爱华网“稻花香里说丰年，听取蛙声一片”，无人不为这句诗词所描绘的大自然的美景而感慨。自然界的美通常意味着一种和谐匀称的景象，物理学也不例外，不 过作为描述自然界中物质基本结构和运动规律的一门学科，它的美更朴实。本 文要说的是：什么是物理学中的美，即物理学中的美学准则是什么，它们在物 理学中发挥怎样的作用？
简单、对称、统一就是物理学之美。从某种意义上讲，它们是评价物理学理论 的最高标准。首先谈谈简单性。自然界的现象是错综复杂的，然而背后隐藏的 规律确是简单的。物理学正是建筑在这一基础之上，任何物理理论，归根到底 只有少数几条基本的假定：经典力学建立在牛顿三定律之上，电动力学建立在 法拉第的“场”和麦克斯韦方程组之上，狭义相对论建立在狭义相对性原理与 光速不变假定之上，量子力学建立在波函数与薛定谔方程之上……这些简单的 假定是从大量的自然现象和物理实验中抽取并提升出来的，然而，建之于上的 物理理论反过来却能解释几乎所有的自然现象，并在生产实践中得到广泛的应 用，极大的推动生产力的发展。
有两个理论，几乎能解释同样多的事实，谁简单，物理学将选择谁。考虑一个 简单的问题，为什么人们最初都认为太阳及其它行星围绕地球转，而不是行星 （含地球）围绕太阳转？这也是出于简单性的考虑：人们最初天文知识少，只 能通过肉眼观察；太阳朝起夕落，认为太阳及其它行星围绕地球转自然是方便 的事情。但是随着技术的进步，人们的天文观测越来越精密，为了解释“太阳 系”的许多现象，如地球的四季变化，日食和月食，土星、木星位置的异常变 化等，伟大的几何学家托勒密在前人的基础上创立了严密的“地心说”，解释 了当时的绝大部分观察现象。“地心说”的基本要义是：（１）地球是圆的， 静止地位于宇宙的中心；（２）太阳及其它行星绕地球转动，基本轨道（称为 １级轨道）是圆周，一般来说，太阳或行星并不恰好处于１级轨道上，而是绕 １级轨道上的点作半径更小的圆周（称为２级轨道）运动。这样，整个“太阳 系”就像一个齿轮嵌套体系：１级轨道是一些大齿轮，２级轨道是一些较小的 齿轮，大齿轮传动小齿轮。最初齿轮数目还不多，但随着观察水平的提高，托 勒密又不得不在小齿轮上套上更小的齿轮，越套越多，最后竟达８０个之多。 面对着这么多的齿轮，天才的哥白尼站了出来，说：“不，太阳系应该是简单 的！我们若将太阳和地球换个位置，托勒密的齿轮至少能扔掉一半以上，太阳 系也就变得井然有序了。”这就是“日心说”，物理学最终选择了它。试问： 从相对运动的观点来看（不考虑动力学的原因），选择地球为参考系和选择太 阳为参考系，没有理由说谁更优越，为什么要抛弃“地心说”而承认“日心说 ”呢？两个字：简单——“日心说”后经开普勒的改造只剩三条定律，但太阳 系各行星运动规律尽在其中。
接下来谈对称性。很早以前，古希腊人就认为球是最完美的图形，为什么？球 有几大显著特点：（１）将它绕直径旋转任意角度仍与之重合；（２）将它相 对于过球心的平面镜作镜像仍与之重合；（３）将它上的每一点与球心连线并 在延长线上取到球心距离与该点到球心距离相等的点组成的图形仍与之重合。 这就是对称，它们分别是我们通常所说的旋转对称、镜像对称和中心对称，均 属于直观上的几何对称。 物理学中的对称则有更加深刻的含义，它是指某类对 象的全体（在数学上通常称为集合，用Ｓ标记）在某种操作（数学上称为变换， 用Ｔ标记）下不变的性质。为将这个抽象的概念解释清楚，先介绍一下变换Ｔ， 它是一种法则（记住：它不一定能写成显明的表达式），你在Ｓ中任意选一个 元素（即上面所指的某类对象），根据这种法则，我总可以在Ｓ中选一个元素 与之对应。譬如，设Ｓ为全体实数，Ｔ为三次方运算，你给一个数，好比说是 ２，我就能在Ｓ中找到８，也就是说Ｔ将Ｓ中的２变换到Ｓ中的８；在高中我 们就知道，Ｓ中的所有元素经Ｔ变换后得到的元素恰好布满Ｓ，不多不少。我 们将满足这一条件的Ｔ称为Ｓ上的满变换，同时说Ｓ在变换Ｔ下是不变的，即 Ｓ具有某种对称性。
