宇宙是不是永恒的？到底有多大？

宇宙到底到底是什么样，有多大，从古至今都是让很多学者很纠结的问题。最早的时候，人们对于宇宙的观念大概是这样的，地球是宇宙的中心，而宇宙是永恒的，宇宙的大小就是天球的大小。

而在我们国家战国时期的著作《尸子》就记载着：

上下四方曰宇，往古来今曰宙。

而古希腊时代，尤其是毕达哥拉斯及之后的时代，所适用的“宇宙”的词语，本意就是“一切物质和空间”。

哥白尼革命

对于宇宙的理解，发生第一次的跃迁来自于哥白尼的日心说，但这并不够准确，因为哥白尼只是在学术圈有一定的影响，真正扭转人们对宇宙理论的人应该是哥白尼、伽利略、开普勒。

哥白尼提出了日心说，但精度并不比地球说好。伽利略通过望远镜观测发现：并不是所有的天体都绕着地球转，木星就有自己的卫星。可以说是对地心说是一种釜底抽薪。同时他提出的惯性定律解决了“地球自转，而人跳起来还能落回原地”的问题开普勒提出开普勒三大定律，彻底解决了日心说的精度问题。

也就是说，从开普勒开始，地心说宣告了死亡。后来人也把这个过程称为：哥白尼革命。这时候的宇宙中心不再是地球，但人类对于宇宙的大小还毫无头绪。（或者我们说，这时的学者们还认为宇宙是永恒的。）

牛顿的纠结

开普勒并不是解决了所有的问题，开普勒在其老师第谷的“大数据”中发现了行星运动的轨道其实是椭圆的。

但开普勒也搞不清楚为什么轨道会是椭圆。这个问题也成为了开普勒之后的学者们重点思考的问题。最终，牛顿力压众多学者，提出了万有引力定律，解释了轨道为什么是椭圆的问题。牛顿力学在后来几位数学家的深化之后，成为了人类科学史上第一座高峰。利用这个理论可以解决很多问题，科学家甚至可以直接用笔计算预言海王星的存在。

但是，在牛顿时期，有个问题一直困扰着牛顿，这个问题其实和万有引力定律有关。我们都知道，物质之间是体现出引力的，那就会出现一个问题，如果宇宙有限大，那么宇宙终将在引力的作用下往中心聚拢，最后缩成一个点。而我们也知道，宇宙并没有这样。这让牛顿很纠结，使得他不得不假设宇宙是无限大的，处处都是中心，使得处处的引力都处于平衡状态，这样能避免这样的事情发生。

但是，没多久，就有人实力打脸牛顿，这个人叫做奥伯斯。他认为如果宇宙是无限大的，那意味着宇宙中有无限多的恒星，也就是说，宇宙中将会有无限多的光源，而这些光照射到地球上，就会使得地球晚上也像白天那样亮。但实际上，夜空还是黑暗的，因此，宇宙应该是有限大的。

当然，奥伯斯的时代对于“光速”，“宇宙的实际状态”都一无所知，因此，现在我们也管这个看法称为奥伯斯佯谬。

爱因斯坦开启的潘多拉盒子

时间一晃来到20世纪初，这是大师辈出的时代，20世纪初期相继出现了两场物理学改革，分别是量子力学和相对论。

其中爱因斯坦几乎以一人之力提出了相对论，我们现在知道，相对论总体上可以分为两大部分，分别是狭义相对论和广义相对论。其中，爱因斯坦在研究广义相对论时，得到了一个引力场方程。爱因斯坦发现，这个方程预示着一个膨胀的宇宙。这和长期以来“宇宙是永恒的观念”是矛盾的。于是，爱因斯坦在这个引力场方程中加入了一个宇宙学常数，使宇宙称为静态的宇宙，以此满足自己的观念。

但是有些人看不惯爱因斯坦这样的做法，勒梅特就提出了不同的意见，他认为宇宙有个炙热的奇点。隔年，哈勃发表了一篇论文，在这篇文章中，哈勃讲述了他发现了星系的红移。所谓红移，实际上是星系正在远离我们。

基于哈勃的发现，科学家们提出，并不是星系在运动，而是宇宙正在发生膨胀。这个膨胀应该这样去理解，是宇宙整体各个部分在膨胀。举个例子，如果用气球来代表宇宙，而气球上有很多小点，每个点都代表星系，宇宙膨胀就类似于把气球吹大。

所以，从大尺度上看（10^8光年的尺度上），星系都在远离我们，而不是有一些有些在靠近，有些在远离。不仅如此，离我们越远的星系，远离我们的速度越快。哈勃的发现也彻底反驳了爱因斯坦“宇宙是永恒的”观点。

那这和宇宙大小有什么关系呢？

从上文我们也提到了，“宇宙”这个词汇代表着一个集合，其中包含着时间、空间、能量和物质等。也就是说，我们要问“宇宙到底有多大”其实是不能脱离时间轴的，因为宇宙已经不再是一个永恒的宇宙了，而是一个动态的宇宙。所以，我们要用一个发展的眼光看宇宙。那具体是咋回事呢？

宇宙学

在上世纪的40,50年代，一批批物理学投身到这个领域当中，并且给出了一个模型。这个模型是基于宇宙大爆炸理论建立起来的。科学家发现，宇宙中存在这两种“力”的角逐，一个是可见物质和暗物质主导的“引力”，以及暗能量主导的“斥力”。

这两个力从宇宙诞生之初就开始缠斗，在138亿年前，宇宙起源于一次大爆炸。

在这之后，宇宙空间发生了一次剧烈的膨胀，远远小于1秒的时间内，宇宙膨胀到了原来的10^30次倍。不过，此时的宇宙还是可见物质和暗物质主动的宇宙，因此，宇宙开始进入到了减速膨胀的状态。而暗能量实际上和宇宙自身的大小有关，因此也被称为真空能量。在距今45亿年前左右，宇宙中的暗能量开始占据主导，宇宙从原本的减速膨胀转向了加速膨胀。

因此，用发展的眼光来看，宇宙的大小其实和宇宙自身是膨胀还是收缩有关。科学家找到了另外一个参数衡量宇宙的状态。这个参数就是宇宙实际密度与宇宙临界密度的比值。这里解释一下，所谓的宇宙临界密度是指宇宙处于静止或者缓慢膨胀的状态所对应的密度。这个密度特别小，比我们现在在地球上能做到的真空还要空，大概是一平方米只有一个氢原子的水平。如果实际密度大于临界密度，那宇宙未来会收缩到一个点，如果实际密度小于临界密度，那就预示着宇宙未来将会持续膨胀。