“宇宙是什麽樣的？”目前還沒有定論。值得壹提的是，斯蒂芬·霍金的觀點更能讓人接受:宇宙是有限無界的，但比地球多了幾個維度。例如，我們的地球是有限的，也是無界的。在地球上，無論從南極到北極，還是從北極到南極，妳永遠找不到地球的邊界，但妳不能認為地球是無限的。其實我們都知道地球是有限的。地球如此，宇宙也是如此。
如何理解宇宙比地球多幾個維度？例如，壹個小球沿著地面滾動，掉進了壹個小洞裏。在我們看來，球是存在的，而且還在洞裏，因為我們人類是“三維”的；對於壹個動物來說，會得出球已經不存在的結論！它消失了。為什麽會得出這樣的結論？因為它生活在壹個“二維”的世界裏，不可能清楚地理解“三維”的事件。同理，我們人類生活在壹個“三維”的世界，很難理解比我們多幾個維度的宇宙。這就是為什麽“宇宙是什麽樣的”這個問題無法解釋清楚。
1，統壹宇宙
人們壹直認為地球是宇宙的中心。哥白尼顛覆了這壹觀點。他認為太陽是宇宙的中心。地球等行星圍繞太陽旋轉，恒星鑲嵌在天球的最外層。布魯諾進壹步認為，宇宙沒有中心，恒星是遙遠的太陽。
托勒密的地心說和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。然而布魯諾卻敢說宇宙是無限的，從而引發了壹場關於宇宙是有限還是無限的長期爭論。爭議並沒有因為教會燒死布魯諾而停止。主張宇宙有限的人說:“宇宙怎麽可能是無限的？”這個問題真的不好說清楚。主張宇宙無限的人問:“宇宙怎麽可能是有限的？”這個問題也不好回答。
隨著天文觀測技術的發展，人們看到，正如布魯諾所說，恒星是遙遠的太陽。人們進壹步認識到，銀河系是壹個由無數太陽系組成的龐大星系。我們的太陽系在銀河系的邊緣，繞著銀河系的中心旋轉，速度大約是每秒250公裏，繞銀河系中心壹圈大約需要2.5億年。太陽系的直徑最多約1光年，而銀河系的直徑高達1億光年。銀河系由1000多億顆恒星組成，太陽系在銀河系的位置真的就像北京的壹粒沙子。後來發現我們銀河系和其他星系形成了壹個更大的星系團，直徑約107光年(10億光年)。目前望遠鏡觀測距離已經達到1000億光年以上，可見範圍內的星系團不計其數。這些星系團不再形成更大的星系團，而是均勻且各向同性地分布。也就是說，在10的七次方光年尺度下，物質是成簇分布的。衛星圍繞行星旋轉，行星和彗星圍繞恒星旋轉，形成太陽系。這些太陽系分別由壹個、兩個、三個或更多的太陽及其行星組成。擁有兩個太陽的稱為雙星系統，擁有三個以上太陽的稱為星系團。數千億個太陽系聚集在壹起形成銀河系，組成銀河系的恒星(太陽系)都圍繞著同壹個重心——銀河中心旋轉。無數個星系組成壹個星系團，星系團中的星系也圍繞著它們同壹個重心旋轉。然而，星系團之間沒有星系團結構。每個星系團都是均勻分布，無規律運動的。從我們地球的各個方向看，情況都差不多。粗略來說，星系有點像容器中的氣體分子，均勻分布，無規律運動。也就是說，在10到8光年(1億光年)的尺度之上，宇宙中的物質分布不再是集群的，而是均勻分布的。因為光的傳播需要時間，所以我們看到的壹億光年外的星系，其實就是那個星系壹億年前的樣子。所以，我們用望遠鏡看到的不僅僅是太空中遙遠的星系，還有它們的過去。從望遠鏡上看，無論星系團有多遠，它們都是均勻且各向同性分布的。
因此，我們可以認為宇宙尺度上(10的5光年以上)物質分布的均勻狀態不僅是現在，而且已經存在。
因此，天體物理學家提出了壹個定律，即所謂的宇宙學原理。這個原理說的是，在宇宙尺度上，三維空間在任何時候都是均勻各向同性的。現在看來，宇宙學原理是正確的。所有的星系都是相似的，都有相似的演化過程。所以，我們通過望遠鏡看到的遙遠星系，不僅僅是它們過去的影像，也是我們銀河系過去的影像。望遠鏡不僅在看太空，也在看時間和我們的歷史。
2.有限而無限的宇宙
愛因斯坦發表廣義相對論後，關註天體物理，認為引力比電磁力弱得多，不可能對分子、原子、原子核的研究產生重要影響。他認為宇宙是廣義相對論大有用武之地的領域。
