关于宇宙的起源,大爆炸宇宙已成为30年来被人们普遍接受的模型。这种模型认为,在100到200亿年以前,万物从虚无中经爆炸而产生,那次事件的巨大推动力使宇宙从此膨胀开来。
大爆炸理论随其发展已取得巨大成功。它所提供的框架不仅包容了河外星系的大多数观测结果,还包容了一些完全出乎意料的现象,尤其突出的是彭齐斯(Penzias)和威尔逊(Wilson)发现的随处可见的微波背景辐射。
大爆炸的瞬间只是导致了能量的高度集中,这些能量是以高温辐射和物质粒子两种形式存在的,其中的物质粒子是由高能物理中的不稳定粒子所组成。然而,在大卫 · 胡姆(David Hume)使用那个词时,并没有对事件的起因进行解释或假定。
此后,极早期宇宙的演化(仅需几秒钟)只不过是由高能粒子到较低能量粒子的接续。最后,可能仅在大爆炸后几秒钟之内便形成了普通原子(主要是氢原子)。随后的阶段,大约10万年以后,宇宙变成辐射可穿透的,那时的宇宙继续冷却,其冷却速率由宇宙整体的膨胀所决定。
在大爆炸模型中,银河系是在大爆炸的高密高温状态之后很久才形成的,这种模型作为一种可包容观测事实的框架,主要是对于银河系之类天体的观测。而描述膨胀宇宙的爱因斯坦相对论方程,其参量的选择与观测到的宇宙的大尺度性质例如密度也是一致的。因此,在这一点上二者没有不同之处。
可观测的大爆炸宇宙与它的极早期历史存在两方面的直接联系。首先,现代宇宙和大爆炸理论之间最强有力的联系是现在观测到的宇宙中氘和其他轻核的丰度正是由大爆炸最初几秒钟的情况准确预测的(通过已知的核反应有效截面)。现代宇宙中的氘含量不可能是星体中核合成的产物,因为在那个过程中,氘和氢一起是用作燃料而不是产物;而大爆炸理论认为一些现存的3He和4He也应该是原来就存在的。这些论证隐含了现代宇宙中的物质一定经过了早期阶段的高温高密状态,因此这是对大爆炸理论的最直接支持。
充满整个宇宙的微波背景辐射如果在1965年发现以前被预言,那将是对于大爆炸论的更有力证据。令人感到奇怪的是事实并非如此,但现在看来这并不重要。微波背景辐射是宇宙成为辐射可穿透时期的真正余烬。
微波背景辐射在空间的均匀性更直接地依赖于早期宇宙的状况而不是它的精确温度测量值2.73 K。假定大爆炸后的作用过程的计算具有不可避免的不确定性,那么,辐射温度应该不是早期宇宙状况的很关键特征。
这并不意味着大爆炸宇宙是完美无缺的。例如,大爆炸论不能解释现代宇宙中的物质密度。所谓临界密度,是指由于引力自吸引作用使宇宙的膨胀减缓以至停止所需的物质密度(对于在通常估测范围下限的哈勃常数,临界密度大约为5×10-27kgm-3或者粗略地认为是一升体积中只有一个氢原子)。而现代宇宙中的物质密度是从可视星系的发光度和必威在线网站首页网址 特性估算的,大约只有临界密度的5%。
问题并不在于这个数字离1太远,而在于没有适当地接近它。大爆炸时期对均一性的小的偏差,到现在已经被极大地放大了,因此宇宙既不是明显地空无一物,也不是充满物质。以上论证隐含着,为了还原现在的状况,大爆炸在物质密度接近但不完全等于临界密度时已经开始。但没有人愿意接受如此细致的初始条件。
70年代初人们首先认识到的困难之一是,由最初推动力引起的宇宙膨胀,应具有对最初事件不久以后密度起伏的尺度进行放大,使之正比于宇宙整体的膨胀尺度这样一种能力,那将导致原始火球中的物质在自身引力作用下迅速聚集成的星系比我们现在观测到的要大得多,相反,现在大尺度上的均匀性表明原始火球中的密度起伏应远远小于(可能的因子为1015)可预测的平衡粒子气的密度起伏。
现在以上疑难至少在形式上已经由一种称为“暴涨"的模型解决了。这种模型最初是由阿兰 · 古斯(Alan Guth)提出的,随着核的弱和强相互作用理论的发展,现在已经进行过物理上的修正了。在1980年古斯主张,在一类粒子向另一类粒子的谱系转换中,在谱系的一个区域和另一个区域之间存在一个相变点,相变时释放的相应潜热足以使静止的微小宇宙在不超过10-32秒的时间间隔内膨胀1050倍甚至更大。
暴涨的结果之一是,不管初始条件如何,宇宙的密度将趋于临界密度。换句话说,如果在宇宙的历史中存在一个暴涨阶段,现在宇宙的真正密度应比已经发现的大20倍。但是5%毕竟距离100%太远,并且同寻找“暗物质”一样仍然很不成功。
暴涨还解决了最初高温大爆炸预期的起伏,从而宇宙在大尺度上的均匀性可得到解释,但这是以在预暴涨时期和现在的状态之间设置了不可逾越的障碍为代价的。换句话说,不可能从现在的状态得知暴涨开始前大爆炸的初始条件,通常认为宇宙是从暴涨结束后开始的。