下面用这种抽象的对称概念来考察一下前面提到的球的直观的几何对称，譬如 说旋转对称。为叙述方便，将球心放在坐标系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）的原点，并取旋 转轴为Ｚ轴。设Ｓ为球上所有点组成的集合，Ｔ为使Ｓ上的任意一点绕Ｚ转一 个任意角度的变换，利用转轴公式可证明Ｔ是Ｓ上的满变换，根据我们的抽象 定义就可以说球具有某种对称性，这种对称性与旋转有关，故称为旋转对称。 对应于不同的旋转角度就有不同的变换Ｔ，其中有一个特殊的变换，它对应的 旋转角度为零，称为单位变换；将绕Ｚ轴旋转一个角度（对应的变换记为Ｔ） 后又继续旋转另一个角度（对应的变换记为Ｔ）的总变换称为变换Ｔ与Ｔ 的合成变换，在这里它显然满足结合律；绕Ｚ轴顺时针旋转一个角度的变换与 绕Ｚ轴逆时针旋转一个相同角度的变换互为逆变换，因为它们的合成变换为单 位变换。如果将绕Ｚ轴转任意角度的变换的全体记为Ｇ，则Ｇ中包含单位变换、 互逆变换和合成变换，且合成变换满足结合律，这恰好符合“群”的四个条件， 因而称之为Ｓ的一个变换群，只要找到了Ｓ的所有变换群，就完全刻画了它的 对称性。
所有的物理理论都有自己的变换群：伽利略变换的全体构成牛顿力学的变换群； 洛仑兹变换的全体构成电动力学和狭义相对论的变换群；时空的任意坐标变换 构成广义相对论的变换群……它们各自的基本方程在自己的变换群下形式是不 变的，它们都是对称的理论。广义相对论之所以能震撼几乎所有物理学家的心 灵就在于它的变换群是我们四维时空中最广泛、最一般的变换群。
每一种对称性总伴随着一个守恒量（诺德尔定理）：空间平移对称导致动量守 恒；时间平移对称导致能量守恒；空间旋转对称导致角动量守恒；电荷共轭对 称导致电量守恒；空间镜相对称导致宇称守恒……
近五十年来，粒子物理与场论飞速发展，对称性的指引在其中起了决定性的作 用。在粒子物理中，物理学家根据对称性预言并发现新粒子，正电子、欧米格 负粒子和顶夸克等就是极好的例证。在场论中，“对称决定相互作用”：杨振 宁和米尔斯根据某种对称性提出了著名的杨－米尔斯场论，该理论的变换群决 定了无质量的粒子（称为“规范玻色子”）的数目和性质，规范玻色子在粒子 之间来回跳舞就产生了相互作用，不同的玻色子决定不同的相互作用，如光子 决定电磁相互作用，Ｗ或Ｚ玻色子决定弱相互作用，胶子决定强相互作用，据 推测引力相互作用是由引力子决定的（未证实）。
对称是美好的，然而在物理学中却发生了一些奇特的事情：杨振宁和李政道提 出弱相互作用中宇称不守恒并为吴健雄所证实；宇宙中正物质显著的多于反物 质；用杨－米尔斯场论产生有质量的粒子需要引进一个非对称的希格玛场。这 些事实都要求对称性自发破缺，自发破缺的机理是什么？这或许是下个世纪的 问题。
最后谈谈统一性。统一就是要求理论在不附加太多的基本假定的基础上尽可能前后一致地解释更多的物理现象：牛顿力学几乎能描述所有宏观低速的运动（ 也包括分子热运动和声）；电动力学能描述大多数电磁现象；量子力学能很好的解释微观粒子的运动……众所周知，目前自然界普遍存在四种力：强相互作 用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用，它们决定了现今自然界的各 种物质运动。物理学的终极目标就是要将四种力统一成一种力，即所谓的大统 一。
