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这并不矛盾。宇宙作为一个整体，比在其有限生命中的一个信号传播的距离尺度大，其原因在于宇宙曾经经历膨胀的阶段。广义相对论在理解该现象时起到了重要作用。其方程告诉了我们膨胀的时空结构。我们可以观测宇宙中相隔很远的位置，即使它们并不能看见彼此。
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鉴于光速有限，宇宙的年龄有限，这一节将我们带到有限的观测区域的边界。可见宇宙是指我们的望远镜所能达到的地方。然而宇宙的尺度却不受制于我们的观测极限。与小尺度情形相似，在超过我们实验水平之上，我们只能猜想可能存在的东西。对我们能思考的最大尺度事物的唯一限制，是我们的想象力，以及猜想那些我们无望取得任何观测结果的结构时的耐心。
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我们真的不知道视界（horizon，视界是我们所能观测到的宇宙边界）之后有什么东西。我们观测的极限使得在其之外的新奇与特异的现象成为可能。不同的结构、不同的维度，甚至不同的物理定律原则上可能存在，只要它们没有与我们所观测到的东西发生矛盾。但这并不意味着每一种可能性都存在于自然之中，就像我的天体物理学同事麦克斯·泰格马克（Max Tegmark）的观点那般。然而，这却意味着可能性的多样化。
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我们还不知道额外维度或者另外的宇宙是否存在。我们甚至不能肯定地说宇宙作为一个整体是有限的还是无限的，尽管很多人倾向于后者。测量没有显示出任何它的边界，但是测量只能达到那么远。从原则上说，宇宙可能有限或者甚至会具有类似球体或者气球的形状，但目前理论与实验都没有给我们提供任何该方向的线索。
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绝大多数物理学家宁愿不去想那么多关于可见宇宙区域之外的东西，因为我们不太可能可以想象出来那里所存在的东西。然而，引力或者量子引力的理论为我们提供了数学工具，我们至少可以思考那里可能具备的几何。基于空间额外维度的理论方法与想法，物理学家有时会思考其他奇异的宇宙，在我们宇宙的一生之中它们或者与我们没有交流，或者仅仅通过引力来相互作用。如第18章介绍的，弦理论学家和其他人猜想存在多重宇宙，它包含许多不连通的独立宇宙，它们与弦理论的方程相容。有时将这些想法与人择原理结合起来，可以得出可能存在的多个宇宙的丰富结构。有人甚至试图寻找将来这种多重宇宙的可观测信号。如第17章介绍的，在一种不同的情景中，两个膜的“多重宇宙”也许可以帮助我们理解粒子物理学的方程，并给出可以观测的结果。绝大多数的额外宇宙，尽管可以想象它们的存在，但在我们可以预见的未来，也只能停留在实验可以检验的范围之外。它们将继续作为一些理论抽象出来的可能性而存在。
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大爆炸
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现在我们的冒险已经到达最大尺度了——我们在可观测宇宙的意义上进行观测或者讨论的范围，并一直达到我们所能看到的、所能想象的极限位置。我们探索了宇宙如何随时间演化，并最终呈现今日之貌。大爆炸理论告诉我们，宇宙在它137.5亿年的生命中是如何从一个很小的规模增长到现在的疆域——1000亿光年的宽度。著名天文学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）开玩笑并且怀疑地以“最初的爆炸”为该理论命名，它从一团炽热密集的气体开始，扩展成为今天所见的大规模的恒星和结构——宇宙不停地增长，物质变得稀薄，然后逐渐冷凝。
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我们显然不知道的一件事情是：最初是什么导致了宇宙的爆炸以及它是如何发生的，我们甚至不知道宇宙最初所拥有的严格尺度是多少 。尽管我们对宇宙后来的演化有所了解，可是它的起点仍然隐藏在迷雾中。无论如何，虽然大爆炸理论没有告诉我们宇宙初始时刻的所有事情，但它仍然是一个成功的理论，它告诉了我们宇宙接下来的历史。目前的观测与大爆炸理论为我们提供了很多关于宇宙如何演化的信息。
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20世纪之前，人们并不知道宇宙正在扩张。当爱德温·哈勃率先凝视天空时，人们还一无所知。哈罗·沙普利（Harlow Shapley）首先测得银河系的尺度为30万光年，但他很确信银河系就是宇宙的唯一。到了20世纪20年代，哈勃发现了一些星云，沙普利认为它们是由尘埃组成的云团（因此有了“星云”这个平凡之名），事实上它们却是星系，不过是在几百万光年之外。
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在确认了这些星系之后，哈勃作出了他的第二个惊人发现——宇宙正在膨胀。1929年，他观测到星系的红移，也就是说这里存在一个多普勒效应，距离越远的物体，其光波会向波长越长的方向移动。红移现象证明了星系在远离我们而去，这与救护车远离我们时，它尖锐的警报声频率降低的效果类似（见图19-2）。哈勃所确认的星系相对我们的位置不是静止的，而是都朝着远离我们的方向运动。这是一个证明我们的宇宙在膨胀的证据，在此情况下，星系之间的距离越来越大。