愛因斯坦在1915年發表了廣義相對論，在1917年提出了基於廣義相對論的宇宙模型。這是壹個完全出乎意料的模式。在這個模型中，宇宙的三維空間是無限的，不隨時間變化。以前人們認為有限就是邊緣，無限就是無限。愛因斯坦區分了有限和有界的概念。
長方形的桌面有壹定的長度、寬度和面積，所以它的大小是有限的。同時它有四個明顯的邊，所以它有邊。如果有壹只小甲蟲在上面爬行，無論它向哪個方向爬行，都會很快到達桌面邊緣。所以桌面是壹個有限的有邊的二維空間。如果桌面向各個方向無限延伸，成為歐幾裏德幾何中的平面，那麽這個歐幾裏德平面就是壹個無限二維空間。
讓我們看看籃球的表面。如果籃球的半徑是R，那麽球體的面積就是4πr的平方，大小有限。然而，這個二維球體是無邊無際的。如果壹只小甲蟲在上面爬行，它將永遠不會結束。因此，籃球表面是壹個有限而無限的二維空間。
根據宇宙學原理，在宇宙尺度上，三維空間是均勻各向同性的。愛因斯坦認為，這樣的三維空間壹定是壹個曲率不變的空間，也就是說，空間中每個點的彎曲程度應該是相同的，也就是說，應該具有相同的曲率。因為物質的存在，四維時空應該是彎曲的。三維空間也應該是彎曲的而不是平面的。愛因斯坦認為這樣的宇宙很可能是壹個三維超球體。三維超球面不是普通的球面，而是二維球面的推廣。通常的球體是有限的，有側面，體積是4/3πr的三次方，側面是二維球體。三維超球體是無限的，生活在其中的三維生物(比如我們人類就是有長、寬、高的三維生物)無論往哪個方向走都碰不到邊。如果它壹直向北走，最終會從南方回來。
宇宙學原理也認為三維空間的均勻性和各向同性在任何時候都是保持的。愛因斯坦認為最簡單的秩序就是靜態宇宙，即不隨時間變化的宇宙。這樣的宇宙，只要在某個時刻是同質各向同性的，就永遠保持同質各向同性。
愛因斯坦試圖在三維空間均勻各向同性、不隨時間變化的假設下求解廣義相對論的場方程。場方程很復雜，需要知道初始條件(宇宙的初始情況)和邊界條件(宇宙邊緣的情況)才能求解。本來解這樣壹個方程是很難的，但是愛因斯坦很聰明。他想象宇宙是有限的，也是無限的，自然不需要沒有邊的邊界條件。他還想象宇宙是靜止的，現在和過去壹樣，所以初始條件是不必要的。再加上對稱性的限制(要求三維空間均勻各向同性)，場方程就變得好解多了。但還是得不到結果。經過反復思考，愛因斯坦終於明白了自己找不到解的原因:廣義相對論可以看作是萬有引力定律的推廣，只包含“引力效應”，不包含“斥力效應”。要維持壹個不隨時間變化的宇宙，排斥效應和吸引效應之間必須有壹個平衡。也就是說，不可能從廣義相對論的場方程中得出壹個“靜態”的宇宙。如果我們想得到靜態的宇宙，我們必須修改場方程。所以他在方程中加入了壹個“排斥項”，叫做宇宙項。就這樣，愛因斯坦最終研究出了壹個靜態的、均勻的、各向同性的、有限的宇宙模型。當時大家都很激動，科學終於告訴我們，宇宙不隨時間變化，是有限的，也是無限的。關於宇宙是有限還是無限的爭論似乎可以告壹段落了。
3.膨脹或脈動的宇宙
幾年後，前蘇聯壹位鮮為人知的數學家f·利德曼(F. Lidman)應用沒有宇宙項的場方程，得到了壹個膨脹或脈動的宇宙模型。利德曼宇宙在三維空間中是同質且各向同性的，但它不是靜態的。這個宇宙模型是隨時間變化的，分為三種情況。第壹種情況，三維空間的曲率是負的；第二種情況，三維空間的曲率為零，即三維空間是直的；第三種情況，三維空間的曲率為正。在前兩種情況下，宇宙不斷膨脹；在第三種情況下，宇宙首先膨脹，達到壹個最大值然後開始收縮，然後膨脹再收縮...所以第三宇宙是脈動的。利德曼的《宇宙》最初發表在壹本不太出名的雜誌上。後來，西歐的壹些數學家和物理學家得到了類似的宇宙模型。當愛因斯坦得知這種膨脹或脈動的宇宙模型時，他非常興奮。他認為他的模式不好，應該放棄。利德曼模型是宇宙的正確模型。
