
为解释大爆炸宇宙模型最初一刹所存在的问题,1979-1981 年由美国古斯(A . Guth )、温伯格( S . w einberg )和威尔茨克印.w ilczek )根据粒子物理大统一理论首先提出的一种仍属半经典理论的宇宙模型。认为宇宙早期“真空”中有超光速物质存在,宇宙在最初10 - - “七1 丁32 秒按指数攀胀,其间温度急剧下降后回升,视界距离急增,物质向现有粒子形式转化。其余演化过程和大爆炸模型一致,有奇点,但可观测范围总小于视界距离。
宇宙学成为一门学科始于爱因斯坦在1917年用他刚建立的广义相对论来考察宇宙结构。直到1980年代,根植于人们头脑中的宇宙演化模型是热大爆炸(Hot Big Bang)模型,特别是微波背景辐射的发现及宇宙中轻元素丰度的测定极大地支持了热大爆炸模型。可这一模型存在一些明显的缺陷,如:宇宙演化起源于一个奇点,在那里,所有物理学定律都失效;此模型无法解释宇宙大尺度的均匀性和小尺度的非均匀性;无法解释宇宙空间平坦性;无法解释所谓的视界问题,即现在观测到的均匀宇宙是由早期许多非因果关联区域演化而来,这违背基本物理学定律;无法解释超重质量粒子稀少等问题。
1980年古思(A. Guth)提出,宇宙在极早期曾经历过一个极短的(约10-32秒)加速膨胀时期。这一所谓的暴胀模型一举解决了大爆炸模型中许多无法克服的困难。这一模型还特别提供了关于宇宙大尺度结构形成的物理机制。自1991年美国COBE (Cosmic Background Explorer) 卫星首次观测到源于宇宙早期密度扰动的各向异性后,越来越多、越来越精确的天文观测支持了暴胀模型。可是正像著名宇宙学家特纳(M. Turner)所言:“给暴胀模型戴上皇冠还为时尚早。”
自热大爆炸宇宙模型之后,宇宙学的重大发展之一就是暴胀模型的提出。可是暴胀模型与其说是一个模型,毋宁说是一种解决问题的方法。暴胀模型通常在爱因斯坦引力框架中假定一个标量场的势驱动宇宙的加速膨胀。然而基本粒子的标准模型中并没有这样一个标量场,超对称和超引力中也没有这样一个合适的标量场。另一方面,自古思提出老暴胀模型20多年以来,人们构造了许许多多暴胀模型,可这些模型都存在这样或那样的问题。因此可以公平地说,到目前为止还没有一个完全成功的暴胀模型。
大爆炸模型认为,宇宙由一个高温高密状态演化而来。高能粒子物理、有限温度场论、量子引力等基本物理理论在描述这一系列演化过程中起着极其关键的作用。因此,这些基本理论的发展将推动宇宙学的研究,宇宙学的研究也将反过来进一步促进这些理论的深入发展。近十年来,在理论物理领域已经形成了粒子宇宙学、弦宇宙学等许多交叉学科。粒子宇宙学是将微观世界与宇观世界、高能粒子物理学与天体物理学、天文学相结合,研究早期宇宙高温高密这一极端条件下的物理规律,进而研究其对于形成现今宇宙大尺度结构的物理过程的影响。弦宇宙学则是将量子引力最有希望的候选者——超弦理论应用于极早期宇宙研究的一个交叉学科。
宇宙微波背景辐射的观测强有力地支持了暴胀模型,可是在粒子物理的标准模型里,还未找到能充当暴胀场的标量场,这使理论物理学家不得不打开更广的思路,产生更“疯狂的”(crazy)新思想(著名宇宙学家特纳语)。近十年来,膜世界绘景、外维度、超弦理论中的稳定和非稳定延展物体(膜)等新思维为构造一个成功的暴胀模型提供了理论基础,这也是近些年构造暴胀模型的主要领域。