渾天說和蓋天說是中國傳統(tǒng)上對宇宙的兩種看法，但這兩種說法所指的天——現(xiàn)代所說的宇宙——不過是地球表面的一小塊地方和在這片地方上的天空及天空中的一切。希臘人最早意識到了我們腳下所站立的地方是一個球，甚至還測出了地球的真實大小，而且認識到了日月星辰不受其他事務(wù)影響在天空中獨立的移動。但是他們認為這些東西都浮在一個透明的球殼上，而恒星是在最外面的球殼上的背景。一直到了19世紀(jì)，第一次測定了恒星與地球的距離后才對恒星間距離尺度有了認識。

離我們最近的恒星，距離有4.4光年，而周邊恒星的平均距離，是7.6光年。恒星的分布看起來并不是各個地方都一樣的，在一個橫斷天空的環(huán)形條帶中恒星多得多，顯得十分擁擠，它們的光融成一體，形成一條白霧狀的亮帶，我們稱它為銀河，在其他的天區(qū)里，恒星就要少得多了。19世紀(jì)，人們意識到了，許多的恒星聚集在一個形如凸透鏡的空間中，它闊而扁，中間厚邊緣薄。現(xiàn)在的研究讓我們知道這個透鏡狀的恒星集團直徑有十萬光年，包括3000億顆恒星，恒星平均質(zhì)量大約為太陽的一半?，F(xiàn)在，這個恒星集團被稱為銀河系。

1917年美國在加利福尼亞的威爾遜山上安裝了當(dāng)時最大最好的一臺望遠鏡（口徑100英寸合2.54米，到現(xiàn)在，中國最大的望遠鏡不過只有2米）。利用它，美國天文學(xué)家哈勃辨認出了仙女座星云邊緣處的單顆恒星，由此認定它是一個象銀河系一般大小的恒星集團，這是第一個被確認的，銀河系外的星系。

現(xiàn)在知道仙女座星系距我們230萬光年，而且在任何一個方向上，百億光年或更遠的范圍內(nèi)，還有著為數(shù)眾多的其他星系。整個宇宙是個大的星系集團，，這些星系在宇宙空間中均勻分布，每個星系都含有幾十億直到幾萬億顆恒星。而彼此距離較近的星系一般會結(jié)為星系團，它們靠相互間的引力維系在一起。比如我們所在的星系和仙女座星系以及大小麥哲倫云和二十來個其他星系（除了仙女座星系和我們，別的都很?。┙M成了本星系團。天空中能看到其他的星系團，有些要大得多，比如后發(fā)座有一個星系團，距我們1.2億光年，大約有一萬個星系。整個宇宙，大約有10億星系團，平均每個星系團有100個星系。

星系雖然十分遙遠，但是分析從那里來的光線，還是可以了解到它們的一些情況。

從任何一個物體發(fā)出的可見光都是由各種長短的能為我們的眼睛所感知的波長組成的，有些儀器能將這些波長分類，從最短到最長展寬為一條色帶，這色帶叫做光譜。比如，彩虹就是天然光譜。

把星光分解成光譜，會發(fā)現(xiàn)缺少某些波長的光，它們是被恒星上層大氣的冷氣體吸收掉了，在光譜條帶中就表現(xiàn)為暗線。每一種原子只能吸收特定波長的光，因此根據(jù)這些暗線我們就可以獲得關(guān)于目標(biāo)的化學(xué)組成的資料。

1842年，奧地利物理學(xué)家多普勒證明：如果一個物體發(fā)出固定波長的聲音，那當(dāng)物體離我們遠去時聲音波長會變長，當(dāng)朝我們接近時聲音波長會變短。 1848年法國物理學(xué)家斐索把這個原理應(yīng)用于光。根據(jù)這種效應(yīng)，恒星發(fā)出的光波，當(dāng)它運動著離開時波長會變長，光譜中的暗線也是如此，會朝光譜紅端移動（紅移）。當(dāng)向著我們運動的時候，波長變短，就是藍（紫）移了。

測量一顆恒星的光譜上特定暗線的位置，還能知道它運動的速度，這是因為運動速度與暗線移動距離相關(guān)，速度越大移動距離越大。1868年，第一次被應(yīng)用在天狼星上，測出它正離我們遠去。以后測得的大量數(shù)據(jù)表明，它們有的在向我們而來，有的在離我們而去，這結(jié)果是理所應(yīng)當(dāng)?shù)模驗殂y河系是一個整體，它既沒有朝我們運動也沒有背離我們而去。

1912年美國天文學(xué)家斯萊弗開始系統(tǒng)測定個星系的譜線移動，但結(jié)果顯示，除了本星系團以外的星系，表現(xiàn)出了驚人的一致性。不論哪種場合這些星系的光都只表現(xiàn)出紅移，無一例外的離我們遠去，而且速度非常高。離得近的也有幾百千米每秒。1929年，哈勃證明，退行速度與距離成正比，如果甲離我們的距離是乙的三倍，那它的退行速度也是三倍于乙。

