北理人导航:026 宇宙有尽头吗？宇宙以外是什么？

宇宙有尽头吗？

宇宙有尽头吗？这个问题一直是科学界的焦点，也一直困扰着人类。自古各国科学家就在争相讨论这个问题，在物理学的研究领域中，这也是最大的一个问题，即宇宙学。
  在伽利略与牛顿之前，传统的宇宙结构认为它是一个有限边的世界。在哥白尼的太阳中心说中仍保持着有限有边的结构图式，而到了牛顿时代，有关科学家开始普遍采用无限无边的观点，即认为宇宙的体积是无限的，也没有空间边界。虽然爱因斯坦的广义相对论提出了宇宙是个有限无边的体系，而牛顿力学的无限无边体系和亚里士多德的有限有边体系又有力地反驳了这一观点，目前这些观点并没有得到科学家的一致认同，甚至有人认为宇宙空间会随着岁月的变迁而不断膨胀，因为空间是无边无际的，时间是无始无终的。而到底宇宙是否有尽头，这一直是个难以解释的谜，所以这有待与我们去进一步发现……


应该问我们生活的宇宙是否有尽头

N种可能：1、宇宙外是另一个宇宙            推出               我们生活的宇宙有尽头

                2、宇宙外是一个非宇宙            推出               我们生活的宇宙没有尽头

                3、宇宙外是多个平行宇宙         推出               我们生活的宇宙有尽头

                4、宇宙外是多个平行非宇宙     推出               我们生活的宇宙没有尽头

                5、宇宙外是多个相交宇宙        推出                我们生活的宇宙有尽头

                6、宇宙外是多个相交非宇宙     推出               我们生活的宇宙没有尽头

                7、宇宙没有外部空间               推出               我们生活的宇宙没有尽头

               。。。。。。

                  目前科学家只研究出这么多

                 多维宇宙假说尚在研究讨论中。

宇宙的尽头在哪里

  

　

宇宙是无边无际的，到目前为止，还没有人知道宇宙究竟有多大，就连  

科学家也无法回答出宇宙的尽头在哪里。  

一些科学家估测，宇宙中大概有1000多亿个星系，而银河系只是其中之  

一。单单是一个银河系中就有1000多亿颗恒星，我们所熟悉的太阳只是其中  

一颗普通的恒星。  

宇宙是如此辽阔，得以光年来计算天体之间的距离。而一光年相当于光  

在一年中所走过的路程，有近10万亿千米的距离。  

单就我们所属的太阳系来讲，它两端的距离大约是120亿千米。如果我们  

乘和光速一样快的火箭去银河旅游，至少要花2.3万年的时间，才能飞到银河系  

的中心（银河系的直径有十万光年）。  

如果乘坐光速火箭在太空中旅行，用四万年的时间才刚到达离太阳最近  

的一颗恒星：比邻星。它和地球的距离是4.3光年，即406780亿千米。如果以  

同样的速度继续前进，必须花16万年，才能到达另一个星系。  

宇宙的尽头在哪里呢？至今，科学家们使用仪器已经能够看到太空中3  

亿光年远的距离，并在那里发现了许多星系，有的天文学家甚至观察到100多  

亿光年之外还有星系存在。至于更远的地方，对于我们还是个未知数。宇宙  

浩瀚无边，也许根本没有尽头。

宇宙是否有尽头?
  
每当人们翘首仰望茫茫天空、神驰遐想之时，总是有人要提出这样的疑问：宇宙究竟有多大?有没有尽头呢?

在太阳的周围，有地球、金星、火星、木星等大小不同的九个行星在不停地运转，这就是太阳系。那么在太阳系以外又是一个怎样的世界呢?那是一个聚集着约2亿颗像太阳一样的恒星的银河系。银河系象一块铁饼，直径为100000光年，中心部分厚度为15000光年。如果飞出银河系，又会到什么地方呢?在那里，有无数像银河系一样的世界，叫做星云。与银河系邻近的是仙女座流星群。这个流星群和银河系大小、形态大致相同，大约聚集着2000亿颗恒星。

1929年，美国的哈佛尔发现：所有星云正离我们远去。比如离我们约2.5亿光年的发座星云以每秒6700公里的速度，5.7亿光年外的狮子座以每秒19500公里的速度，12.4亿光年外的牵牛座星云以每秒39400公里的惊人速度，纷纷离我们而远去。

