(一) 宇宙起源与演化问题的由来
无限的宇宙到底有没有起源和终结,它是否永远地演化?这个问题千百年来一直困绕着人们。科学史上,人们曾提出过很多宇宙模型。牛顿也曾提出一个无限宇宙模型,在这个模型里时间是均匀流失且无始无终,空间是平直且无边无际,物质在空中大致均匀分布且作永不停息的运动,而整个宇宙处于相对稳定的状态。这个理论有两个突出问题:一个是和牛顿自己的引力理论相矛盾,一个是可以推出地球上夜间和白天一样亮。因为如果物质均匀地分布在宇宙空间里,那么任意有限区域的物质(质量有限)将被区域外的物质(质量总和为晚限大)所吸引,有限区域内的物质无法依靠自身的引力收缩成星体。又因为如果宇宙是均匀、平直和无限的,那么有无限多个恒星可以把光线直接射到地球上,使得地球上接收到的光子数比白天太阳所辐射到的光子数多得多,夜间不会黑暗。
1917年,爱因斯坦根据相对论的基本原理建立起有限无边的宇宙模型。在这个模型里,时间和空间是与物质的存在和运动相联系在一起的,时空形态会因物质存在其中而发生弯曲,物质的质量密度越大,所处的时空就越弯曲。就空间的广延性来说,它是一个闭合的连续区,是体积有限的弯曲封闭体,因此没有边界。有限无边的宇宙模型克服了牛顿无限宇宙模型带来的困难,但尚需加以丰富和发展。
随着大型天文望远镜对银河外星系的普遍观测,人们发现河外星系普遍存在着光谱红移的现象。1929年,美国天文学家哈勃通过对他自己所做的大量观测的分析,总结出一条规律:星系离银河系愈远,它的红移量愈大;红移量与距离成正比。这就是所谓的“哈勃定律”。根据物理学中多普勒效应,红移现象意味着星系普遍处于相互分离运动状态。根据哈勃的解释,整个宇宙正处于膨胀状态。由此,人们便会提出以下问题:宇宙膨胀的起点是什么?现有的天体系统是如何由起点演变过来的?这实际上宇宙的起源和演化问题。
后来人们发现,用广义相对论来讨论宇宙结构时,宇宙膨胀运动是它的一个自然结论。因此现代宇宙学总是把爱因斯坦的名字摆在其他创立者的前面。