為什么所有的星系都離開我們而去？為要解釋這種現(xiàn)象而又不認為我們所在的本星系團有什么不同的地方，只需要承認宇宙在膨脹，所有相鄰星系團之間的距離在不斷增加就行了。也就是說從任何一個星系團里望去，所有其他星系團都在做退行，而速度根距離成正比。

大爆炸以來，宇宙已經(jīng)膨脹了137億年，但不能單憑宇宙現(xiàn)在正在膨脹就斷言它將永遠膨脹下去，這取決于宇宙的引力大小。

“逃逸速度”，指的是離開一個物體，掙脫它的引力束縛所需要的速度。對于宇宙來說，它也有一個逃逸速度。各星系團在引力作用下相互吸引，但在大爆炸的力的作用下它們在反抗引力，向四外運動。這意味著可以靠引力拉力去減慢這種膨脹，一點一點的作用，最終有可能停止膨脹。一旦膨脹停止，各星系團就會在引力作用下聚攏，從而出現(xiàn)收縮宇宙。然而由于星系團之間運動的越來越遠，引力隨距離增大而減弱的特性會表現(xiàn)出來，使星系團之間的引力越來越弱。如果膨脹足夠快就會無法制止膨脹。防止膨脹停止所需的最小速度就是宇宙的逃逸速度。

如果各星系團以大于這個速度的膨脹速度分離，宇宙就會一直膨脹，直到熱寂，這就是開放宇宙的結(jié)局。如果膨脹速度小于逃逸速度，膨脹會逐漸停止，宇宙最終會實現(xiàn)收縮，重新形成宇宙蛋，以后，再在一次新爆炸中炸開，這就是一個閉合宇宙?，F(xiàn)在的問題集中于，宇宙膨脹速度是否超過逃逸速度。

逃逸速度取決于各星系團間彼此引力的大小，這又取決于各星系團的質(zhì)量和距離，為了計算方便，假定所有物質(zhì)均勻散布于整個宇宙。計算結(jié)果顯示，密度如果大約相當(dāng)于我們教室的空間內(nèi)有1000個氫原子，就能保證宇宙是閉合的。然而實際測量顯示宇宙平均密度只有上面的百分之一，這樣的結(jié)果遠不能使宇宙收縮，宇宙是開放的，將一直膨脹到熱寂。

如果對宇宙平均密度有絕對把握，結(jié)果就是如此。然而，在計算物質(zhì)時我們只計算了星系的質(zhì)量，位于星系外圍和星系之間的稀疏的塵埃、氣體和恒星，沒什么可靠的測量方法，它們幾乎完全不可見。然而世界上任何東西小的一定比大的數(shù)量多，很有可能大大低估了它們的值。

1977年哈佛研究人員通過X射線研究，報告說發(fā)現(xiàn)有跡象表明一些星系團周圍恒星和塵埃組成的暈圈擁有的質(zhì)量高達包含在內(nèi)的星系團內(nèi)星系質(zhì)量的5—10倍，這種暈圈如果普遍存在，就極大的增加了宇宙質(zhì)量，使開放宇宙變的不大可能。此外在對星系團的研究中，發(fā)現(xiàn)如果只計算星系團各成員星系的質(zhì)量，那它們的引力無法把它們維持在一起，顯然，星系外的質(zhì)量沒有計算進去，而它可能要大得多才能保證星系團的存在?？傊壳白C據(jù)暫時有利于開放宇宙，但閉合宇宙的可能性在不斷的變大。

但一個收縮宇宙會最終重現(xiàn)低熵宇宙蛋，這意味著抵觸了熱力學(xué)第二定律，這如何解釋？

熱力學(xué)第二定律，不過是普通經(jīng)驗的推廣，觀察到無論條件如何，第二定律似乎從未被違反，由此下結(jié)論說，第二定律不可能被違反。然而，有一件事實無法忽視，就是毫無例外的，是在一個膨脹宇宙中進行各種試驗、觀測。由此，至多只能說熱力學(xué)第二定律在膨脹宇宙中不可能被違反。

單憑觀測與實驗，關(guān)于熵與一個收縮宇宙間是什么關(guān)系什么也不能確定。完全可以假定，當(dāng)宇宙膨脹減慢時熵增加的趨勢慢慢減弱，而宇宙壓縮時，熵減少的趨勢占優(yōu)勢。這樣，可以認為在一個閉合宇宙中，熵在宇宙膨脹中會逐漸增加，在熱寂前，很可能發(fā)生逆轉(zhuǎn)，宇宙將收縮，熵在收縮階段逐漸減小。由于目前確定的宇宙質(zhì)量很小，假使它增長到能保證閉合宇宙，也只是夠數(shù)而已。這意味著宇宙膨脹和收縮都會以緩慢的速度變化，是一個長久的過程。

目前生活的宇宙，還處在比較短暫的快速膨脹期，宇宙膨脹速度還較快，對應(yīng)的，還將出現(xiàn)一個快速收縮期，每個時期只有幾百億年。兩個時期之間，將是一個漫長的實際上靜止的時期。