向大统一进军的先锋当属爱因斯坦，当它完成广义相对论后，立即想到要将引力和电磁力统一为一种力（那时人们还仅知道这两种相互作用）。爱因斯坦创 立广义相对论时考虑到空间的物质分布和等效原理（惯性质量和引力质量本质 上是一个质量）将时空考虑成弯曲的，从而将引力几何化，取得了非凡的成功。 他的下一个思路是：能否将引力场和电磁场的总场几何化来统一两种力，几乎半个世纪，他未取得实质性进展，直至临终时，他对一个朋友说：“看来我是 完成不了这项事业，不久它就会被遗忘，但终有一天它会被重新唤起。”果如 其所料，不久杨振宁与米尔斯发表了著名的杨－米尔斯场论，为攻进大统一的 城堡打开了一个缺口，在此基础上，盖尔曼、格拉肖、萨拉姆和温伯格等人迅 速建立了弱电统一理论，随后格拉肖、乔治等建立了强弱电统一理论（也有人 称之为大统一理论）。看来离最终目标仅差一步，然而很多事实表明引力可能 是个例外，这一步或许是难以逾越的鸿沟。令人哭笑不得的是：引力是人类最先认识到的一种力，到头来对它却最没有把握，甚至有人怀疑它是否真的是基本的。
以上谈到了物理尤其是理论发展过程中简单性、对称性和统一性所起的作用。 它们三者并不是孤立的：对称则统一，统一则简单；它们构成了物理学的美学 准则。在过去，它们是评价一个理论好坏的标准；在今天，它们已成为构造一 个新理论的出发点，将新理论限制到只有少数几种可能；在将来，它们将继续指引我们物理前进的方向，从这个意义上来讲，或许比实验更重要。 关于宇宙的资料[百度知道]
“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。
最新发现：银河系奇异恒星的伴星现身
科学家利用NASA的远紫外谱仪探索卫星首次探测到船底座伊塔星(Eta Carinae)的伴星。船底座伊塔星是银河系中最重最奇异的星体，座落在离地球7500光年船底座，在南半球用肉眼就可以清楚的看到。科学家认为船底座伊塔星是一个正迅速走向衰亡的不稳定恒星。
长期以来，科学家们就推断它应该存在着一颗伴星，但是一直得不到直接的证据。间接的证据来自其亮度呈现的规则变化。科学家发现船底座伊塔星在可见光，X-射线，射电波和红外线波段的亮度都呈现规则的重覆模式，因此推测它可能是一个双星系统。最有力的证据是每过5年半，船底座伊塔星系统发出的X-射线就会消失约三个月时间。科学家认为船底座伊塔星温度太低，本身并不能发出X-射线，但是它以每秒300英里的速度向外喷发气体粒子，这些气体粒子和伴星发出的粒子相互碰撞后发出X-射线。科学家认为X-射线消失的原因是船底座伊塔星每隔5年半就挡住了这些X-射线。最近一次X-射线消失开始于2003年6月29日。
科学家推断船底座伊塔星和其伴星的距离是地球到太阳之间的距离的10倍，因为它们距离太近，离地球又太远，无法用望远镜直接将它们区分开。另外一种方法就是直接观测伴星所发出的光。但是船底座伊塔星的伴星比其本身要暗的多，以前科学家曾经试图用地面望远镜和哈勃望远镜观测，但都没有成功。
美国天主教大学的科学家罗辛纳. 而平(Rosina Iping)及其合作者利用远紫外谱仪卫星来观测这颗伴星，因为它比哈勃望远镜能观测到波长更短的紫外线。它们在6月10日，17日观测到了远紫外线，但是在6月27日，也就是在X-射线消失前的两天远紫外线消失了。观测到的远紫外线来自船底座伊塔星的伴星，因为船底座伊塔星温度太低，本身不会发出远紫外线。这意味着船底座伊塔星挡住了X-射线的同时也挡住了伴星。这是科学家首次观测到船底座伊塔星的伴星发出的光，从而证实了这颗伴星的存在。
有三个太阳的恒星