照这样持续下去，星云到达100亿光年处其运行速度将达每秒300000公里，这和光的速度相等。这样，所有星运的光就永远照射不到我们地球上来了。因此，100亿光年的地方将是我们所能见到的宇宙的尽头。再远处还有星云，但是由于光无法到达，我们也就无法观测了。当然这是一家之言，还有其他不同的解释。有人认为，宇宙呈气球型，它象气球一样不断膨胀，其中有些星云随之接近我们。还有的提出，宇宙是马鞍型，它如同马鞍，不断地朝着鞍的四个边缘方向扩展。按这一解释，在遥远的将来，星星将逐渐远离，夜空会变得单调寂寥。不过，有人对此持不同意见，认为宇宙是永恒的。虽然它会无限地扩展，但在扩展了的空间还会产生新的星球，宇宙再怎样膨胀，还会增加新的星家族。因此，宇宙空间不会荒寂。究竟宇宙的尽头在哪里，人类目前还只能进行一些推测。

宇宙有尽头么？宇宙以外是什么样子？？

有限、无限及宇宙的边界


中国古代即有“天地四方曰宇,往古来今曰宙”的说话。我们的宇宙就是时间和空间的结合体。天地无极，时间无始无终，这是我们通常对宇宙的认识。宇宙实在是太神秘，太莫测的，以至人类在它面前只不过是沙滩上的一个小孩子罢了。人类的智慧太有限了。那么宇宙到底是无限的还是有限的，它有没有边界呢。千万年来，人类从来没有停止过对这个问题的追问。


再者，有限和无限又是怎么区分的呢。何为有限？何为无限？在我看来，没有绝对的无限，在人类小小的智慧面前，只有绝对的有限。有限和无限不是那么容易分得清楚的。西谚有云“一花一世界，一沙一天堂”，有限和无限在一个瞬间便可以得到转化和超脱。我们举一个数学上的例子：


我们知道实数轴是无限可分的，处处稠密。所谓“一尺之棰，日取其半，万世不竭”。从这个意义是说，整个实数轴是由无穷个点组成的。而一个小小的区间（1，2）也是由无穷个不可再分的点组成的。在这个意义上来说，一个在距离上可以衡量的小小的区间便和整个无穷的实数轴有共通之处。再者，一个两厘米的线段是由无穷个点组成的，而一个三厘米的线段也是由无穷个点组成的。这样一来，我们势必陷入了一种困惑：有限即是无限，无限即是有限，有限与无限是如此容易的可以转化。


数学上有无穷小量和无穷大量的问题。所谓小量是指一个无限接近0的小的不能再小的数（但是我们不能把一个可以写出来、可以说出来、甚至可以想象到的数称为无穷小量）。而无穷大量则是一个大的不可能再大的数，一般可以用∞表示。我们能够想象到无穷个无穷小量的和是什么吗？是不是无穷大量呢？经过举例，可以得知无穷多个无穷小量的和可以是一个具体的数字，比如说1、2、0、和100等，也可以是无穷大∞。


再举一个例子：0.9的循环，也就是说小数点之后有无数个9，在小学的时候老师教给我们的是后边有无穷个9，但是它却永远会比1小。老师解释的原因就是：它永远也不可能达到1。但是运用数学的级数理论和极限理论都可以证明，0.9的循环和1是完全相等的。看似不成立的东西，运用极其严格的数学证明之后，却是实在的真理，我们不得不面对这个问题，也面对人类的困惑。通过这两个例子，抽象的东西，可以和具象的东西联系和转化。比如说无穷小量的和可能是一个具体的数目。二者之间不存在鸿沟，可以相互转化和沟通的。


既然抽象的无穷大和无限可以和具象的有限相互沟通。可以大胆的下这样的一个结论（虽然我问过很多老师，在传统观念上是不可以这样提的，但是我固执的认为这是正确的）：y=1/x的图像在x趋向于无穷大的时候是和x轴相交的，交点就是（∞，0）。虽然无穷大是一个想象中的大的无法描述的数。但是我们可以化抽象为具象，曲线有∞这样一个点的时候是相于数轴的。那么有人可能要问了，既然可以相交，那么相交之后的图像是什么东西呢？问这个问题的人首先把我们讨论的前提给放弃了。因为我们谈的是无穷大∞，什么是无穷大呢？它是一个大的不能再大的概念，也就是说，在它之后，我们便不能再想到更大的数了。我们和智慧和思想遇到了不能再想象到的东西，便给它起了一个名字叫无穷大∞。在它之后的数字是超出我们的想象的，那么相交之后的图像和点却是我们的智慧能够想到的，便不是无穷大。承认交点是无穷大的情况下，就承认了后面的点和数是无法想象的。我们想象到的不是无穷大。


