早在300多年前,牛頓提出了萬有引力定律,以定量的形式解釋了宇宙中任何有質量的物質之間,都存在著引力的作用,這種「萬有」的性質逐漸成為人們認知宇宙的發展和演化,以及揭示星體運行規律的「萬能鑰匙」。按照萬有引力定律,宇宙中兩個物體間的萬有引力數值,與它們的質量乘積成正比,與它們間距離的平方成反比,從這個表達可以看出,引力屬於一種長程力,理論上距離得再遠的兩個星體,其本身都會存在引力的作用,使之具有相互靠近的趨勢,只不過受到其它星體引力的幹擾,星體最終的運行狀態取決於所受到的合力。
牛頓在提出萬有引力定律時,也對一個問題困擾不已,那就是萬有引力的存在,使得宇宙間的物體都會有相互靠近的趨勢,最終的結果會導致所有的物質都會在引力作用下聚集到一塊。然而事實的結果並非如此,138億年這麼漫長的時間也沒有看到這種情況。於是牛頓就提出了靜止宇宙的觀點,即認為宇宙是一個相對靜止、相對均勻且又無邊無界的狀態,在這種無限宇宙中存在著無限多個中心點,維持著區域的引力平衡,這樣才確保了宇宙沒有發生坍縮。
就連愛因斯坦在早期也認可這種靜止宇宙的觀點,甚至在提出廣義相對論以後,為了確保靜態宇宙的正確性,在其推導出的引力場方程中還刻意加入了宇宙常數,用以抵消引力對物質相互吸引靠近的影響。不可否認的是,靜態宇宙觀點的提出是具有一定歷史階段性的,在300年前一直到100年前的這段時間,推動了人類對宇宙空間及其發展規律的認知,也在一定程度上奠定了現代物理科學特別是天文學的發展基礎。
不過,在哈勃發現天體紅移現象之後,逐漸打破了人們對於靜態宇宙的看法,而且通過更加精密的監測,無不證實了哈勃定律的正確性,即遙遠星系相對於地球的退行速度,與它們和地球之間的距離成正比。前幾年歐洲航天局利用普朗克衛星,進一步修正了上述的這個退行速度與距離間的比率(哈勃常數),更加精確地測量出哈勃常數的值約為68公裡每秒每百分秒差距,意識就是在距離地球326萬光年的區域,其空間相對於地球的退行速度約為68公裡每秒。
1998年,有幾位科學家在對Ia型超新星進行觀測時,又進一步證實了現在的宇宙正在加速膨脹的事實,3位科學家的這一發現還獲得了2011年的諾貝爾物理學獎。後來,有很多研究機構在重複進行該項觀測時,均證實了上述觀測結果的正確性,而且科學家們結合觀測結果,並且利用相關的研究模型,推測出了宇宙的加速膨脹時期起源於距今的40億年之前。
在宇宙加速膨脹之前,引力的作用效果佔據主導位置,特別是隨著宇宙大爆炸產生的38萬年之後,隨著四種基本作用力最後一種力-電磁力從「濃密」的等離子體中逃逸出來,宇宙中開始形成自由原子,然後在引力的作用下緩慢聚集成各種星體,宇宙中的恆星、恆星系和星系逐漸登上歷史舞臺。此後,宇宙空間在以引力為主導的環境中進入減速膨脹時期,直至40億年前暗能量逐漸取代引力,成為推動宇宙空間發展的決定性力量。
「暗能量」一詞是科學家們為了解釋宇宙加速膨脹所假想出來的一種驅動力量,它與萬有引力的作用效果相反,為星體之間提供了一種「排斥」的作用力。根據科學家們的觀測研究,現有宇宙中常規物質僅佔據了宇宙總質量的5%左右,而暗能量的佔比高達70%左右,正是龐大的暗物質推動了宇宙目前處於絕對的加速膨脹時期。
為了推測宇宙今後的發展走向,科學家們利用宇宙平均能量密度為衡量標準,將其與宇宙臨界能量密度進行對比,這個密度參數值如果小於等於1,則宇宙空間會持續膨脹下去,直至所有的原子都被撕裂;如果密度參數值大於1,則表明宇宙空間是收縮的,將具有一定的正曲率,形象地說宇宙將處於有限但無界的狀態。
科學家們利用宇宙微波背景輻射,通過引力透鏡效應的原理,監測出現有宇宙的能量密度參數值約為1.05,在一定程度上說明了,現有宇宙極有可能是一個具有微小正曲率的封閉空間,那麼也就說明現階段宇宙的加速膨脹會有一個臨界點,在此臨界點之後宇宙就會進入減速膨脹階段,在引力和暗物質的作用下,宇宙逐漸會經歷減速膨脹和收縮進程,最終的結果就是呈現「大擠壓」,所有物質可能又重新會聚集到一個點上,為下一次奇點大爆發進行著物質和能量的醞釀。