宇宙知道多少？
“宇宙是什么样的？”目前还没有定论。值得一提的是，斯蒂芬·霍金的观点更能让人接受:宇宙是有限无界的，但比地球多了几个维度。例如，我们的地球是有限的，也是无界的。在地球上，无论从南极到北极，还是从北极到南极，你永远找不到地球的边界，但你不能认为地球是无限的。其实我们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几个维度？例如，一个小球沿着地面滚动，掉进了一个小洞里。在我们看来，球是存在的，而且还在洞里，因为我们人类是“三维”的；对于一个动物来说，会得出球已经不存在的结论！它消失了。为什么会得出这样的结论？因为它生活在一个“二维”的世界里，不可能清楚地理解“三维”的事件。同理，我们人类生活在一个“三维”的世界，很难理解比我们多几个维度的宇宙。这就是为什么“宇宙是什么样的”这个问题无法解释清楚。
1，统一宇宙
人们一直认为地球是宇宙的中心。哥白尼颠覆了这一观点。他认为太阳是宇宙的中心。地球等行星围绕太阳旋转，恒星镶嵌在天球的最外层。布鲁诺进一步认为，宇宙没有中心，恒星是遥远的太阳。
托勒密的地心说和哥白尼的日心说都认为宇宙是有限的。教会支持宇宙有限的论点。然而布鲁诺却敢说宇宙是无限的，从而引发了一场关于宇宙是有限还是无限的长期争论。争议并没有因为教会烧死布鲁诺而停止。主张宇宙有限的人说:“宇宙怎么可能是无限的？”这个问题真的不好说清楚。主张宇宙无限的人问:“宇宙怎么可能是有限的？”这个问题也不好回答。
随着天文观测技术的发展，人们看到，正如布鲁诺所说，恒星是遥远的太阳。人们进一步认识到，银河系是一个由无数太阳系组成的庞大星系。我们的太阳系在银河系的边缘，绕着银河系的中心旋转，速度大约是每秒250公里，绕银河系中心一圈大约需要2.5亿年。太阳系的直径最多约1光年，而银河系的直径高达1亿光年。银河系由1000多亿颗恒星组成，太阳系在银河系的位置真的就像北京的一粒沙子。后来发现我们银河系和其他星系形成了一个更大的星系团，直径约107光年(10亿光年)。目前望远镜观测距离已经达到1000亿光年以上，可见范围内的星系团不计其数。这些星系团不再形成更大的星系团，而是均匀且各向同性地分布。也就是说，在10的七次方光年尺度下，物质是成簇分布的。卫星围绕行星旋转，行星和彗星围绕恒星旋转，形成太阳系。这些太阳系分别由一个、两个、三个或更多的太阳及其行星组成。拥有两个太阳的称为双星系统，拥有三个以上太阳的称为星系团。数千亿个太阳系聚集在一起形成银河系，组成银河系的恒星(太阳系)都围绕着同一个重心——银河中心旋转。无数个星系组成一个星系团，星系团中的星系也围绕着它们同一个重心旋转。然而，星系团之间没有星系团结构。每个星系团都是均匀分布，无规律运动的。从我们地球的各个方向看，情况都差不多。粗略来说，星系有点像容器中的气体分子，均匀分布，无规律运动。也就是说，在10到8光年(1亿光年)的尺度之上，宇宙中的物质分布不再是集群的，而是均匀分布的。因为光的传播需要时间，所以我们看到的一亿光年外的星系，其实就是那个星系一亿年前的样子。所以，我们用望远镜看到的不仅仅是太空中遥远的星系，还有它们的过去。从望远镜上看，无论星系团有多远，它们都是均匀且各向同性分布的。
因此，我们可以认为宇宙尺度上(10的5光年以上)物质分布的均匀状态不仅是现在，而且已经存在。
因此，天体物理学家提出了一个定律，即所谓的宇宙学原理。这个原理说的是，在宇宙尺度上，三维空间在任何时候都是均匀各向同性的。现在看来，宇宙学原理是正确的。所有的星系都是相似的，都有相似的演化过程。所以，我们通过望远镜看到的遥远星系，不仅仅是它们过去的影像，也是我们银河系过去的影像。望远镜不仅在看太空，也在看时间和我们的历史。
2.有限而无限的宇宙
爱因斯坦发表广义相对论后，关注天体物理，认为引力比电磁力弱得多，不可能对分子、原子、原子核的研究产生重要影响。他认为宇宙是广义相对论大有用武之地的领域。