于是，绕了一个大圈子。我们回到宇宙的边界这个问题上。


有了前面的铺垫，我们便可以得出这个一个结论：宇宙在时间和空间上都是无限的，却是有边界的。我们不妨把宇宙的边界起一个名字叫：∞。也就是说，宇宙的边界是我们人类智慧的一个边界，是我们能想象到一个极限，超过这个极限的东西，是我们不能想象的。所谓宇宙是人类创造出来的一个词汇，就像时间一样。有人问：“上帝在创造时间之前在干什么啊？”这是一个有意思的问题。上帝在创造时间之前，肯定还没有时间，因为时间是在上帝创造了之后才出现了。那么我们用一个后来才出现的词汇来描述这个词汇出现之前的东西，肯定是不合理的。我们在想上帝创造时间之前在干什么这个问题的时候，是用的人类的语言和思维体系来思考不属于人类语言体系和思维体系的东西当然是不可能得出结论的。就像一个在二维世界里人是无法想象三维空间的。


同样，宇宙之外是什么呢？我们可以如前一样，把宇宙之外的这一个人类无法定义和思维和东西暂时的称为“非宇宙”。这是一个搞笑的概念。怎么说呢，我又是用一个人类的语言体系和思维体系中的字汇来定义非属于人类语言体系和思维体系的东西。甚至这个东西都不能够被称为东西。就像当初人类第一次给鸡蛋命名的时候，如果把它叫做“狗”，我们今天也便理所当然的鸡蛋称为狗了。


宇宙的边界其实是一个人类智慧思维和极限，到了那里人类的语言方式和思维方式再也无法前行了，便是宇宙的边界了。边界之外的东西，不仅是无法表述的，也是无法想象的，甚至人类根本不知道它的存在，不知道它是不是存在的。