同時，愛因斯坦宣稱，在廣義相對論的場方程中加入宇宙項是錯誤的。場方程不應該包含宇宙項，應該和之前壹樣。然而宇宙術語就像天方夜譚裏從瓶子裏放出來的魔鬼，再也收不回來了。後人無視愛因斯坦的意見，繼續討論宇宙術語的含義。今天廣義相對論的場方程有兩種，壹種不含宇宙項，壹種含宇宙項，這兩種都在專家的應用和研究中。
早在1910年前，天文學家就發現大部分星系的光譜有紅移，部分星系的光譜有紫移。這些現象可以用多普勒效應來解釋。當我們接收到離我們很遠的光源發出的光時，會感覺到它的頻率降低，波長變長，譜線向長波長偏移。反之，朝向我們迎面而來的光源，譜線會向短波方向移動，出現紫移。這種現象類似於聲音的多普勒效應。很多人都有過這樣的感覺，迎面而來的火車特別尖銳刺耳，而離開我們的火車卻明顯沈悶。這就是聲波的多普勒效應。我們感覺迎面而來的聲源發出的聲波頻率增加，而離我們很遠的聲源發出的聲波頻率降低。
如果我們認為星系的紅移和紫移是多普勒效應，那麽大部分星系離我們很遠，只有少數星系離我們很近。隨後的研究發現，那些單獨靠近我們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為本星系團)。這個星系團中的大多數星系是紅移的，少數是紫移的。其他星系團中的星系都發生了紅移。
1929年，美國天文學家哈勃總結了當時的壹些觀測數據，提出了壹個經驗法則，即河外星系(即我們銀河系以外的其他星系)的紅移與它們離我們銀河系中心的距離成正比。因為多普勒效應的紅移與光源速度成正比，所以上述規律也表述為:河外星系的退行速度與它們離我們的距離成正比:
v =高清
其中V是河外星系的退行速度，D是它們到我們星系中心的距離。這個定律叫做哈勃定律，比例常數H叫做哈勃常數。根據哈勃定律，所有的河外星系都在遠離我們，離我們越遠，逃逸速度越快。
哈勃定律反映的規律與宇宙膨脹理論不謀而合。單個星系的紫移可以這樣解釋。這個星團中的星系圍繞著它們* * *相同的重心旋轉，所以在壹定的時間內總會有幾個星系靠近我們的銀河系。這種紫移現象與宇宙整體膨脹無關。
哈勃定律極大地支持了利德曼的宇宙模型。但是，如果妳看看哈勃來定律時用的數據圖，人們會很驚訝。在距離和紅移的關系圖中，哈勃標註的點不是集中在壹條直線附近，而是分散的。哈勃怎麽敢斷定這些點應該畫在壹條直線上？壹個可能的答案是，哈勃抓住了該定律的本質，而把細節放在壹邊。另壹種可能是哈勃當時已經知道了宇宙膨脹理論，所以他大膽地認為自己的觀測結果與理論相符。之後觀測數據越來越精確，數據圖中的點越來越集中在直線附近。哈勃定律最終被大量的實驗觀測所證實。
4.宇宙是有限的還是無限的？
現在，讓我們回到之前的話題。宇宙是有限的還是無限的？有優勢還是沒有優勢？對此，我們從廣義相對論、大爆炸宇宙模型、天文觀測等角度來討論這個問題。
滿足宇宙學原理(三維空間是均勻各向同性的)的宇宙肯定是無邊無際的。但是是否限制，要分三種情況來討論。
如果三維空間的曲率是正的，那麽宇宙將是無限的。但它不同於愛因斯坦的無限靜態宇宙，是動態的，會隨時間變化，不斷脈動，不可能是靜態的。宇宙從空間體積無限小的奇點開始爆炸膨脹。這個奇點的物質密度、溫度、空間曲率、時空四維曲率都是無窮大。在膨脹過程中，宇宙的溫度逐漸降低，物質的密度、空間曲率和時空曲率逐漸減小。當體積膨脹到最大時，就會轉為收縮。在收縮過程中，溫度再次升高，物質密度、空間曲率和時空曲率逐漸增大，最終達到壹個新奇的點。很多人認為宇宙在到達新奇點後會再次開始膨脹。顯然，這個宇宙的體積是有限的，是壹個脈動的、有限的宇宙。
如果三維空間的曲率為零，即三維空間是直的(宇宙中有物質，四維時空是彎曲的)，那麽宇宙從壹開始就有壹個無限的三維體積，這個初始的無限三維體積是奇異的(即無窮遠的奇點)。大爆炸就是從這個“無限”奇點開始的。爆炸不是發生在初始三維空間的某壹點，而是發生在初始三維空間的每壹點。也就是大爆炸發生在整個“無限”奇點上。這個“無限”奇點。溫度無限大，密度無限大，時空曲率無限大(三維空間曲率為零)。爆炸後，整個“奇點”開始膨脹，成為正常的非奇異時空，時空的溫度、密度和曲率逐漸降低。這個過程會壹直持續下去。這是壹個不太好理解的形象:壹個無限的體積在不斷膨脹。顯然，這個宇宙是無限的，它是壹個無限的宇宙。
