1929年，哈勃通过星系红移和距离的关系得出公式：v=H0l，l表示星系与我们之间的距离，H0表示哈勃常数，v表示天体的退行速度。我们由哈勃定律得知，天体与我们的距离越远，退行速度越大；而且，无论从哪个方向来看，天体一直在离我们远去。天体的退行速度为什么会随着距离的增加而增大呢？由于各个方向上的退行都一样，我们是不是恰好位于宇宙中心呢？假如我们不是在宇宙中心，这个观测事实要如何解释呢？

我们把宇宙星系想象成“分子”，它们在膨胀中参加两种运动：一种是“分子”的膨胀速度，另一种是“分子”相对于流体元的无序运动速度（还叫做星系的本动速度）。物质分布的局部不均匀性体现了这个速度，典型值是500千米/秒。通过哈勃定律得知，当距离超过20兆秒差距时，本动速度小于膨胀速度。哈勃定律体现了宇宙整体膨胀规律，而不是星系运动规律。而且，宇宙保持均匀性的前提就是遵循哈勃定律。

我们可以这样认为：当气球不断膨胀时，无论是站在气球的哪个点上观察，其他点都在离你远去，而且距离越大，离开的速度也越大。各个点上观察到的情况都是一样的，所以没有中心和边缘之分。我们来看另一个例子，一个含有葡萄干的面包的例子。在面包膨胀过程中，对于每个葡萄干来说，其他的葡萄干都在远离自己。而且，越远的葡萄干离去的速度越快，即膨胀的速度越大。所有的葡萄干看起来都是相同的，不存在中心。

上述类比显示了星系退行的情况，表明宇宙一直在膨胀。如果向前追溯，越早的时候，气球越小。那么，宇宙是从什么时候开始膨胀的呢？

1931年，比利时著名的宇宙学家、数学家、天主教神父勒梅特（G. Lemaitre）说：最初，宇宙中的星系都聚集在一起，人们将其叫做原始原子，后来原始原子发生了爆炸，星系都散布到空间中。虽然勒梅特没有提出“大爆炸宇宙学”这个名词，但他的主要思想就是大爆炸。

1948年，俄裔美国人伽莫夫（Gamow G.）将宇宙膨胀和元素形成结合在一起，为大爆炸宇宙学奠定了基础。大爆炸宇宙学的观点是，大约在150亿年前，宇宙发生了大爆炸。虽然宇宙是有限的，但它是无界的。

向前追溯，当宇宙大小是如今大小的百分之一时，密度大约是现在密度的100万倍，这个密度要比星系的密度还大，所以星系无法存在。由此可知，在某个时间之前宇宙结构是不存在的，它是在演化过程中形成的。

在宇宙结构没有形成之前，宇宙是由微观粒子组成的均匀气体，温度非常高，密度很大。当温度超过104K时，由于粒子的热运动能量太高，所以中性原子无法形成；当温度大约是3000K时，才能形成中性原子；当温度低于3000K时，电子和原子核结合起来形成中性原子，大量电子消失了。由于宇宙中损失了大量电子，所以光子不再受到电子的散射。于是，宇宙逐渐变得透明起来，光子和物质丧失了耦合机会。宇宙介质被单独保留下来，而最早的宇宙指的是2.7K背景辐射光子。

当温度大于1010K时，粒子的碰撞导致原子核破裂。这说明，原子核也是在演化过程中形成的。现在，天文学家观察到的1/4的氦丰度，来源于早期原子核的合成。

标准宇宙模型

标准宇宙的困难

虽然标准宇宙模型的说服力很强，而且符合观测到的事实。不过，依然存在几个根本问题。其中，最关键的是视界疑难、准平坦性疑难、磁单极疑难。

视野疑难

视野指的是宇宙刚刚诞生时，传递出来的信号在一定时间内走过的最远距离。这是能够产生影响的空间中两个点之间的最大距离，或者说是有着因果关系的最大距离。这个距离和宇宙年龄是正比关系。根据标准宇宙模型可知，大统一时代的尺度是3厘米，而此时的视界是3×10-26厘米，这两个数字相差26个量级。这表明，在大统一时代，这个尺度内包含着没有因果联系的区域竟然高达（1026）3=1078个。

现在，天文学家观测到的尺度范围内的物质分布大约均匀。不过，世界上不会出现毫无道理的均匀，均匀是相互影响达到平衡形成的。这样一来，这个均匀怎么会是由1078个没有因果联系的区域造成的呢？我们明白，没有因果联系的区域不能相互影响，那它们怎么会有相同的密度呢？这就是视界疑难。

准平坦性疑难

这是说宇宙早期的物质密度与临界密度相似，只有10-55量级的偏差。这个偏差非常少，甚至让人觉得不可思议。

宇宙早期的物质密度为什么如此接近临界密度呢？宇宙早期的空间性质为什么如此接近平直空间呢？这是难以回答的问题。除非有特殊机制用来保证，否则难以想象如此接近的情况是在偶然间形成的。