宇宙是无限的，却是有边界的。

1917年，爱因斯坦发表了著名的“广义相对论”，为我们研究大尺度、大质量的宇宙提供了比牛顿“万有引力定律”更先进的武器。应用后，科学家解决了恒星一生的演化问题。而宇宙是否是静止的呢?对这一问题，连爱因斯坦也犯了一个大错误。他认为宇宙是静止的，然而1929年美国天文学家哈勃以不可辩驳的实验，证明了宇宙不是静止的，而是向外膨胀的。正像我们吹一只大气球一样，恒星都在离我们远去。离我们越远的恒星，远离我们的速度也就越快。可以推想：如果存在这样的恒星，它离我们足够远以至于它离开我们的速度达到光速的时候，它发出的光就永远也不可能到达我们的地球了。从这个意义上讲，我们可 以认为它是不存在的。因此，我们可以认为宇宙是有限的。 “宇宙到底是什么样子?”目前尚无定论。值得一提的是史蒂芬·霍金的观点比较让人容易接受：宇宙有限而无界，只不过比地球多了几维。比如，我们的地球就是有限而无界的。在地球上，无论从南极走到北极，还是从北极走到南极，你始终不可能找到地球的边界，但你不能由此认为地球是无限的。实际上，我们都知道地球是有限的。地球如此，宇宙亦是如此。 怎么理解宇宙比地球多了几维呢?举个例子：一个小球沿地面滚动并掉进了一个小洞中，在我们看来，小球是存在的，它还在洞里面，因为我们人类是“三维”的；而对于一个动物来说，它得出的结论就会是：小球已经不存在了!它消失了。为什么会得出这样的结论呢?因为它生活在“二维”世界里，对“三维”事件是无法清楚理解的。同样的道理，我们人类生活在“三维”世界里，对于比我们多几维的宇宙，也是很难理解清楚的。这也正是对于“宇宙是什么样子”这个问题无法解释清楚的原因。 1、均匀的宇宙 长期以来，人们相信地球是宇宙的中心。哥白尼把这个观点颠倒了过来，他认为太阳才是宇宙的中心。地球和其他行星都围绕着太阳转动，恒星则镶嵌在天球的最外层上。布鲁诺进一步认为，宇宙没有中心，恒星都是遥远的太阳。 无论是托勒密的地心说还是哥白尼的日心说，都认为宇宙是有限的。教会支持宇宙有限的论点。但是，布鲁诺居然敢说宇宙．是无限的，从而挑起了宇宙究竟有限还是无限的长期论战。这场论战并没有因为教会烧死布鲁诺而停止下来。主张宇宙有限的人说：“宇宙怎么可能是无限的呢?”这个问题确实不容易说清楚。主张宇宙无限的人则反问：“宇宙怎么可能是有限的呢?”这个问题同样也不好回答。 随着天文观测技术的发展，人们看到，确实像布鲁诺所说的那样，恒星是遥远的太阳。人们还进一步认识到，银河是由无数个太阳系组成的大星系，我们的太阳系处在银河系的边缘，围绕着银河系的中心旋转，转速大约每秒250千米，围绕银心转一圈约需2.5亿年。太阳系的直径充其量约1光年，而银河系的直径则高达10万光年。银河系由1000多亿颗恒星组成，太阳系在银河系中的地位，真像一粒砂子处在北京城中。后来又发现，我们的银河系还与其他银河系组成更大的星系团，星系团的直径约为107光年(1000万光年)。目前，望远镜观测距离已达100亿光年以上，在所见的范围内，有无数的星系团存在，这些星系团不再组成更大的团，而是均匀各向同性地分布着。这就是说，在10的7次方光年的尺度以下，物质是成团分布的。卫星绕着行星转动，行星、彗星则绕着恒星转动，形成一个个太阳系。这些太阳系分别由一个、两个、三个或更多个太阳以及它们的行星组成。有两个太阳的称为双星系，有三个以上太阳的称为聚星系。成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)都围绕着共同的重心——银心转动。无数的银河系组成星系团，团中的各银河系同样也围绕它们共同的重心转动。但是，星系团之间，不再有成团结构。各个星系团均匀地分布着，无规则地运动着。从我们地球上往四面八方看，情况都差不多。粗略地说，星系固有点像容器中的气体分子，均匀分布着，做着无规则运动。这就是说，在10的8次方光年(一亿光年)的尺度以上，宇宙中物质的分布不再是成团的，而是均匀分布的。由于光的传播需要时间，我们看到的距离我们一亿光年的星系，实际上是那个星系一亿年以前的样子。所以，我们用望远镜看到的，不仅是空间距离遥远的星系，而且是它们的过去。从望远镜看来，不管多远距离的星系团，都均匀各向同性地分布着。 因而我们可以认为，宇观尺度上(10的5次方光年以上)物质分布的均匀状态，不是现在才有的，而是早已如此。 