这个系列源自于去年给读四年级的女儿所在年级上的一堂科普讲座《我们的宇宙图像》（讲座名来源于史蒂芬·霍金《时间简史》的第一章），有很多小朋友非常感兴趣，讲完后一直围着我提各种各样有关宇宙的问题。可见在小朋友心中，探索未知的宇宙是一件很有意思的事情，也希望通过这个系列的文章，能激发更多小朋友对我们所处这个世界的求知欲。
地心说时代
人类对天地宇宙的认识随着文明的进化在不断地发展，公元前 4 世纪的时候，古希腊的数学家尤得塞斯已想到一个以地球为中心，各个星体以多层同心球的方式环绕地球的宇宙体系了。
尤得塞斯的同心球学说后来被古希腊哲学家亚里士多德编入了他的宇宙观中，公元前 340 年，亚里士多德在他的《论天》一书中，提出地球是一个圆球而不是一块平板，理由有三：
月食中地球在月亮上的影子始终是圆的。
北极星在南方和北方的位置不同。
亚里士多德提出的一个论据，希腊人从旅行中知道，在南方观测北极星，比在较北地区，北极星在天空中显得较低。
亚里士多德认为地球是不动的，太阳、月亮、行星和恒星都以圆周为轨道围着地球公转。到了公元 2 世纪，这个思想被托勒密精制成一个完整的宇宙学模型，包括下面四个假定：
天是球形的，而且像球那样转动，称为天球。
地球也是球形的。
地球位于天球的正中心。
为了精确预言天体在天空中的位置，特别是行星的逆行运动和变速运动，托勒密在模型中引入了一系列复杂的几何构造，包括本轮、均轮和偏心圆的概念。但这样就产生了一个 Bug，就是不得不假定月亮遵循的轨道有时使它离地球的位置是其他时候的一半，这意味着月亮有时显得要比其他时候大一倍！托勒密需要这种假定的主要原因是他的模型是基于完美圆形轨道的地心宇宙观。实际上，天体运动并不是完美的圆形，尤其是月亮的轨道，它更接近于一个椭圆形。
托勒密的理论能初步的解释从地球上所看到的现象，并在欧洲被普遍接受，直到 16 世纪日心说的出现。地心说为教会所欢迎的理论，因为这不仅体现了地球和人类的重要性，而且天球之外给天堂和地狱留下了空间。
日心说时代
在公元前 300 多年时，古希腊人赫拉克利特和阿里斯塔克斯就已经提到过太阳是宇宙的中心，地球围绕太阳运动。但是坚实的大地是运动的这一点在古代是令人非常难以接受的，而另一方面托勒密的地心宇宙模型能与当时的观测数据相当吻合，所以支持者很少。
地心说作为主流思想一致持续到 16 世纪的文艺复兴时代，随着科学技术的进步，一些支持日心说的证据逐渐出现，且有些证据无法用地心说解释。在 1514 年波兰天文学家哥白尼在他的《短论》中提出了日心说理论的初步纲要，但也许是害怕被教会谴责为异端，所以《短论》并未出版，仅在亲近的朋友中以手抄本的方式流传。直到 1543 年哥白尼才正式发表了《天体运行论》，提出了完整的日心说宇宙模型，认为太阳是宇宙的中心，而不是月球。不过即使这样，《天体运行论》出版后的半个多世纪里，支持者也寥寥无几。
《天体运行论》中哥白尼的宇宙观
遵守开普勒行星运动定律的两个行星轨道，开普勒三定律分别被称为椭圆定律、等面积定律和周期定律。
无限宇宙模型
在开普勒悟出行星三定律差不多快一个世纪之后，艾萨克·牛顿爵士在 1687 年出版了他的《自然哲学的数学原理》，在这部也许是物理科学有史以来最重要的著作中，牛顿不但提出物体如何在空间和时间中运动的理论，并且发展了为分析这些运动所需的复杂的数学。
此外，牛顿还提出了万有引力定律，根据这条定律，宇宙中的任一物体都被另外的物体吸引，物体质量越大，相互距离越近，则相互之间的吸引力越大。牛顿继而证明，引力使月亮沿着椭圆轨道绕着地球运行，而地球和其他行星沿着椭圆轨道绕着太阳公转。
按照他的引力理论，牛顿意识到恒星应该相互吸引，这样它们似乎不能保持不动而是会一起落向中心形成一个巨大的球。牛顿在 1691 年写给理查德·本特里的一封信中论证到，如果只有有限数目的恒星分布在一个有限的空间区域里，这确实是会发生的。但是另一方面，他推断说，如果存在无限数目的恒星，大体均匀地分布于无限的空间中，对它们而言，因为这时不存在一个中心落点，这种情形就不会发生。牛顿的无限宇宙模型主要包括以下几点：
宇宙是静止的。
宇宙无限大。
宇宙是均匀的。
牛顿的静态无限宇宙模型，也代表了经典理论的绝对时空观。