弗里德曼宇宙模型的一個解。在宇宙學(xué)原理這一前提下，解愛因斯坦引力場方程，得宇宙的動態(tài)時空度規(guī)。

“開放宇宙”是科學(xué)哲學(xué)家波普爾（1902—1994）的核心理念，由此他又得出為人們所熟悉的“開放社會”的思想（這個邏輯順序是重要的，但由于《開放宇宙》推遲了近30年才出版，讀者似乎只記住了政治哲學(xué)著作《開放社會》）。而普利高津（1917—2003）是一位非平衡態(tài)熱力學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)、復(fù)雜性科學(xué)的吶喊者，一位對自然哲學(xué)傾注了極大熱情的當(dāng)代科學(xué)家，一位對不可逆、時間之矢幾乎著了魔的當(dāng)代的赫拉克利特、“渾沌鑒賞家”、“古代阿爾戈英雄”。普利高津與“開放宇宙”有關(guān)系嗎？聯(lián)系緊密，只不過少有人關(guān)注。

20世紀(jì)的天文觀測表明，宇宙正處于膨脹的演化過程中.在時間上往過去反推，人們估計在100多億年前宇宙是處于極其緊致極其熾熱的所謂大爆炸奇性的狀態(tài)。宇宙的演化必須服從愛因斯坦引力場方程。但是不同的初始狀態(tài)會導(dǎo)致不同的演化。大爆炸奇性從何而來或者宇宙從何而來的所謂第一推動問題就擺到了宇宙學(xué)家的面前。

80年代初，科學(xué)家們提出了所謂的暴漲宇宙模型。在大統(tǒng)一破缺之后，宇宙有一個以指數(shù)形式膨脹的階段。由于這種暴漲，相當(dāng)任意選取的初始條件都會導(dǎo)致和今天觀察到的宇宙大致相等的結(jié)果：宇宙是非常平坦的，均勻的，各向同性的，以及宇宙中物質(zhì)分布的模式，如星系團、星系、恒星和生命形成等等。

但是人們必須為暴漲理論本身選取一些合適的參數(shù)。這樣宇宙初始條件的選取被轉(zhuǎn)變?yōu)檫@些參數(shù)的選擇。人們?nèi)匀粵]有徹底解決第一推動的問題，只不過是在一定程度上減弱了這個問題的尖銳性而已真正解決第一推動問題的是霍金提出的無邊界條件的量子宇宙論。在他的理論中，宇宙的誕生是從一個歐氏空間向洛氏時空的量子轉(zhuǎn)變，這就實現(xiàn)了宇宙的無中生有的思想。這個歐氏空間是一個四維球.在四維球轉(zhuǎn)變成洛氏時空的最初階段，時空是可由德西特度規(guī)來近似描述的暴漲階段.然后膨脹減緩，再接著由大爆炸模型來描寫.這個宇宙模型中空間是有限的，但沒有邊界，被稱作封閉的宇宙模型。

從霍金1982年提出這個理論之后，幾乎所有的量子宇宙學(xué)研究都是圍繞著這個模型展開。這是因為它的理論框架只對封閉宇宙有效。如果人們不特意對空間引入人為的拓撲結(jié)構(gòu)，則宇宙空間究竟是有限無界的封閉型，還是無限無界的開放型，取決于當(dāng)今宇宙中的物質(zhì)密度產(chǎn)生的引力是否足以使宇宙的現(xiàn)有膨脹減緩，以至于使宇宙停止膨脹，最后再收縮回去.這是關(guān)系到宇宙是否會重新坍縮或者無限膨脹下去的生死攸關(guān)的問題.

可惜迄今的天文觀測，包括可見的物質(zhì)以及由星系動力學(xué)推斷的不可見物質(zhì)，其密度總和仍然不及使宇宙停止膨脹的1/10 。不管將來進一步的努力是否能觀測到更多的物質(zhì)，無限膨脹下去的開放宇宙的可能性仍然呈現(xiàn)在人們面前。

可以想象，許多人曾嘗試將霍金的封閉宇宙的量子論推廣到開放的情形，但始終未能成功。今年2月5日，霍金及圖魯克在他們的新論文“沒有假真空的開放暴漲”中才部分實現(xiàn)了這個愿望。他仍然利用四維球的歐氏空間，由于四維球具有最高的對稱性，在進行解析開拓時，也可以得到以開放的三維雙曲面為空間截面的宇宙。這個三維雙曲面空間遵循愛因斯坦方程繼續(xù)演化下去，宇宙就不會重新收縮，這樣的演化是一種有始無終的過程。

霍金發(fā)表了這論文之后立即得到了國際學(xué)術(shù)界的反響。之后的20天(即2月25日)，他又寫了一篇短文為他的一些計算進行辯護。封閉宇宙的重新坍縮會把世上的一切再次帶回到極高溫的大擠壓狀態(tài)。而開放宇宙的無限膨脹的前景也不甚美妙，宇宙將無限冷卻下去，迄今沒有人設(shè)想過如何避免這兩種世界末日的來臨，因為它將發(fā)生于極其遙遠的將來。