于是，天体物理学家提出一条规律，即所谓宇宙学原理。这条原理说，在宇观尺度上，三维空间在任何时刻都是均匀各向同性的。现在看来，宇宙学原理是对的。所有的星系都差不多，都有相似的演化历程。因此我们用望远镜看到的遥远星系，既是它们过去的形象，也是我们星系过去的形象。望远镜不仅在看空间，而且在看时间，在看我们的历史。 2、有限而无边的宇宙 爱因斯坦发表广义相对论后，考虑到万有引力比电磁力弱得多，不可能在分子、原子、原子核等研究中产生重要的影响，因而他把注意力放在了天体物理上。他认为，宇宙才是广义相对论大有用武之地的领域。 爱因斯坦1915年发表广义相对论，1917年就提出一个建立在广义相对论基础上的宇宙模型。这是一个人们完全意想不到的模型。在这个模型中，宇宙的三维空间是有限无边的，而且不随时间变化。以往人们认为，有限就是有边，无限就是无边。爱因斯坦把有限和有边这两个概念区分开来。 一个长方形的桌面，有确定的长和宽，也有确定的面积，因而大小是有限的。同时它有明显的四条边，因此是有边的。如果有一个小甲虫在它上面爬，无论朝哪个方向爬，都会很快到达桌面的边缘。所以桌面是有限有边的二维空间。如果桌面向四面八方无限伸展，成为欧氏几何中的平面，那么，这个欧氏平面是无限无边的二维空间。 我们再看一个篮球的表面，如果篮球的半径为r，那么球面的面积是4πr的2次方，大小是有限的。但是，这个二维球面是无边的。假如有一个小甲虫在它上面爬，永远也不会走到尽头。所以，篮球面是一个有限无边的二维空间。 按照宇宙学原理，在宇观尺度上，三维空间是均匀各向同性的。爱因斯坦认为，这样的三维空间必定是常曲率空间，也就是说空间各点的弯曲程度应该相同，即应该有相同的曲率。由于有物质存在，四维时空应该是弯曲的。三维空间也应是弯的而不应是平的。爱因斯坦觉得，这样的宇宙很可能是三维超球面。三维超球面不是通常的球体，而是二维球面的推广。通常的球体是有限有边的，体积是4/3πr的3次方，它的边就是二维球面。三维超球面是有限无边的，生活在其中的三维生物(例如我们人类就是有长、宽、高的三维生物)，无论朝哪个方向前进均碰不到边。假如它一直朝北走，最终会从南边走回来。 宇宙学原理还认为，三维空间的均匀各向同性是在任何时刻都保持的。爱因斯坦觉得其中最简单阶情况就是静态宇宙，也就是说，不随时间变化的宇宙。这样的宇宙只要在某一时刻均匀各向同性，就永远保持均匀各向同性。 爱因斯坦试图在三维空间均匀各向同性、且不随时间变化的假定下，救解广义相对论的场方程。场方程非常复杂，而且需要知道初始条件(宇宙最初的情况)和边界条件(宇宙边缘处的情况)才能求解。本来，解这样的方程是十分困难的事情，但是爱因斯坦非常聪明，他设想宇宙是有限无边的，没有边自然就不需要边界条件。他又设想宇宙是静态的，现在和过去都一样，初始条件也就不需要了。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。但还是得不出结果。反复思考后，爱因斯坦终于明白了求不出解的原因：广义相对论可以看作万有引力定律的推广，只包含“吸引效应”不包含“排斥效应”。而维持一个不随时间变化的宇宙，必须有排斥效应与吸引效应相平衡才行。这就是说，从广义相对论场方程不可能得出“静态”宇宙。要想得出静态宇宙，必须修改场方程。于是他在方程中增加了一个“排斥项”，叫做宇宙项。这样，爱因斯坦终于计算出了一个静态的、均匀各向同性的、有限无边的宇宙模型。一时间大家非常兴奋，科学终于告诉我们，宇宙是不随时间变化的、是有限无边的。看来，关于宇宙有限还是无限的争论似乎可以画上一个句号了。 3、膨胀或脉动的宇宙 几年之后，一个名不见经传的前苏联数学家弗利德曼，应用不加宇宙项的场方程，得到一个膨胀的、或脉动的宇宙模型。弗利德曼宇宙在三维空间上也是均匀、各向同性的，但是，它不是静态的。这个宇宙模型随时间变化，分三种情况。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，也就是说，三维空间是平直的；第三种情况，三维空间的曲率是正的。前两种情况，宇宙不停地膨胀；第三种情况，宇宙先膨胀，达到一个极大值后开始收缩，然后再膨胀，再收缩……因此第三种宇宙是脉动的。弗利德曼的宇宙最初发表在一个不太著名的杂志上。后来，西欧一些数学家物理学家得到类似的宇宙模型。