以下文章來源於中國科學院國家天文台
作者楊躍斌、潘北軍
距2019年諾貝爾物理學獎頒給三位天體物理學家的熱潮已過去近兩個月，時間一直向前走，但探索宇宙的步伐一刻也不能停歇。可以說，21世紀註定是天文史上不平凡的一個時代。佛語有云「須彌納芥子」，浩瀚宇宙包羅萬物，吞吐日月，孕育我們渺小的人類。當我們驚嘆於宇宙的不可思議時，卻有這樣一群又一群孜孜不倦的探索者，不問浮事，從古至今，由東到西，日夜以繼。他們觀星測地，推演曆法，大胆質疑，究其宇宙的奧義。誰說芥子不能納須彌？渺小的人類，為什麼不可以理解萬物運轉規律呢？你看，宇宙就在那裡等著我們去發現。古語言「上下四方曰宇，往古來今曰宙」，我們從何而來？到了今天，或許我們有了一些確定的答案！
宇宙從何而來？「上帝」說：「要有光！」，事實上，科學研究已經表明我們目前的宇宙來源於一場大爆炸！
我們暫且稱之為「宇宙大爆炸理論」，這裏面有幾位祖師爺。首先就是喬治·伽莫夫，俄裔美籍人，科學界稱之為「宇宙學之父」。
1948年4月1日，《物理評論》雜誌刊登了伽莫夫等人所寫的論文。由於是愚人節，該祖師爺十分有趣的在作者列表中添加了一個對這篇論文沒有任何貢獻的人，漢斯·貝特，並取一筆名「β」。但學生羅伯特·赫爾曼拒絕老師的建議——取一筆名δ，所以這篇論文，事實上少了一位作者赫爾曼，多了一位並沒有參與論文撰寫的作者漢斯·貝特。正是這篇文章認為我們目前的宇宙來源於大爆炸。
隨後，伽莫夫又單獨寫了一篇關於宇宙大爆炸理論的論文，被《自然》雜誌接受發表。但沒過多久，學生拉爾夫·阿爾菲和羅伯特·赫爾曼就發現文章有些錯誤，隨即便在《自然》雜誌上發表了一篇糾錯論文。在這篇論文里，又介紹了一下自己最新的研究成果——宇宙微波背景的存在。根據二人估算，其溫度約為5K（絕對溫度），但學術界並沒給予關注，宇宙學沉寂許久。
然而，15年後出現另一批對「宇宙大爆炸」感興趣的人。這群人有一個領袖，名叫羅伯特·迪克。而詹姆斯·皮布爾斯就是他的學生，二人在1964年，合作了一篇論文。文章中，再次預言宇宙微波背景的存在，而且宇宙微波背景的溫度是3K左右。但並未提及15年前伽莫夫團隊的研究，也許是年代久遠，迪克團隊忘記前人已做。事實上科研工作中，如果前人已做研究，後人再做，在撰述論文時應當有引用。
「理論預言」了宇宙微波背景。那麼接下來就是搜尋宇宙微波背景輻射的問題了，羅伯特·迪克當時不停向上級申請科研基金，但還是慢了一步。著實令人可惜！
事實是這樣，1965年，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在處理射電望遠鏡噪音問題中被幸運女神眷顧，他們無論如何也想不到一直縈繞心頭揮之不去的背景噪音，原來就是神壇上的宇宙微波背景輻射！最終彭齊亞斯和威爾遜獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。與此同時羅伯特·迪克團隊與諾獎失之交臂，但是值得慶幸的是，宇宙學的研究從此開始回暖，越來越多進入大眾視線之中。
今天，當皮布爾斯教授手捧諾獎，站於諾獎台時，時光已悄然過去41個年頭，恩師羅布特·迪克已在歲月的長河裡與世長眠，但探尋宇宙，解開未知的火種，在經歷了幾十年的風雨後，已然輝亮一片天地！諾獎評語上大致這樣說到：「宇宙學已經從推測性的理論研究轉變成為一門相對嚴謹的科學學科」。
介紹完一些舊史，現在真正來了解一下口中的「宇宙大爆炸」。首先必須一說的是，我們幾乎所有宇宙學的理論框架均建立在假設和推理的基礎之上，只有被實踐驗證，結論才會保留下來。
正如宇宙微波背景輻射已經很好的證明我們現在所處的宇宙來自於至少138億年之前的一場爆炸，但是隨著設備的更新，實驗的新發現，理論的修正，我們所理解的爆炸可能不是簡單意義上的類似我們過年放鞭炮的那種爆炸。
我們知道19世紀末期第一代開爾文伯爵威廉·湯姆森（William Thomson）說到「物理大廈已經落成，所剩只是一些修飾工作。」誰曾想到正是20世紀的兩朵烏雲導致愛因斯坦相對論以及量子力學的誕生。（邁克耳遜-莫雷實驗導致「以太」說破滅，黑體輻射與「紫外災難」）
