滴不漏了，在中空球的內球面上用綠色植物或光電池把太陽能截留住。迪森球的外表面積是地球的１０億倍。
人類就居住在球內，這裏有地球、類地球、小行星，或人造行星。也有成千上萬個形形色色的生命點。這一切都得靠木星解囊相助。迪森的取料設想是用離心力把木星拉散架。木星是個氣態行星，自轉一周的時間為１０小時。在木星周圍修建一個碩大無比的金屬網，用太陽能發電的能力使網帶電，從而產生巨大的力量最終得到所需材料。取自木星的材料即可用於建造迪森球球殼和人造行星及形形色色的生命點。這樣龐大的世界，可供幾萬億人居住得舒舒服服。
這個規劃與其說是實踐性的，勿寧說是可行性的。因為有的科學家認為，這個設想也許需４萬年才能實作。然而也有一些科學家不這麽看，他們認為，只要在下一世紀人類能研制出一種核彈而把木星炸毀，改造世界的工程便可開始。有人甚至說，迪森球工程業已破土，據說就是人造衛星、星際探測船已經上天，第一個空間站也表明人類的設計比大自然的創造更高效。
第二方案：環形世界。這是一個像水平轉動著的無輻條車輪一樣的環形世界，太陽位於輪殼中央，球半徑也是１億５千萬公裏，環的厚度不到１公裏，轉速達每秒１２００公裏。
為了防止大氣逃逸，可能需在環邊建築一道高達１６００公裏高的山脈或墻壁。為了模擬生命已習慣了的白天與黑夜的變化，在靠近太陽的周圍將另建一道環，環上交替地出現透光帶和不透光帶，以達到白天、黑夜的效果。人類在這方面還可以玩點新花樣，比如隨心所欲地創造出白天長短，又可創造出各種季節變化。這個方案比起第一個方案來的優點是用料較省，因而不用過多地麻煩朱庇特。此外，迪森球內可能沒有重力，需創造出模擬重力，而環形世界由於環的自身則不需模擬重力，盡管這個世界中的重力是指向環外的。
第三個方案：艾爾德森盤。這是美國噴射推進器試驗室的Ｄ·艾爾德森構思的方案。盤形世界的外觀就像是個留聲機唱片，太陽位於其中心，重力垂直於盤的表面（除開盤邊之外）。盤的南緣處也需修築一道１６００公裏高的墻，以防太陽把新世界的大氣吸走。
今天看來，這些方案太像是神話。說真的，構思這類方案的人都是未來學家。問題是，人類是否真的需要擴大自己的世界？還要看怎麽說了。當今世界人口增長率為３％，每３５年即翻一番，若能將增長率控制到１％，翻番的時間將延到６９年，按現在燃料消耗率計算，地球上的化學燃料尚可維持１００年。從這個角度看，上述方案就不是天方夜譚。
也許人類將來能夠用巨大的雷射炮把太陽改造成可控的超新星，讓太陽內部的核反應加速，為地球收獲更多的能量。也許人類有更宏偉的進展，創造出一個超球體世界，將銀河系的中心包容起來。
也許會有人說，提出這樣的人類未來圖畫，與其說是美好，倒不如說是恐怖，其實，這僅僅是假想而已。
宇宙末日
宇宙有沒有終結的一天？宇宙將會如何終結？是「砰」然的一聲大霹靂，還是逐漸消亡？當地球人在無數個夜晚，悄悄地仰望燦爛星空，對生命、對宇宙浮想聯翩的時候，總會從內心深處發出這樣的疑問。
根據科學家利用天文望遠鏡獲得的最新觀測結果，宇宙最終不會變成一團熊熊燃燒的烈火，而是會逐漸衰變成永恒的、冰冷的黑暗。這聽起來似乎太駭人聽聞了。然而地球人或許沒有必要杞人憂天。因為地球人暫時還不會被宇宙「驅逐出境」。根據科學家的推測，宇宙很可能至少將目前這種適於生命存在的狀態再維持１０００億年。這個龐大的數位相當於地球歷史的２０倍，或者，相當於智人（現代人的學名）歷史的５００萬倍。既然它將發生在如此遙遠的未來，對地球人今天的生活就不會有絲毫影響。
與此同時，科學家又指出：沒有什麽東西是可以永遠存在的。宇宙也許不會突然消失。但是，隨著時間的推移，它可能會讓人覺得越來越不舒服，並且最終變得不再適於生命存在。
這種情況將會在什麽時候出現呢？又會以怎樣的方式出現呢？
自從２０世紀２０年代，天文學家哈伯發現宇宙正在膨脹以來，「大霹靂」理論一直沒有擺脫被修改的命運。根據這一理論，科學家指出，宇宙的最終命運取決於兩種相反力量長時間「拔河比賽」的結果：一種力量是宇宙的膨脹，在過去的１００多億年裏，宇宙的擴張一直在使星系之間的距離拉大，另一種力量則是這些星系和宇宙中所有其它物質之間的萬有重力，它會使宇宙擴張的速度逐漸放慢。如果萬有重力足以使擴張最終停止，宇宙註定將會坍塌，最終變成一個大火球——「大崩墜」，如果萬有重力不足以阻止宇宙的持續膨脹，它將最終變成一個漆黑的寒冷的世界。
顯而易見，任何一種結局都在預示著生命的消亡。不過，人類的最終命運還無法確定。因為目前，人們尚不能對擴張和萬有重力作出精確的估測，更不知道誰將是最後的勝利者，天文學家的觀測結果仍然存在著許多不確定的因素。
這種不確定因素又是什麽呢？科學家指出，這一不確定因素涉及到膨脹理論。根據這一理論，宇宙始於一個像氣泡一樣的虛無空間，在這個空間裏，最初的膨脹速度要比光速快得多。然而，在膨脹結束之後，最終推動宇宙高速膨脹的力量也許並沒有完全消退。它可能仍然存在於宇宙之中，潛伏在虛無的空間裏，並在冥冥中不斷推動宇宙的持續擴張。為了證實這種推測，科學家又對遙遠的星系中正在爆發的恒星進行了多次觀察。透過觀察，他們認為這種正在發揮作用的膨脹推動力有可能確實存在。
倘若真是這樣的話，決定宇宙未來命運的就不僅僅是宇宙的擴張和萬有重力，還與在宇宙中久久徘徊的膨脹推動力所產生的渦輪增壓作用有關，而它可以使宇宙無限擴張下去。
但是，人們最關心的或許是智慧生命本身。人類將在宇宙中扮演什麽角色呢？難道人類註定要滅亡嗎？人類已經在越來越快地改變著地球，操縱著自己的生存環境，也許到那時，人類會以自己的聰明智慧獲勝。誰知道呢？且讓未來的地球人和地外一切生命拭目以待吧。人類對宇宙的認識永遠沒有終極，認識窮盡的那天也許就是人類或宇宙淪陷的那一天。正如愛因史坦在寫給一個對世界的命運感到擔憂的孩子的信中所說：「至於談到世界末日的問題，我的意見是：等著瞧吧！」
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