爱因斯坦得知这类膨胀或脉动的宇宙模型后，十分兴奋。他认为自己的模型不好，应该放弃，弗利德曼模型才是正确的宇宙模型。 同时，爱因斯坦宣称，自己在广义相对论的场方程上加宇宙项是错误的，场方程不应该含有宇宙项，而应该是原来的老样子。但是，宇宙项就像“天方夜谭”中从瓶子里放出的魔鬼，再也收不回去了。后人没有理睬爱因斯坦的意见，继续讨论宇宙项的意义。今天，广义相对论的场方程有两种，一种不含宇宙项，另一种含宇宙项，都在专家们的应用和研究中。 早在1910年前后，天文学家就发现大多数星系的光谱有红移现象，个别星系的光谱还有紫移现象。这些现象可以用多谱勒效应来解释。远离我们而去的光源发出的光，我们收到时会感到其频率降低，波长变长，并出现光谱线红移的现象，即光谱线向长波方向移动的现象。反之，向着我们迎面而来的光源，光谱线会向短波方向移动，出现紫移现象。这种现象与声音的多普勒效应相似。许多人都有过这样的感受：迎面而来的火车其鸣叫声特别尖锐刺耳，远离我们而去的火车其鸣叫声则明显迟钝。这就是声波的多普勒效应，迎面而来的声源发出的声波，我们感到其频率升高，远离我们而去的声源发出的声波，我们则感到其频率降低。 如果认为星系的红移、紫移是多普勒效应，那么大多数星系都在远离我们，只有个别星系向我们靠近。随之进行的研究发现，那些个别向我们靠近的紫移星系，都在我们自己的本星系团中(我们银河系所在的星系团称本星系团)。本星系团中的星系，多数红移，少数紫移；而其他星系团中的星系就全是红移了。 1929年，美国天文学家哈勃总结了当时的一些观测数据，提出一条经验规律，河外星系(即我们银河系之外的其他银河系)的红移大小正比于它们离开我们银河系中心的距离。由于多普勒效应的红移量与光源的速度成正比，所以，上述定律又表述为：河外星系的退行速度与它们离我们的距离成正比： V＝HD 式中V是河外星系的退行速度，D是它们到我们银河系中心的距离。这个定律称为哈勃定律，比例常数H称为哈勃常数。按照哈勃定律，所有的河外星系都在远离我们，而且，离我们越远的河外星系，逃离得越快。 哈勃定律反映的规律与宇宙膨胀理论正好相符。个别星系的紫移可以这样解释，本星系团内部各星系要围绕它们的共同重心转动，因此总会有少数星系在一定时间内向我们的银河系靠近。这种紫移现象与整体的宇宙膨胀无关。 哈勃定律大大支持了弗利德曼的宇宙模型。不过，如果查看一下当年哈勃得出定律时所用的数据图，人们会感到惊讶。在距离与红移量的关系图中，哈勃标出的点并不集中在一条直线附近，而是比较分散的。哈勃怎么敢于断定这些点应该描绘成一条直线呢?一个可能的答案是，哈勃抓住了规律的本质，抛开了细节。另一个可能是，哈勃已经知道当时的宇宙膨胀理论，所以大胆认为自己的观测与该理论一致。以后的观测数据越来越精，数据图中的点也越来越集中在直线附近，哈勃定律终于被大量实验观测所确认。 4、宇宙有限还是无限 现在，我们又回到前面的话题，宇宙到底有限还是无限?有边还是无边?对此，我们从广义相对论、大爆炸宇宙模型和天文观测的角度来探讨这一问题。 满足宇宙学原理(三维空间均匀各向同性)的宇宙，肯定是无边的。但是否有限，却要分三种情况来讨论。 如果三维空间的曲率是正的，那么宇宙将是有限无边的。不过，它不同于爱因斯坦的有限无边的静态宇宙，这个宇宙是动态的，将随时间变化，不断地脉动，不可能静止。这个宇宙从空间体积无限小的奇点开始爆炸、膨胀。此奇点的物质密度无限大、温度无限高、空间曲率无限大、四维时空曲率也无限大。在膨胀过程中宇宙的温度逐渐降低，物质密度、空间曲率和时空曲率都逐渐减小。体积膨胀到一个最大值后，将转为收缩。在收缩过程中，温度重新升高、物质密度、空间曲率和时空曲率逐渐增大，最后到达一个新奇点。许多人认为，这个宇宙在到达新奇点之后将重新开始膨胀。显然，这个宇宙的体积是有限的，这是一个脉动的、有限无边的宇宙。 如果三维空间的曲率为零，也就是说，三维空间是平直的(宇宙中有物质存在，四维时空是弯曲的)，那么这个宇宙一开始就具有无限大的三维体积，这个初始的无限大三维体积是奇异的(即“无穷大”的奇点)。大爆炸就从这个“无穷大”奇点开始，爆炸不是发生在初始三维空间中的某一点，而是发生在初始三维空间的每一点。即大爆炸发生在整个“无穷大”奇点上。这个“无穷大”奇点。温度无限高、密度无限大、时空曲率也无限大(三维空间曲率为零)。