同樣在20世紀或者說21世紀物理學在理論與實驗上存在亟待解決的幾大烏雲：量子力學與引力的矛盾；暗物質和暗能量的探索；正反物質不對稱的原因。當然還有其它一些烏雲。但最終問題逃不開哲學上終極審問「我是誰？我從哪裡來？我到哪裡去？」
20世紀天文學一系列的發現，人們將目光開始投向暗物質，暗能量的探索過程之中。1998年高紅移超新星的發現，人們認識到我們的宇宙似乎在存在的前段時間，由於重力的影響，所以膨脹速度緩慢，後來暗能量超過重力，一腳踩在宇宙加速器上，宇宙加速膨脹。1997年11月和12月兩隻國際研究組，一支基地在美國加利福尼亞州勞倫斯伯克利國家實驗室；另一支基地位於澳大利亞的斯壯羅山天文台和賽丁泉天文台。兩個研究小組均對IA型超新星觀測，花了大約十年時間試圖驗證宇宙減速膨脹，但結果表明：宇宙膨脹並非減速，反而加速進行。
為解決熱大爆炸宇宙學中的視界和平坦性等問題，1980年，美國理論科學家宇宙學家阿蘭·固斯（Alan Guth）提出宇宙暴脹理論（inflation theory）。表示宇宙甚早期時，發生過暴脹。最早提出的暴脹模型存在嚴重的的暴脹退出機制問題，現在廣泛接受和採用的的是「慢滾暴脹模型」。
宇宙暴脹模型， 簡而言之是，tc在約等於10-35-10-32s內宇宙發生了暴脹、相變， 宇宙不按H（t） ∝t1/2的規律膨脹， 而是按指數規律發生暴脹：
關於暴脹理論的物理基礎，人們是首先把真空相變從大統一中分離出來，抽象引入帶自作用的標量場，也就是暴脹場（inflation）。也就是說這裏的暴脹是由真空引起的。什麼真空引起的？沒聽錯，在場論中把能量密度最低的狀態叫做基態或者說真空，真空並不是我們以前所理解的什麼都沒有。
值得一說的是自然界是否有含自作用標量場的存在，還是不清楚，從這層意義上講，「暴脹理論」是一種試探性研究。對照下面兩幅圖我們來進行進一步的理解：
前期我們知道宇宙處於一種高溫高密的狀態，而與此同時宇宙處在真空場這樣一種物理環境下，那麼這種物理環境的影響機制在什麼時候觸發呢？眾所周知，在爆炸的過程中溫度降低，尺寸變大，必然與溫度逃脫不了關係，可以用一個溫度來表示這種機制的時標。也就是特徵溫度TC（TC代表的是真假真空具有相同自由能的溫度時標）。手機賺錢
如何理解？
前面我們對真空並不是什麼都沒有有了一定的概念，真空是具有一定能量的。在介質溫度T高於TC，真空場處於真空態，能量最低，用我們簡單的高中數學知識來理解，以真空場自由能為縱坐標，真空場為橫坐標，其數學圖像可以理解為最簡單的偶函數圖像，只有一個極小值點，且極值點就是坐標原點。此時標準模型仍然成立即宇宙的膨脹正比於時間的二分之一次方，不需考慮真空場的作用。
溫度趨近TC，以致等於TC時，真空自由能發生變化（它是一個溫度和場的函數關係）。用量子力學來說真空自由能此時處於簡併態，一個真空自由能對應兩個本徵真空場值，以剛剛的數學圖像來理解，此時有三個相同極小值點，真空場自由能（縱坐標相同），我們稱此時的狀態為真假真空態。
在T<tc，此時極小值點的縱坐標已經進一步發生變化即小於0，物理上就是說能量已經從0降至更低。學過量子力學，應對能級躍遷有一定印象，伴隨著溫度的變化，真空態發生躍遷，發生相變，那麼就會有能量釋放出來，能量便對宇宙介質做功，所以才有先前所說的宇宙迅速暴脹（像又踩了一腳油門），我們稱此時的狀態為真空過冷態，宇宙的總密度來自真空的貢獻。< p=「」>
當宇宙溫度降至一定，理論表明，從過冷真空向對稱破缺真空相變總要發生。隨著真空態相變潛熱的放出，最終氣體達到熱平衡。此時溫度遠高於相變前溫度，但根據能量守恆定律，還是略低於TC，我們稱此時的宇宙進行了重新加熱過程。重加熱之後，真空能影響又可忽略，此後的宇宙膨脹規律恢復原始即H（t） ∝t1/2。
理論研究表明，真空為主持續的時間10-33s，而期間宇宙尺度因子R增大1043倍。
