在二十世紀(jì)初，宇宙的無(wú)限性，無(wú)論是作為一種科學(xué)理論還是哲學(xué)信條，都好象已經(jīng)成為定論。人們默認(rèn)了這樣一種宇宙結(jié)構(gòu)圖：宇宙空間是歐幾里得幾何的三維無(wú)限空間，無(wú)限的天體就分布在無(wú)限的空間之中。其實(shí)，當(dāng)時(shí)人們對(duì)宇宙的了解還少得可憐。在20世紀(jì)以前，人們知道太陽(yáng)系和無(wú)數(shù)的恒星(有人估計(jì)在1億顆以上)組成了一個(gè)星系——銀河系，銀河的形狀好象是一個(gè)中間凸起的盤(pán)子或者象一個(gè)凸透鏡。1900年，天文學(xué)家才測(cè)定了大約70顆恒星離開(kāi)我們的距離。1906年，荷蘭天文學(xué)家卡普坦(1851—1922)測(cè)量了銀河系的大小，他指出銀河系的直徑是2萬(wàn)3千光年(1光年等于每秒30萬(wàn)公里的光在一年里走過(guò)的距離),厚度是6千光年。到20世紀(jì)20年代，天文學(xué)家認(rèn)為：銀河系的直徑是10萬(wàn)光年，中心的厚度是2萬(wàn)光年，銀河系大約有1千億顆恒星。當(dāng)時(shí)所知道的宇宙范圍不超過(guò)20萬(wàn)光年，也就是只包含我們的銀河系和另外兩個(gè)相鄰的星系。這時(shí)候，科學(xué)家對(duì)宇宙中星系的了解，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如伽利略時(shí)代人們對(duì)太陽(yáng)系中行星的了解。就在這個(gè)極低的起點(diǎn)上，1917年，愛(ài)因斯坦運(yùn)用廣義相對(duì)論，提出了關(guān)于宇宙的模型，開(kāi)創(chuàng)了宇宙學(xué)的理論研究。
愛(ài)因斯坦放棄無(wú)限空間的概念，建立了靜態(tài)有限無(wú)邊的宇宙模型。他主張宇宙從它的空間廣延來(lái)說(shuō)是一個(gè)閉合的連續(xù)區(qū)，這個(gè)連續(xù)區(qū)的體積是有限的，是一個(gè)彎曲的封閉體，因此沒(méi)有邊界。天體分布在彎曲的無(wú)邊的封閉體里。
愛(ài)因斯坦從無(wú)限宇宙觀走向有限宇宙觀，提出了有限無(wú)邊的宇宙模型。這是和人們的直接感覺(jué)經(jīng)驗(yàn)相反的，在一開(kāi)始也是很難理解的。要理解有限無(wú)邊的宇宙模型，就要懂得相對(duì)論，懂得四維空間結(jié)構(gòu)和黎曼幾何學(xué)，懂得光線和空間會(huì)發(fā)生彎曲。如果承認(rèn)光線會(huì)發(fā)生彎曲，那么也就容易理解宇宙是有限的了。正象你沿著地球表面一直向前走，就會(huì)隨著地表而彎曲，永遠(yuǎn)走不到地球外面去一樣。
愛(ài)因斯坦的有限無(wú)邊模型只是一個(gè)大膽的假說(shuō)或推論，哪些內(nèi)容是正確的，哪些內(nèi)容是錯(cuò)誤的，一時(shí)很難完全弄清。這個(gè)模型提出不久，有人就根據(jù)廣義相對(duì)論的引力場(chǎng)方程的解，指出宇宙不是靜態(tài)的，而是不斷膨脹的。圍繞宇宙是不斷膨脹的觀點(diǎn)，形成和發(fā)展了兩種現(xiàn)在比較流行的宇宙學(xué)說(shuō)。
宇宙這個(gè)詞，在科學(xué)家和哲學(xué)家的頭腦里可能意味著不同的概念。現(xiàn)代科學(xué)家一般認(rèn)為，宇宙就是我們現(xiàn)在所能觀測(cè)的天體和空間的總和。因?yàn)樵诳茖W(xué)家的頭腦里，空間可能是彎曲的閉合區(qū)，宇宙自然可能是有限的。哲學(xué)家認(rèn)為，宇宙就是無(wú)限的物質(zhì)和無(wú)限的空間。我們?cè)谙旅嫠f(shuō)的宇宙，也是指現(xiàn)在所能觀測(cè)的天體的空間的總和，而不是指哲學(xué)意義的宇宙。