磁单极疑难

我们明白，电荷有两种，正电荷和负电荷。质子带有正电，而电子带有负电。当正电荷和负电荷之间存在一定的距离时，可以形成一个电偶极。电偶极是中性的，但包含电偶极矩。正电荷和负电荷属于电单极。尽管磁也分为北极和南极，类似于正、负电荷，但磁始终以偶极方式存在，从来不会出现磁单极。在这里，磁单极指的是带有净“磁荷”的粒子，也就是磁北极或者磁南极。

20世纪30年代，狄拉克在研究电荷量子化时，首先提出了磁单极一词。他说，如果发现了磁单极，正好可以解释为什么电荷的数量总是电子电荷的整数倍。后来，大统一理论同样认为存在磁单极。根据大统一理论的计算得知，磁单极的质量大约是质子质量的1015倍，大约重0.02微克。一个微观粒子的重量竟然如此大，几乎可以用宏观精密天平进行称量。

在宇宙膨胀过程中，磁单极几乎不会湮没，但由于体积不断增大，所以密度一直在减小。现在，磁单极的密度大约是2×10-8克/立方厘米，如果真是这样的话，应该很容易找到磁单极。实际上，从来没有发现过磁单极。同时，由于磁单极的质量比较多，在宇宙中的密度大约是3×10-16克/立方厘米。根据这个密度推算，现在宇宙的年龄将会非常年轻（仅仅是几万年而已），甚至是十分荒诞的！这就是磁单极疑难。

暴胀宇宙模型

上述疑难的关键点是：宇宙的膨胀速度太慢了。如果想要解决这个问题，必须能够证明宇宙在一段时间内曾迅速膨胀。1981年，顾斯（Guth A. H.）首先提出宇宙早期可能存在过快速膨胀阶段，叫做暴胀宇宙学或者暴胀宇宙模型。后来，这个模型经历了多种发展。

在大统一时代之前，宇宙处于真空对称状态。当温度下降到临界温度时，符合对称状态向着破缺状态转化的条件，但存在着较大的势垒，所以宇宙依然是对称状态。随着宇宙的膨胀，当温度低于临界温度时，真空的存在形式成了破缺状态。由于势垒依然比较大，所以宇宙会保持对称假真空一段时间。我们常常见到相似的情况，如气体到液体的转化过程。在一个大气压下，当一盒水蒸气的温度下降到100℃时，假如水蒸气足够干净就不会凝结成水。即使继续冷却，水蒸气依然会以冷蒸汽形式存在，不会立刻转化成水。同理，当宇宙温度下降到小于临界温度时，真空也会在过冷亚对称状态停留一段时间。因此，在这段时间中，宇宙的亚对称状态的能量（或者质量）不是零。

形象地说，宇宙处于过冷状态，类似于零摄氏度之下的水是冷水。此时，粒子和辐射在宇宙膨胀中的作用非常小，因为真空态有着重要作用。真空压力是负值，这就好像是排斥力。这说明，在宇宙过冷真空时期，主要作用是排斥力。由于受到排斥力的作用，宇宙膨胀速度会加快，从而导致宇宙迅速膨胀，这就是暴胀。

与标准模型中的宇宙膨胀相比，这个时期的膨胀速度是非常快的，所以叫做暴胀阶段。根据大统一理论估算出来的过冷对称能量密度可知，膨胀阶段的持续时间超过了10-32秒。因此，在这么短的时间内，宇宙膨胀尺度竟然超过了1043倍。

我们在前文已经说过，根据标准模型可知，与现在所观测到的尺度相对应的大统一时期的尺度要比大统一时期的视界大26个量级。现在看来，那个尺度高估了43个量级。这就是说，考虑到暴胀之后，与现在观测到的尺度相对应的大统一时代的尺度仅仅是视野中的组成部分而已，甚至是极小的一部分。因此，绝对在因果影响的范围中，视界疑难消失无踪。

对于暴胀宇宙学来说，无论是宇宙早期的无量纲密度还是现在的密度都非常接近于1。因此，暴胀宇宙学表明宇宙是严格平直的，或者说是爱因斯坦—德西特宇宙。这样一来，准平坦性疑难就不存在了。

同理，由于考虑到暴胀，现在所观测到的宇宙仅仅是暴胀前破缺产生的一小部分均匀真空区域而已。这样，只会出现在不同真空交界处的磁单极肯定难以见到，甚至是几乎不存在。因此，磁单极疑难也解决了。这就是说，虽然今天没有观察到磁单极，但并不表示磁单极不存在，而是现在所观测的宇宙范围内没有磁单极，因为缺乏磁单极的存在条件。

暴胀宇宙学借助于粒子真空变相概念，将宇宙早期的小范围进行修正，顺利地解决了标准宇宙学中的三大疑难，而且没有破坏标准宇宙学的原有成果。暴胀宇宙学预言，宇宙中存在着许多非重子物质，而宇宙暗物质的主要成分或许是非重子物质。