第8章
大约同时，在附近的普林斯顿的两位美国物理学家，罗伯特·狄克和詹姆士·皮帕尔斯也对微波感兴趣。他们正在研究乔治·伽莫夫（曾为亚历山大·弗利德曼的学生）的一個见解：早期的宇宙必须是非常密集的、白热的。狄克和皮帕尔斯认为，我們仍然能看到早期宇宙的白热，這是因为光是从它的非常远的部分来，刚好现在才到达我們這儿。然而，宇宙的膨胀使得這光被如此厉害地红移，以至于现在只能作为微波辐射被我們所看到。正当狄克和皮帕尔斯准备寻找這辐射时，彭齐亚斯和威尔逊听到了他们所进行的工作，并意识到，自己已经找到了它。为此，彭齐亚斯和威尔逊被授予1978年的诺贝尔奖（狄克和皮帕尔斯看来有点难過，更别提伽莫夫了！）
现在初看起来，關於宇宙在任何方向看起来都一样的所有证据似乎暗示，我們在宇宙的位置有点特殊。特别是，如果我們看到所有其他的星系都远离我們而去，那似乎我們必须在宇宙的中心。然而，還存在另外的解释：从任何其他星系上看宇宙，在任何方向上也都一样。我們知道，這正是弗利德曼的第二個假设。我們沒有任何科学的证据去相信或反驳這個假设。我們之所以相信它只是基于谦虚：因为如果宇宙只是在我們這儿看起来各向同性，而在宇宙的其他地方并非如此，则是非常奇异的！在弗利德曼模型中，所有的星系都直接相互离开。這种情形很像一個画上好多斑点的气球被逐渐吹胀。当气球膨胀时，任何两個斑点之间的距离加大，但是沒有一個斑点可认为是膨胀的中心。并且斑点相离得越远，则它们互相离开得越快。类似地，在弗利德曼的模型中，任何两個星系互相离开的速度和它们之间的距离成正比。所以它预言，星系的红移应与离开我們的距离成正比，這正是哈勃所发现的。尽管他的模型的成功以及预言了哈勃的观测，但是直到1935年，为了响应哈勃的宇宙的均匀膨胀的发现，美国物理学家哈瓦·罗伯逊和英国数学家阿瑟·瓦尔克提出了类似的模型后，弗利德曼的工作在西方才被普遍知道。
虽然弗利德曼只找到一個模型，其实满足他的两個基本假设的共有三种模型。在第一种模型（即弗利德曼找到的）中，宇宙膨胀得足够慢，以至于在不同星系之间的引力使膨胀变慢下来，并最终使之停止。然后星系开始相互靠近，宇宙开始收缩。图表示随時間增加两個邻近的星系的距离的变化。刚开始时距离为零，接着它增长到最大值，然后又减小到零；在第二类解中，宇宙膨胀得如此之快，以至于引力虽然能使之缓慢一些，却永远不能使之停止。图表示此模型中的邻近星系的距离随時間的变化。刚开始时距离为零，最后星系以稳恒的速度相互离开；最后，還有第三类解，宇宙的膨胀快到足以刚好避免坍缩。正如图所示，星系的距离从零开始，然后永远增大。然而，虽然星系分开的速度永远不会变为零，這速度却越变越小。
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第一类弗利德曼模型的奇异特点是，宇宙在空间上不是无限的，并且是沒有边界的。引力是如此之强，以至于空间被折弯而又绕回到自身，使之相当像地球的表面。如果一個人在地球的表面上沿着一定的方向不停地旅行，他将永远不会遇到一個不可超越的障碍或从边缘掉下去，而是最终走到他出发的那一点。第一类弗利德曼模型中的空间正与此非常相像，只不過地球表面是二维的，而它是三维的罢了。第四维時間的范围也是有限的，然而它像一根有两個端点或边界即开端和终端的线。以后我們会看到，当人们将广义相对论和量子力学的测不准原理结合在一起时，就可能使空间和時間都成为有限的、但却沒有任何边缘或边界。
一個人绕宇宙一周最终可回到出发点的思想是科学幻想的好题材，但实际上它并沒有多大意义。因为可以指出，一個人還沒来得及绕回一圈，宇宙已经坍缩到了零尺度。你必须旅行得比光波還快，才能在宇宙终结之前绕回到你的出发点——而這是不允许的！
在第一类弗利德曼模型中，宇宙膨胀后又坍缩，空间如同地球表面那样，弯曲后又折回到自己。在第二类永远膨胀的模型中，空间以另外的方式弯曲，如同一個马鞍面。所以，在這种情形下空间是无限的。最后，在第三类刚好以临界速率膨胀的弗利德曼模型中，空间是平坦的（所以也是无限的）。