爱因斯坦在1915年发表了广义相对论，在1917年提出了基于广义相对论的宇宙模型。这是一个完全出乎意料的模式。在这个模型中，宇宙的三维空间是无限的，不随时间变化。以前人们认为有限就是边缘，无限就是无限。爱因斯坦区分了有限和有界的概念。
长方形的桌面有一定的长度、宽度和面积，所以它的大小是有限的。同时它有四个明显的边，所以它有边。如果有一只小甲虫在上面爬行，无论它向哪个方向爬行，都会很快到达桌面边缘。所以桌面是一个有限的有边的二维空间。如果桌面向各个方向无限延伸，成为欧几里德几何中的平面，那么这个欧几里德平面就是一个无限二维空间。
让我们看看篮球的表面。如果篮球的半径是R，那么球体的面积就是4πr的平方，大小有限。然而，这个二维球体是无边无际的。如果一只小甲虫在上面爬行，它将永远不会结束。因此，篮球表面是一个有限而无限的二维空间。
根据宇宙学原理，在宇宙尺度上，三维空间是均匀各向同性的。爱因斯坦认为，这样的三维空间一定是一个曲率不变的空间，也就是说，空间中每个点的弯曲程度应该是相同的，也就是说，应该具有相同的曲率。因为物质的存在，四维时空应该是弯曲的。三维空间也应该是弯曲的而不是平面的。爱因斯坦认为这样的宇宙很可能是一个三维超球体。三维超球面不是普通的球面，而是二维球面的推广。通常的球体是有限的，有侧面，体积是4/3πr的三次方，侧面是二维球体。三维超球体是无限的，生活在其中的三维生物(比如我们人类就是有长、宽、高的三维生物)无论往哪个方向走都碰不到边。如果它一直向北走，最终会从南方回来。
宇宙学原理也认为三维空间的均匀性和各向同性在任何时候都是保持的。爱因斯坦认为最简单的秩序就是静态宇宙，即不随时间变化的宇宙。这样的宇宙，只要在某个时刻是同质各向同性的，就永远保持同质各向同性。
爱因斯坦试图在三维空间均匀各向同性、不随时间变化的假设下求解广义相对论的场方程。场方程很复杂，需要知道初始条件(宇宙的初始情况)和边界条件(宇宙边缘的情况)才能求解。本来解这样一个方程是很难的，但是爱因斯坦很聪明。他想象宇宙是有限的，也是无限的，自然不需要没有边的边界条件。他还想象宇宙是静止的，现在和过去一样，所以初始条件是不必要的。再加上对称性的限制(要求三维空间均匀各向同性)，场方程就变得好解多了。但还是得不到结果。经过反复思考，爱因斯坦终于明白了自己找不到解的原因:广义相对论可以看作是万有引力定律的推广，只包含“引力效应”，不包含“斥力效应”。要维持一个不随时间变化的宇宙，排斥效应和吸引效应之间必须有一个平衡。也就是说，不可能从广义相对论的场方程中得出一个“静态”的宇宙。如果我们想得到静态的宇宙，我们必须修改场方程。所以他在方程中加入了一个“排斥项”，叫做宇宙项。就这样，爱因斯坦最终研究出了一个静态的、均匀的、各向同性的、有限的宇宙模型。当时大家都很激动，科学终于告诉我们，宇宙不随时间变化，是有限的，也是无限的。关于宇宙是有限还是无限的争论似乎可以告一段落了。
3.膨胀或脉动的宇宙
几年后，前苏联一位鲜为人知的数学家f·利德曼(F. Lidman)应用没有宇宙项的场方程，得到了一个膨胀或脉动的宇宙模型。利德曼宇宙在三维空间中是同质且各向同性的，但它不是静态的。这个宇宙模型是随时间变化的，分为三种情况。第一种情况，三维空间的曲率是负的；第二种情况，三维空间的曲率为零，即三维空间是直的；第三种情况，三维空间的曲率为正。在前两种情况下，宇宙不断膨胀；在第三种情况下，宇宙首先膨胀，达到一个最大值然后开始收缩，然后膨胀再收缩...所以第三宇宙是脉动的。利德曼的《宇宙》最初发表在一本不太出名的杂志上。后来，西欧的一些数学家和物理学家得到了类似的宇宙模型。当爱因斯坦得知这种膨胀或脉动的宇宙模型时，他非常兴奋。他认为他的模式不好，应该放弃。利德曼模型是宇宙的正确模型。