爆炸发生后，整个“奇点”开始膨胀，成为正常的非奇异时空，温度、密度和时空曲率都逐渐降低。这个过程将永远地进行下去。这是一种不大容易理解的图像：一个无穷大的体积在不断地膨胀。显然，这种宇宙是无限的，它是一个无限无边的宇宙。 三维空间曲率为负的情况与三维空间曲率为零的情况比较相似。宇宙一开始就有无穷大的三维体积，这个初始体积也是奇异的，即三维“无穷大”奇点。它的温度、密度无限高，三维、四维曲率都无限大。大爆炸发生在整个“奇点”上，爆炸后，无限大的三维体积将永远膨胀下去，温度、密度和曲率都将逐渐降下来。这也是一个无限的宇宙，确切地说是无限无边的宇宙。 那么，我们的宇宙到底属于上述三种情况的哪一种呢?我们宇宙的空间曲率到底为正，为负，还是为零呢?这个问题要由观测来决定。 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，大约是每立方米三个核子(质子或中子)。如果我们宇宙中物质的密度ρ大于ρc，则三维空间曲率为正，宇宙是有限无边的；如果ρ小于ρc，则三维空间曲率为负，宇宙也是无限无边的。因此，观测宇宙中物质的平均密度，可以判定我们的宇宙究竟属于哪一种，究竞有限还是无限。 此外，还有另一个判据，那就是减速因子。河外星系的红移，反映的膨胀是减速膨胀，也就是说，河外星系远离我们的速度在不断减小。从减速的快慢，也可以判定宇宙的类型。如果减速因子q大于1/2，三维空间曲率将是正的，宇宙膨胀到一定程度将收缩；如果q等于1/2，三维空间曲率为零，宇宙将永远膨胀下去；如果q小于1/2，三维空间曲率将是负的，宇宙也将永远膨胀下去。 表3列出了有关的情况： 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 膨胀特点 ρ＞ρc q＞1/2 正 有限无边 脉动 ρ＝ρc q＝1/2 零 无限无边 永远膨胀 ρ＜ρc q＜1/2 负 无限无边 永远膨胀 我们有了两个判据，可以决定我们的宇宙究竟属于哪一种了。观测结果表明，ρ＜ρc，我们宇宙的空间曲率为负，是无限无边的宇宙，将永远膨胀下去!不幸的是，减速因子观测给出了相反的结果，q＞1/2，这表明我们宇宙的空间曲率为正，宇宙是有限无边的，脉动的，膨胀到一定程度会收缩回来。哪一种结论正确呢?有些人倾向于认为减速因子的观测更可靠，推测宇宙中可能有某些暗物质被忽略了，如果找到这些暗物质，就会发现ρ实际上是大于ρc的。另一些人则持相反的看法。还有一些人认为，两种观测方式虽然结论相反，但得到的空间曲率都与零相差不大，可能宇宙的空间曲率就是零。然而，要统一大家的认识，还需要进一步的实验观测和理论推敲。今天，我们仍然肯定不了宇宙究竟有限还是无限，只能肯定宇宙无边，而且现在正在膨胀!此外，还知道膨胀大约开始于100亿-200亿年以前，这就是说，我们的宇宙大约起源于100亿-200亿年之前。 5、爱因斯坦宇宙模型 根据物理理论，在一定的假设前提下提出的关于宇宙的设想与推测，称为宇宙模型。 著名科学家爱因斯坦于1915年建立了广义相对论的物理理论。这一理论认为，宇宙中没有绝对空间和绝对时间，无论是空间和时间都不能与物质隔开来，空间和时间均受物质影响；引力是空间弯曲的效应，而空间弯曲是由物质存在决定的。爱因斯坦将他的理论应用于宇宙研究，1917年发表了《根据广义相对论的宇宙学考察》的论文，他将广义相对论的引力场方程用于整个宇宙，建立起一种宇宙模型。 当时科学家普遍认为宇宙是静止的，不随时间变化的。虽然在几年前，美国天文学家斯里弗已发现了河外星系的谱线红移(显然这是对静止宇宙的挑战)，但由于当时正值第一次世界大战，这一消息并没有传到欧洲。因此，爱因斯坦也和大多数科学家一样，认为宇宙是静态的。爱因斯坦想从引力场方程着手，得出一个宇宙是静态的、均匀的、各向同性的答案。但他得到的解是不稳定的，表明全间和距离不是恒定不变的，而是随时变化的。为了得到一个空间是稳定的解，爱因斯坦人为地在引力场方程中引入一个叫做“宇宙常数”的项，让它起斥力的作用。爱因斯坦得出一个有限无边的静态宇宙模型，称为爱因斯坦宇宙模型。为了便于理解，可把它比喻为三维空间中的一个二维球面：球面的面积是有限的、但沿着球面没有边界，也无中心，球面保持静态状态。几年以后，爱因斯坦得知河外星系退行，宇宙是膨胀的消息后，非常后悔在自己的模型中加了一个宇宙常数项，称这是他一生中犯的最大错误。