但是究竟可用何种弗利德曼模型来描述我們的宇宙呢？宇宙最终会停止膨胀并开始收缩或将永远膨胀嗎？要回答這個問題，我們必须知道现在的宇宙膨胀速度和它现在的平均密度。如果密度比一個由膨胀率决定的某临界值還小，则引力太弱不足于将膨胀停住；如果密度比這临界值大，则引力会在未来的某一时刻将膨胀停止并使宇宙坍缩。
利用多普勒效应，可由测量星系离开我們的速度来确定现在的宇宙膨胀速度。這可以非常精确地实现。然而，因为我們不是直接地测量星系的距离，所以它们的距离知道得不是非常清楚。所有我們知道的是，宇宙在每10亿年裡膨胀5％至10％。然而，我們对现在宇宙的平均密度测量得更不准。我們如果将银河系和其他所有能看到的星系的恒星的质量加起来，甚至是按对膨胀率的最低的估值而言，其质量总量比用以阻止膨胀的临界值的1％還少。然而，在我們以及其他的星系裡应该有大量的“暗物质”，那是我們不能直接看到的，但由于它的引力对星系中恒星轨道的影响，我們知道它必定存在。况且人们发现，大多数星系是成团的。类似地，由其对星系运动的效应，我們能推断出還有更多的暗物质存在于這些成团的星系之间。将所有這些暗物质加在一起，我們仍只能获得必须用以停止膨胀的密度的1/10。然而，我們不能排除這样的可能性，可能還有我們未能探测到的其他的物质形式几乎均匀地分布于整個宇宙，它仍可以使得宇宙的平均密度达到停止膨胀所必要的临界值。所以，现在的证据暗示，宇宙可能会无限地膨胀。但是，所有我們能真正了解的是，既然它已经膨胀了100亿年，即便如果宇宙還要坍缩，则至少要再過這么久才有可能。這不应使我們過度忧虑——到那时候。除非我們到太阳系以外开拓殖民地，人们早由于太阳的熄灭而死亡殆尽！
所有的弗利德曼解都具有一個特点，即在過去的某一时刻（约100到200亿年之前）邻近星系之间的距离为零。在這被我們称之为大爆炸的那一时刻，宇宙的密度和空间——時間曲率都是无穷大。因为数学不能处理无穷大的数，這表明广义相对论（弗利德曼解以此为基础）预言，在宇宙中存在一点，在该处理论自身失效。這正是数学中称为奇点的一個例子。事实上，我們所有的科学理论都是基于空间——時間是光滑的和几乎平坦的基础上被表述的，所以它们在空间——時間曲率为无穷大的大爆炸奇点处失效。這表明，即使在大爆炸前存在事件，人们也不可能用之去确定之后所要发生的事件，因为可预见性在大爆炸处失效了。
正是這样，与之相应的，如果我們只知道在大爆炸后发生的事件，我們也不能确定在這之前发生的事件。就我們而言，发生于大爆炸之前的事件不能有后果，所以并不构成我們宇宙的科学模型的一部分。因此，我們应将它们从我們模型中割除掉，并宣称時間是从大爆炸开始的。
很多人不喜歡時間有個开端的观念，可能是因为它略带有神的干涉的味道。（另一方面，天主教抓住了大爆炸模型，并在1951年正式宣布，它和《圣经》相一致。）所以，许多人企图避免大爆炸曾经存在過的這一结论。所谓的稳态理论得到過最广泛的支持。這是由两個纳粹占领的奥地利来的难民，赫曼·邦迪和托马斯·高尔德，以及一個战时和他们一道从事研制雷达的英国人，弗雷得·霍伊尔于1948年共同提出的。其想法是，当星系互相离开时，在它们中的间隙由正在连续产生的新物质不断地形成新的星系。因此，在空间的所有地方以及在所有的時間，宇宙看起来大致是相同的。稳态理论需要对广义相对论进行修正，使之允许物质的。连续生成，但是其产生率是如此之低（大约每立方公裡每年才产生一個粒子），以至于不与实验相冲突。在第一章叙述的意义上，這是一個好的科学理论：它非常简单，并做出确定的预言让观察检验。其中一個预言是，我們在宇宙的任何时候任何地方看给定的空间体积内星系或类似物体的数目必须一样。本世纪50年代晚期和60年代早期，由马丁·赖尔（他战时也和邦迪·高尔德以及霍伊尔共事作雷达研究）领导的一個天文学家小组在剑桥对从外空间来的射电源进行了普查。
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