那麼它是怎麼解決了這個視界疑難的呢，圖中十分直觀的告訴我們，如果沒有暴脹，現今的可觀測宇宙在宇宙早期比視界要大得多，因此現今宇宙的不同區域無法通過相互作用達至均勻。如果存在暴脹，現今的可觀測宇宙在暴脹前其實是在同一個視界之內，其不同區域可以通過物理過程達成溫度和密度的均勻。今天的可觀測宇宙在暴脹過程中衝出視界，但在暴脹結束后逐漸回落到視界中，保證了的微波背景輻射的各向均勻性。
標準的宇宙模型是以兩條假定為前提，第一條：把宇宙看成充滿全空間的均勻，各向同性的（宇觀）介質；第二條：宇宙介質的動力學行為服從廣義相對論。但卻面臨著四個問題：「大爆炸奇點問題，視界問題，平坦性問題，磁單極問題。」
「宇宙暴脹理論」合理的解釋了后三個問題，但對奇點問題解釋仍有一段距離。慶幸的是在「JBD引力理論」中的宇生模型是可以解釋奇點問題。
按照標準宇宙學來講，我們的宇宙必定有一個開端，我們稱之為奇點，其能量密度和溫度無窮大。廣義相對論下這種狀態導致的後果則是時空曲率變得無窮大，現有物理規律全然失效。而自生宇宙模型則很好的繞開了奇點問題，它指出：宇宙起源於一個有限的愛因斯坦靜態宇宙而非奇點。但是，「上帝」說了「要有光！」，它要炸啊！所以在某一時刻，在各種漲落的擾動下，靜態宇宙進入暴脹階段隨後與我們現已知的大爆炸理論相銜接。這樣一種看法下，可能加入了很多的主觀色彩，暫且不論對錯，那麼隨之而來的一個問題就是，愛因斯坦靜態宇宙模型能否長時保持穩定狀態至關重要。如果該靜態模型極不穩定，易燃易爆炸，結果不言而喻。時至今日，「Jordan-Brans-Dicke（JBD）引力理論」已經很好的滿足這樣一個要求，它假定其物質組分均為理想流體和標量場，結果計算均表明，無論受到的擾動是否均勻，存在這樣一個穩定解，能夠從穩定愛因斯坦初態退出，進入暴脹階段。
現在我們可以按照經典理論，對宇宙大爆炸進行一個描繪：
當t趨近於0時，宇宙的溫度密度趨於無窮，這便稱為奇點疑難。經驗表明，物理中常把無窮量是把引申到使用範圍之外的後果，以下為猜測：經典宇宙是由量子宇宙轉化而來，引力場與其它物質場本質上是量子的（但是目前尚未有實驗表明這是事實，經典引力場量子化試探性理論很多，但是離成功還有一段距離）不難想像，如果引力場量子化成立，通過量綱分析，量子引力起的能量對應為Planck能量，對應的時間為Planck時間，約10-43s。我們今天所說的經典宇宙的膨脹便是從此刻開始，所以我們的經典宇宙可以猜測是由量子宇宙轉化而來，在霍金《宇宙大爆炸》封面中便有這樣一句話，「我們的宇宙是早期量子漲落的產物」。
當t從10-43s到10-4s，宇宙溫度T從1019GeV降至0.1GeV，經典宇宙處於粒子宇宙學階段，此時的宇宙夸克，輕子等規範粒子組成，但是對於能量高於103GeV的情況，粒子物理尚未掌握，所以目前按現有研究，該階段發生的過程有真空相變引起的暴脹，正反重子不等量的產生，冷暗物質的形成，以及最後夸克轉化成強子等。這些過程的研究含有試探性，有待於粒子實驗和天文觀測進行驗證。
在t為10-4s時，宇宙介質完成從夸克到強子的相變，此後宇宙氣體中有了質子和中子，其數密度比光子低至9至10個數量級，再往後便是原子核的合成。
在t大於1s時，溫度T降至1Mev以下，宇宙進入核物理範疇，其物理規律已十分清楚，宇宙學理論開始有了可靠基礎，在t從3到30分鐘之內，原初核合成，然後我們宇宙開始實現化學元素的合成，主要是氫，氦，含極少鋰，鈹，硼。
在t約等於1012s，物理規律更加清晰，宇宙的化學元素由等離子態開始向中性原子進軍，當溫度降至以下，大約在，原子核和自由電子結合為中性原子，宇宙介質成為中性原子氣體。熱光子從此失去熱碰撞對象，作為背景輻射光子存留下來，這就是所說的宇宙微波背景輻射。
那麼現今的宇宙結構又是如何形成？我們可以這樣理解，宇宙模型只是它的零級近似，而結構形成的種子可能就是宇宙甚早期，以實物為主階段的微小密度擾動。最早結團大約發生在10億年左右，然後結構的面貌就開始隨著時間的變化到了如今。
宇宙浩瀚無邊，探索宇宙的道路一刻也不能停止，最後以「路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索」共勉。