宇宙是不斷膨脹的觀點(diǎn)，不但來(lái)自引力場(chǎng)方程的解，也來(lái)自實(shí)際觀測(cè)的推論。在實(shí)際觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，許多星系的光譜都有紅移現(xiàn)象。天文學(xué)家知道，當(dāng)發(fā)光體向離開(kāi)我們的方向運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，我們接收到的光譜線向紅端移動(dòng)。星系的光譜紅移意味著星系是在離開(kāi)我們而運(yùn)動(dòng)，也就是在退行。如果宇宙中所有的星系都在退行，那么就好象一個(gè)氣球上各點(diǎn)之間由于氣球膨脹而距離增大一樣，說(shuō)明宇宙在膨脹。1929年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃(1889—1953)發(fā)現(xiàn)了星系退行速度和離我們的距離成正比，也就是離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系退行速度越快，這個(gè)規(guī)律就叫哈勃定理。哈勃定理不斷得到天文觀測(cè)資料的證實(shí)。
宇宙為什么會(huì)膨脹呢？1927年，比利時(shí)數(shù)學(xué)家勒梅特(1894—1966)提出大爆炸說(shuō)。他認(rèn)為宇宙間一切都起自一個(gè)超高溫、超高密的“宇宙蛋”,由于某種原因突然發(fā)生了大爆炸，各個(gè)碎片向四面八方飛去，形成了無(wú)數(shù)的星系。到20世紀(jì)40年代末期，不少物理學(xué)家和天文學(xué)家解釋、計(jì)算和論證了宇宙起源于大爆炸的說(shuō)法，以及大爆炸以后星系怎樣形成、演化和運(yùn)動(dòng)等問(wèn)題。1949年，俄國(guó)血統(tǒng)的美籍物理學(xué)家蓋莫夫(1904—1968)預(yù)言，大爆炸以后存在“宇宙灰燼”,它產(chǎn)生彌漫于整個(gè)空間的、相當(dāng)于絕對(duì)溫度5度(攝氏零下268度)的輻射。
大爆炸以前的“宇宙蛋”是怎樣形成的呢？一些天文學(xué)家設(shè)想，它是由宇宙間的原始星云在引力聚集下形成的。宇宙演化過(guò)程是一個(gè)循環(huán)過(guò)程，由爆炸而膨脹，當(dāng)膨脹到一定階段又開(kāi)始收縮。1965年，有人提出宇宙的一個(gè)循環(huán)周期是820億年。
大爆炸學(xué)說(shuō)是把宇宙看做一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的、不斷演化的整體，實(shí)際上也認(rèn)為宇宙是有限的，并且指出宇宙的空間范圍大約是100億光年(也有人認(rèn)為現(xiàn)在的觀測(cè)范圍達(dá)到200億光年),這是我們現(xiàn)在所能觀測(cè)到的最遠(yuǎn)范圍。1960年，發(fā)現(xiàn)90億光年遠(yuǎn)的星系的運(yùn)行速度大約是每秒24萬(wàn)公里，也就是光速的五分之四。按照哈勃定理，離我們110億光年遠(yuǎn)的星系就應(yīng)該用光速退行，它所發(fā)出的光永遠(yuǎn)也到達(dá)不了我們這里，可以說(shuō)這個(gè)星系離開(kāi)我們這個(gè)宇宙消失了。在更遠(yuǎn)的地方，如果沒(méi)有星系存在，那么就應(yīng)該用超過(guò)光速的速度退行，而根據(jù)相對(duì)論，這是不可能的。比110光年更遠(yuǎn)地方的情況怎樣呢？現(xiàn)代的天文學(xué)家認(rèn)為，那不在我們所談?wù)摰倪@個(gè)宇宙范圍里。
和大爆炸學(xué)說(shuō)相對(duì)立，1948年，英國(guó)天文學(xué)家邦迪(1919—)、霍伊耳和哥爾德(1920—)提出穩(wěn)恒態(tài)學(xué)說(shuō)。這個(gè)學(xué)說(shuō)后來(lái)又被其他天文學(xué)家發(fā)展了。穩(wěn)恒態(tài)學(xué)說(shuō)也同意星系在退行，宇宙在膨脹，但是不同意現(xiàn)在的宇宙是在大爆炸以后產(chǎn)生的。他們認(rèn)為，當(dāng)我們宇宙中的星系因?yàn)榕蛎浂纳㈦x去，最后達(dá)到光速而消失的時(shí)候，又有新的星系形成，空間中的星系密度是不變的，宇宙維持穩(wěn)恒狀態(tài)。穩(wěn)恒態(tài)學(xué)說(shuō)認(rèn)為，產(chǎn)生新星系的物質(zhì)是從宇宙膨脹的能量轉(zhuǎn)化而來(lái)的，只要在1升的體積里每5千億年平均產(chǎn)生一個(gè)氫原子，就能夠滿(mǎn)足產(chǎn)生新星系所需要的物質(zhì)了。
大爆炸學(xué)說(shuō)、穩(wěn)恒態(tài)學(xué)說(shuō)以及我們沒(méi)有介紹的其他學(xué)說(shuō)，還有前面提到的恒星演化理論，都要接受天文學(xué)新發(fā)現(xiàn)的檢驗(yàn)。