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图19-2 从远离我们的物体传来的光线，光的频率变低或者说光谱向红端移动；而从靠近我们的物体传来的光线[73] ，光的频率变高或者说蓝移（blue shift）。这与从一个警报器传来的响声相似——当救护车离开时音高变低，而当它靠近时音高变高。
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宇宙的膨胀与我们可能首先想到的图像是不同的，因为宇宙并不是在原本就存在的空间中扩展。宇宙就是所有的存在。没有任何东西可以让宇宙在其里面膨胀，宇宙与空间本身一起膨胀。随着时间流逝，它里面的任意两点分离得越来越远。其他星系远离我们而去，但是我们的位置并不特殊，它也会移动，与其他星系彼此远离。
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想象宇宙是一个气球的表面。假设你在气球表面标记两点。随着气球胀大，表面拉伸开来，这两点也随之远离（见图19-3）。事实上，当宇宙膨胀时，其中任意两点的情况与此相似。两点或者说两个星系之间的距离增加。
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图19-3 “气球宇宙”展现了当气球膨胀时，气球上的标记点如何彼此远离。
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注意，在我们的类比中，气球上的点并不会扩大，只是它们之间的距离会增大。这也是膨胀宇宙中的情景 。例如，原子是由电磁力紧紧约束而成的，它们不会变得更大。相对密集的紧紧束缚在一起的结构（如星系）也是一样。驱使宇宙膨胀的作用也施加在它们身上，但是因为其他作用的效力还在，星系本身没有随着宇宙的膨胀而增长。它们经受很强的吸引力，因此其尺度会保持不变，而相互之间的距离越来越大。
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当然气球的类比不够完美，因为宇宙有三个空间维度，而不是两个。并且，宇宙很大而且可能无穷大，而不像气球很小而且表面是弯曲的。最重要的是，气球处于宇宙中并且气球向外扩展的空间已经存在。而宇宙不同，它充满了空间，并不在已经存在的东西内部扩展。尽管有此区别，气球表面是空间扩展的一个很好的示意，特别是每一个点同时彼此远离。
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气球的类比（现在指的是其内部）也对理解宇宙如何从初始的一团炽热火球冷凝下来很有帮助。想象一下一个极端炽热的气球，假如你允许它膨胀到一个很大的尺度。虽然开始它可能太烫很难握在手中，但是一旦膨胀，它里面的气体就会变凉，不久之后再触碰它就不难了。大爆炸理论预言：最初炽热、致密的宇宙不断膨胀，因而同时它也不断地冷却了下来。
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事实上，爱因斯坦曾经从广义相对论方程推导出宇宙正在膨胀这个结论。然而，那时没有人能测量到宇宙的膨胀，因此他本人也不相信这个预测。爱因斯坦引入一种新的能量来源，试图修改他的理论以给出静态宇宙。在哈勃的测量之后，爱因斯坦放弃了他开始所做的这种修正，并称之为“他最大的错误”。然而这种修正并非完全错误。我们将很快看到最近有测量显示，爱因斯坦所增加的宇宙学常数项事实上对最近的观测很有必要，尽管所测量到的对近来确认的加速膨胀负有责任的数值，比爱因斯坦所提的数字大了一个数量级。
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宇宙膨胀是一个“自上而下”与“自下而上”两种物理方法汇合的很好例子。爱因斯坦的引力理论预示了宇宙的膨胀，然而只有当膨胀被发现了，物理学家才确信他们的研究步入正轨。
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今天我们将决定当前宇宙膨胀速度的一个数值定义为哈勃常数（Hubble constant）。从“空间任何一个部分的膨胀都相同”这个意义上讲，它确实是一个常数。然而，哈勃这个参数却不是时间的常数。在更早时期，当宇宙还是炽热、致密的状态时，它膨胀的速度快得多。
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精确测量哈勃常数是很困难的，因为我们面临的是前面提到的将过去和现在的纠缠解开的问题。我们需要知道红移的星系有多远，因为红移量依赖于哈勃参数与距离。测量的不精确是本章开头所提的宇宙年龄相差了两倍的原因。如果哈勃参数测量相差两倍，那么宇宙年龄也一样会差两倍。
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这个矛盾现在基本已经解决了。哈勃参数已经由史密松森天体物理台（SAO）的温迪·弗里德曼（Wendy Freedman）与她的同事以及其他人测量，膨胀速度对100万光年以外的星系来说大约是每秒22公里。基于这个数值，我们现在知道宇宙的年龄大约是137.5亿年，上下可能有2亿年的误差，但绝对不会相差两倍。虽然这听起来可能还是有许多不确定性，但这个范围对于我们目前的理解来说已经小到不会造成什么太大的差别了。