据新华社14日电 据14日出版的《自然》杂志报道，美国天文学家在距离地球149光年的地方发现了一个具有三颗恒星的奇特星系，在这个星系内的行星上，能看到天空中有三个太阳。
美国加州理工学院的天文学家在该杂志上报告说，他们发现天鹅星座中的HD188753星系中有3颗恒星。处于该星系中心的一颗恒星与太阳系中的太阳类似，它旁边的行星体积至少比木星大14%。该行星与中心恒星的距离大约为800万公里，是太阳和地球之间距离的二十分之一。而星系的另外两颗恒星处于外围，它们彼此相距不远，也围绕中心恒星公转。
银河系中的星系多为单星系或双星系，具有三颗以上恒星的星系被称为聚星系，不太多见。
恒星并不是平均分布在宇宙之中，多数的恒星会受彼此的引力影响，形成聚星系统，如双星、三恒星，甚至形成星团，及星系等由数以亿计的恒星组成的恒星集团。
天文学家发现宇宙中生命诞生是普遍的现象
近日美国宇航局寻找地球以外生命物质存在证据的科研小组研究发现，某些在实际生命化学反应中起到至关重要作用的有机化学物质，普遍存在于我们地球以外的浩瀚宇宙中。研究结果表明，在宇宙深处存在生命物质、或者有孕育生命物质的化学反应发生，这在浩瀚的宇宙中是一种普遍现象。
上述研究来自“美国宇航局艾姆斯研究中心(NASA Ames Research Center)”的一个外空生物科研小组。在该小组工作的科学家道格拉斯-希金斯介绍时称：“根据科研小组最新的研究结果显示，一类在生物生命化学中起至关重要作用的化合物，在广袤的宇宙空间中广泛而且大量地存在着。” 作为该外空生物学研究小组的主要成员之一，道格拉斯-希金斯以第一作者的身份将他们的最新研究成果撰文发表在10月10日出版的《天体物理学》杂志上。
希金斯在描述其研究结果时介绍：“利用美国宇航局斯皮策太空望远镜(Spitzer Space Telescope)最近的观测结果，天文学家在我们所居住的银河系内，到处都发现了一种复杂有机物‘多环芳烃’(PAHs)存在的证据。但是这项发现一开始只得到天文学家的重视，并没有引起对外空生物进行研究的天体生物学家们的兴趣。因为对于生物学而言，普通的多环芳烃物质存在并不能说明什么实质问题。但是，我们的研究小组在最近一项分析结果中却惊喜的发现，宇宙中看到的这些多环芳烃物质，其分子结构中含有‘氮’元素(N)的成分，这一意外发现使我们的研究发生了戏剧性改变。”
该研究小组的另一成员，来自美国宇航局艾姆斯研究中心的天体生物学家路易斯-埃兰曼德拉说：“包括DNA分子在内，对于大多数构成生命的化学物质而言，含氮的有机分子参与是必须的条件。举一个含氮有机物质在生命物质意义上最典型的例子，象我们所熟悉的叶绿素，其对于植物的光合作用起着关键作用，而叶绿素分子中富含这种含氮多环芳烃(PANHs)成分。”
据介绍，在科研小组的研究工作中，除了利用来自斯皮策望远镜得到的观测数据外，科研人员还使用了欧洲宇航局太空红外天文观测卫星的观测数据。在美国宇航局艾姆斯研究中心的实验室中，研究人员对这类特殊的多环芳烃，利用红外光谱化学鉴定技术对其分子结构和化学成分进行了全面分析，找到其中氮元素存在的证据。同时科学家利用计算机技术对这些宇宙中普遍存在的含氮多环芳烃，进行了红外射线光谱模拟分析。
路易斯-埃兰曼德拉同时还表示：“除去上述分析结论以外，更加富有戏剧性的发现是，在斯皮策太空望远镜的观测中还显示出，在宇宙中一些即将死亡的恒星天体周围，环绕其外的众多星际物质中，都大量蕴藏着这种特殊的含氮多环芳烃成分。这一发现从某种意义上似乎也告诉我们，在浩瀚的宇宙星空中，即使在死亡来临的时候，同时也孕育着新生命开始的火种。”
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