只是牛顿的这种分析方式是错误的，现在我们知道不可能存在一个无限静态的引力总是吸引的宇宙模型。在 20 世纪之前，人们普遍倾向于相信牛顿的绝对时空观，时间是永恒的，宇宙也是永恒不变的。只有很少数的人对此提出异议，德国哲学家奥伯斯就是其中之一，他于 1823 年提出，如果宇宙是无限而且静止的，则每一道光线都会终结于一个恒星上，使得夜空和太阳一样明亮。奥伯斯自己的解释是远处恒星的光线会被它穿越过的物质吸收而减弱，然而如果真是如此，介于其间的物质最终会被加热到发出和恒星一样强的光为止。奥伯斯佯谬印证了两点：
宇宙的年龄是有限的。
宇宙大爆炸理论
1929 年，美国天文学家埃德温·哈勃作出了一个里程碑式的观测，即不管你从哪个方向看过去，远处的星系都正急速的飞离我们而去，换言之，宇宙正在膨胀。这个发现最终将宇宙开端的问题带进了科学的王国，哈勃的观测结果暗示存在一个叫做大爆炸（Big Bang）的时刻，这个时刻宇宙的尺度无限小，而且无限紧密。
宇宙大爆炸理论的框架基于爱因斯坦在 1915 年创立的广义相对论，1917 年爱因斯坦将广义相对论理论应用到整个宇宙，然而从广义相对论出发建立的宇宙模型不是静态的，这和当时静态宇宙的主流观点并不符合，爱因斯坦为此在场方程中加入了一个宇宙学常数来进行修正（哈勃观测确认宇宙在膨胀后爱神放弃了该常数，并称为他自己“一生中最大的错误”。）。1922 年，苏联宇宙学家、数学家亚历山大·弗里德曼假设了宇宙在大尺度上均匀和各向同性，利用引力场方程推导出描述空间上均匀且各向同性的弗里德曼方程，在这一组方程中宇宙学常数是可以消掉的。通过选取合适的状态方程，从弗里德曼方程得到的宇宙模型是在膨胀的。1927 年，比利时物理学家乔治·勒梅特在不了解弗里德曼工作的情况下独立提出了星云后退现象的原因是宇宙在膨胀。
第二次世界大战以后，宇宙膨胀的观点引出了两种互相对立的可能理论：一种理论是由勒梅特提出，乔治·伽莫夫支持和完善的大爆炸理论。伽莫夫提出了太初核合成理论，而他的同事拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼则理论上预言了宇宙微波背景辐射的存在。另一种理论则是英国天文学家弗雷德·霍伊尔等人提出的稳态理论。有点讽刺的是，大爆炸（Big Bang）一词首先是霍伊尔采用的，他在 1949 年 3 月英国广播公司的一次广播节目中将勒梅特等人的理论称作“这个大爆炸的观点”。后来在 1964 年发现的微波背景辐射是支持大爆炸确实发生的重要证据，之后大多数科学家都开始相信大爆炸理论了。
20 世纪 90 年代后期和 21 世纪初，望远镜技术的重大发展和如宇宙背景探测者（COBE）、哈勃太空望远镜（HST）和威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）等空间探测器收集到的大量数据使大爆炸理论又有了新的大突破。宇宙学家从而可以更为精确地测量大爆炸模型中的各种参数，并从中发现了很多意想不到的结果，比如宇宙的膨胀正在加速。根据 2015 年普朗克卫星所得到的最佳观测结果，宇宙大爆炸距今 137.99±0.21 亿年，并经过不断的膨胀到达今天的状态。
描述宇宙膨胀的艺术构想图，其中横坐标表示宇宙演化的时间，而对应的空间尺寸都用相应的圆横截面表示。左端表示在暴胀时期发生的急速膨胀，而当宇宙演化到中期时开始加速膨胀。
宇宙的终极命运
在发现暗能量之前，宇宙学家认为宇宙的未来存在有两种图景：如果宇宙能量密度超过临界密度，宇宙会在膨胀到最大体积之后坍缩，在坍缩过程中，宇宙的密度和温度都会再次升高，最后终结于同爆炸开始相似的状态——即大挤压；相反，如果宇宙能量密度等于或者小于临界密度，膨胀会逐渐减速，但永远不会停止。恒星形成会因各个星系中的星际气体都被逐渐消耗而最终停止；恒星演化最终导致只剩下白矮星、中子星和黑洞。相当缓慢地，这些致密星体彼此的碰撞会导致质量聚集而陆续产生更大的黑洞。宇宙的平均温度会渐近地趋于绝对零度，从而达到所谓大冻结。
虽然在宇宙学中大爆炸模型已经建立得相当完善，在将来它仍然非常有可能被修正，例如对于宇宙诞生最早期的那一刻人们还几乎一无所知。彭罗斯－霍金奇点定理表明，在宇宙时间的开端必然存在一个奇点。但是，这些理论都是在广义相对论正确的前提下才成立，而广义相对论在宇宙达到普朗克温度之前必须失效，一个可能存在的量子引力理论则有希望避免产生奇点。
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