同时，爱因斯坦宣称，在广义相对论的场方程中加入宇宙项是错误的。场方程不应该包含宇宙项，应该和之前一样。然而宇宙术语就像天方夜谭里从瓶子里放出来的魔鬼，再也收不回来了。后人无视爱因斯坦的意见，继续讨论宇宙术语的含义。今天广义相对论的场方程有两种，一种不含宇宙项，一种含宇宙项，这两种都在专家的应用和研究中。
早在1910年前，天文学家就发现大部分星系的光谱有红移，部分星系的光谱有紫移。这些现象可以用多普勒效应来解释。当我们接收到离我们很远的光源发出的光时，会感觉到它的频率降低，波长变长，谱线向长波长偏移。反之，朝向我们迎面而来的光源，谱线会向短波方向移动，出现紫移。这种现象类似于声音的多普勒效应。很多人都有过这样的感觉，迎面而来的火车特别尖锐刺耳，而离开我们的火车却明显沉闷。这就是声波的多普勒效应。我们感觉迎面而来的声源发出的声波频率增加，而离我们很远的声源发出的声波频率降低。
如果我们认为星系的红移和紫移是多普勒效应，那么大部分星系离我们很远，只有少数星系离我们很近。随后的研究发现，那些单独靠近我们的紫移星系都在我们自己的本星系团中(我们银河系所在的星系团称为本星系团)。这个星系团中的大多数星系是红移的，少数是紫移的。其他星系团中的星系都发生了红移。
1929年，美国天文学家哈勃总结了当时的一些观测数据，提出了一个经验法则，即河外星系(即我们银河系以外的其他星系)的红移与它们离我们银河系中心的距离成正比。因为多普勒效应的红移与光源速度成正比，所以上述规律也表述为:河外星系的退行速度与它们离我们的距离成正比:
v =高清
其中V是河外星系的退行速度，D是它们到我们星系中心的距离。这个定律叫做哈勃定律，比例常数H叫做哈勃常数。根据哈勃定律，所有的河外星系都在远离我们，离我们越远，逃逸速度越快。
哈勃定律反映的规律与宇宙膨胀理论不谋而合。单个星系的紫移可以这样解释。这个星团中的星系围绕着它们* * *相同的重心旋转，所以在一定的时间内总会有几个星系靠近我们的银河系。这种紫移现象与宇宙整体膨胀无关。
哈勃定律极大地支持了利德曼的宇宙模型。但是，如果你看看哈勃来定律时用的数据图，人们会很惊讶。在距离和红移的关系图中，哈勃标注的点不是集中在一条直线附近，而是分散的。哈勃怎么敢断定这些点应该画在一条直线上？一个可能的答案是，哈勃抓住了该定律的本质，而把细节放在一边。另一种可能是哈勃当时已经知道了宇宙膨胀理论，所以他大胆地认为自己的观测结果与理论相符。之后观测数据越来越精确，数据图中的点越来越集中在直线附近。哈勃定律最终被大量的实验观测所证实。
4.宇宙是有限的还是无限的？
现在，让我们回到之前的话题。宇宙是有限的还是无限的？有优势还是没有优势？对此，我们从广义相对论、大爆炸宇宙模型、天文观测等角度来讨论这个问题。
满足宇宙学原理(三维空间是均匀各向同性的)的宇宙肯定是无边无际的。但是是否限制，要分三种情况来讨论。
如果三维空间的曲率是正的，那么宇宙将是无限的。但它不同于爱因斯坦的无限静态宇宙，是动态的，会随时间变化，不断脉动，不可能是静态的。宇宙从空间体积无限小的奇点开始爆炸膨胀。这个奇点的物质密度、温度、空间曲率、时空四维曲率都是无穷大。在膨胀过程中，宇宙的温度逐渐降低，物质的密度、空间曲率和时空曲率逐渐减小。当体积膨胀到最大时，就会转为收缩。在收缩过程中，温度再次升高，物质密度、空间曲率和时空曲率逐渐增大，最终达到一个新奇的点。很多人认为宇宙在到达新奇点后会再次开始膨胀。显然，这个宇宙的体积是有限的，是一个脉动的、有限的宇宙。
如果三维空间的曲率为零，即三维空间是直的(宇宙中有物质，四维时空是弯曲的)，那么宇宙从一开始就有一个无限的三维体积，这个初始的无限三维体积是奇异的(即无穷远的奇点)。大爆炸就是从这个“无限”奇点开始的。爆炸不是发生在初始三维空间的某一点，而是发生在初始三维空间的每一点。也就是大爆炸发生在整个“无限”奇点上。这个“无限”奇点。温度无限大，密度无限大，时空曲率无限大(三维空间曲率为零)。爆炸后，整个“奇点”开始膨胀，成为正常的非奇异时空，时空的温度、密度和曲率逐渐降低。这个过程会一直持续下去。这是一个不太好理解的形象:一个无限的体积在不断膨胀。显然，这个宇宙是无限的，它是一个无限的宇宙。