三維空間的負曲率類似於三維空間的零曲率。宇宙從壹開始就有壹個無限的三維體積，這個初始體積也是奇怪的，就是三維的“無限”奇點。它的溫度和密度無限大，三維和四維曲率無限大。大爆炸發生在整個“奇點”上。爆炸後無限三維體積永遠膨脹，溫度、密度、曲率逐漸降低。這也是壹個無限的宇宙，或者說是壹個無限的宇宙。
那麽，我們的宇宙屬於以上三種情況中的哪壹種呢？我們宇宙的空間曲率是正的、負的還是零？這個問題是通過觀察確定的。
廣義相對論的研究表明，宇宙中的物質存在壹個臨界密度ρc，約為每立方米三個核子(質子或中子)。如果我們宇宙中物質的密度ρ大於ρc，則三維空間的曲率為正，宇宙是有限的和無限的；如果ρ小於ρc，則三維空間的曲率為負，宇宙是無限的。所以，觀察宇宙中物質的平均密度，就可以確定我們屬於哪種宇宙，是有限的還是無限的。
另外，還有壹個標準，就是減速系數。河外星系的紅移反映的是減速膨脹，也就是說，河外星系遠離我們的速度在減小。從減速的速度，我們也可以確定宇宙的類型。如果減速因子q大於1/2，三維空間的曲率為正，宇宙膨脹到壹定程度就會收縮；如果q等於1/2，三維空間曲率為零，宇宙將永遠膨脹；如果q小於1/2，三維空間的曲率將為負，宇宙將永遠膨脹。
表3列出了相關情況:
表3
宇宙中物質密度紅移的減速因子；三維空間曲率宇宙類型的膨脹特征
ρ > ρ c q > 1/2正有限無限脈動
ρ = ρ Cq = 1/2零無限和永遠無限擴張。
ρ < ρ c q < 1/2負無窮大永遠擴張。
我們有兩個標準來決定我們屬於哪種宇宙。觀測結果表明，ρ < ρ<ρc，我們宇宙的空間曲率為負，是壹個無限宇宙，永遠膨脹下去！可惜減速因子的觀測給出了相反的結果，Q > 1/2，說明我們宇宙的空間曲率是正的，宇宙是無限脈動的，膨脹到壹定程度就會收縮回來。哪個結論是正確的？有人傾向於認為減速因子的觀測更可靠，推測宇宙中的壹些暗物質可能被忽略。如果找到這些暗物質，妳會發現ρ其實大於ρ c，其他人持相反觀點。也有人認為，雖然兩種觀測方法的結論相反，但得到的空間曲率與零相差不大，宇宙的空間曲率可能為零。但要統壹大家的認識，還需要進壹步的實驗觀察和理論推敲。今天，我們還不能確定宇宙是有限的還是無限的，但我們只能確定，宇宙是無限的，而且現在正在膨脹！此外，我們還知道膨脹開始於大約654.38+00億-200億年前，也就是說我們的宇宙起源於大約654.38+00億-200億年前。
5.愛因斯坦的宇宙模型
根據物理理論，在壹定假設下提出的關於宇宙的想法和推測，稱為宇宙模型。
著名科學家愛因斯坦在1915年建立了廣義相對論的物理理論。該理論認為，宇宙中不存在絕對的空間和絕對的時間，空間和時間都離不開物質，空間和時間都受物質影響；引力是空間彎曲的效應，空間彎曲是由物質的存在決定的。愛因斯坦將他的理論應用於宇宙研究。1917年發表論文《基於廣義相對論的宇宙學考察》。他把廣義相對論的引力場方程應用到整個宇宙，建立了宇宙的模型。
當時科學家普遍認為宇宙是靜態的，不隨時間變化。雖然幾年前，美國天文學家施賴弗發現了河外星系的譜線紅移(顯然這是對靜止宇宙的挑戰)，但消息並沒有傳到歐洲，因為那是壹戰。因此，愛因斯坦和大多數科學家壹樣，認為宇宙是靜止的。愛因斯坦想從引力場方程入手，得到宇宙是靜態的、均勻的、各向同性的答案。但他得到的解是不穩定的，說明總和距離不是常數，而是隨時變化的。為了在太空中得到穩定的解，愛因斯坦人為地在引力場方程中引入了壹個叫做“宇宙常數”的項，使其充當排斥力。愛因斯坦提出了壹個有限無限的靜態宇宙模型，我們稱之為愛因斯坦宇宙模型。為了便於理解，可以把它比作三維空間中的二維球體:球體的面積有限，但沿球體沒有邊界或中心，球體保持靜止。幾年後，愛因斯坦後悔在他的模型中加入了壹個宇宙常數，稱這是他壹生中犯下的最大錯誤。