三维空间的负曲率类似于三维空间的零曲率。宇宙从一开始就有一个无限的三维体积，这个初始体积也是奇怪的，就是三维的“无限”奇点。它的温度和密度无限大，三维和四维曲率无限大。大爆炸发生在整个“奇点”上。爆炸后无限三维体积永远膨胀，温度、密度、曲率逐渐降低。这也是一个无限的宇宙，或者说是一个无限的宇宙。
那么，我们的宇宙属于以上三种情况中的哪一种呢？我们宇宙的空间曲率是正的、负的还是零？这个问题是通过观察确定的。
广义相对论的研究表明，宇宙中的物质存在一个临界密度ρc，约为每立方米三个核子(质子或中子)。如果我们宇宙中物质的密度ρ大于ρc，则三维空间的曲率为正，宇宙是有限的和无限的；如果ρ小于ρc，则三维空间的曲率为负，宇宙是无限的。所以，观察宇宙中物质的平均密度，就可以确定我们属于哪种宇宙，是有限的还是无限的。
另外，还有一个标准，就是减速系数。河外星系的红移反映的是减速膨胀，也就是说，河外星系远离我们的速度在减小。从减速的速度，我们也可以确定宇宙的类型。如果减速因子q大于1/2，三维空间的曲率为正，宇宙膨胀到一定程度就会收缩；如果q等于1/2，三维空间曲率为零，宇宙将永远膨胀；如果q小于1/2，三维空间的曲率将为负，宇宙将永远膨胀。
表3列出了相关情况:
表3
宇宙中物质密度红移的减速因子；三维空间曲率宇宙类型的膨胀特征
ρ > ρ c q > 1/2正有限无限脉动
ρ = ρ Cq = 1/2零无限和永远无限扩张。
ρ < ρ c q < 1/2负无穷大永远扩张。
我们有两个标准来决定我们属于哪种宇宙。观测结果表明，ρ < ρ<ρc，我们宇宙的空间曲率为负，是一个无限宇宙，永远膨胀下去！可惜减速因子的观测给出了相反的结果，Q > 1/2，说明我们宇宙的空间曲率是正的，宇宙是无限脉动的，膨胀到一定程度就会收缩回来。哪个结论是正确的？有人倾向于认为减速因子的观测更可靠，推测宇宙中的一些暗物质可能被忽略。如果找到这些暗物质，你会发现ρ其实大于ρ c，其他人持相反观点。也有人认为，虽然两种观测方法的结论相反，但得到的空间曲率与零相差不大，宇宙的空间曲率可能为零。但要统一大家的认识，还需要进一步的实验观察和理论推敲。今天，我们还不能确定宇宙是有限的还是无限的，但我们只能确定，宇宙是无限的，而且现在正在膨胀！此外，我们还知道膨胀开始于大约654.38+00亿-200亿年前，也就是说我们的宇宙起源于大约654.38+00亿-200亿年前。
5.爱因斯坦的宇宙模型
根据物理理论，在一定假设下提出的关于宇宙的想法和推测，称为宇宙模型。
著名科学家爱因斯坦在1915年建立了广义相对论的物理理论。该理论认为，宇宙中不存在绝对的空间和绝对的时间，空间和时间都离不开物质，空间和时间都受物质影响；引力是空间弯曲的效应，空间弯曲是由物质的存在决定的。爱因斯坦将他的理论应用于宇宙研究。1917年发表论文《基于广义相对论的宇宙学考察》。他把广义相对论的引力场方程应用到整个宇宙，建立了宇宙的模型。
当时科学家普遍认为宇宙是静态的，不随时间变化。虽然几年前，美国天文学家施赖弗发现了河外星系的谱线红移(显然这是对静止宇宙的挑战)，但消息并没有传到欧洲，因为那是一战。因此，爱因斯坦和大多数科学家一样，认为宇宙是静止的。爱因斯坦想从引力场方程入手，得到宇宙是静态的、均匀的、各向同性的答案。但他得到的解是不稳定的，说明总和距离不是常数，而是随时变化的。为了在太空中得到稳定的解，爱因斯坦人为地在引力场方程中引入了一个叫做“宇宙常数”的项，使其充当排斥力。爱因斯坦提出了一个有限无限的静态宇宙模型，我们称之为爱因斯坦宇宙模型。为了便于理解，可以把它比作三维空间中的二维球体:球体的面积有限，但沿球体没有边界或中心，球体保持静止。几年后，爱因斯坦后悔在他的模型中加入了一个宇宙常数，称这是他一生中犯下的最大错误。