在过去四年中，宇宙学标准大爆炸理论中某些缺陷已经导致宇宙最开初历史的一个新模型的发展。这个模型叫做新的膨胀宇宙，对于最初10^-30秒以后所有的时间，它与以前对观察到的宇宙所采用的描述是精确一致的。然而，对于最初这段极短的时间，情况就极其不同了。按照这个膨胀模型，宇宙经历一个短时期的异常迅速的扩张或“膨胀”，在这个膨胀中，宇宙的直径以一个比以前认为的速度或许要大10⁵⁰倍的因子而增加着。在这个惊人增长的喷射中，从虚无中创造出了宇宙间所有物质和能量。这个膨胀过程对现在的宇宙也有重要的意义——如果新模型是正确的，那么我们至今观察到的区域仅是整个宇宙极小的一部分。

膨胀模型是在1980年首先由谷特（Guth）作为与标准大爆炸宇宙学联结着的三个重大缺陷的一个可能的解答而提出来的。

第一个缺陷叫做“水平”问题，乃是解释观察到的宇宙大规模均匀性的困难。在1964年为贝尔实验室的阿尔诺 · 埃彭泽斯（Arno A. Penzias）和罗伯特 · 伍 · 威尔森（Robert W. Wilson）首先发现的宇宙背景辐射中，这个均匀性是最明显的。观察到来自早期宇宙的余热在温度上的均匀程度至少是万分之一的精度。虽然有倾向于把任何系统带到热平衡的大家熟知的过程，但是问题是在标准大爆炸模型中宇宙演变得如此迅速以至于这些过程的物理效应必须以大于光速90倍的速度传播才能有效。因此，标准模型需要不可解释的假定：宇宙几乎是以精确均匀的温度开始的。

第二个缺陷叫做“扁平”问题，它涉及宇宙的质量密度。宇宙正在膨胀，并且按膨胀速率是能够计算临界质量密度的。假如质量密度大于临界密度，宇宙将弯曲成体积有限的闭合空间。假如质量密度精确等于临界密度，宇宙将是“扁平”的欧几里得空间。今天我们宇宙的质量密度（谨慎说来）在临界密度的0.02倍和10倍之间，但是在大爆炸1秒后，它必定已经等于临界密度，精度至少为10¹⁵分之一。标准的大爆炸模型没有包含完成这个精美调谐的机制，相反，它依靠不可解释的假定，认为宇宙是以极其靠近临界值的质量密度而开始的。

标准宇宙学的第三个缺陷叫做“磁单极”问题，乃是仅仅当一个新的成分从基本粒子物理引入时所引起的。在1974年开始，粒子理论家们致力于发展至少把四种已知的自然力中三种力统一为一种力的大统一理论（GUTs）。所有这些理论都预言存在一种叫做磁单极的超重粒子，它典型重量为质子10¹⁶倍。当这些理论和标准宇宙学相结合，便得到这样的结论：在大爆炸约10^-35秒后宇宙物质经受一个突然的相变。磁单极将以超过经验限度的12个数量级的数目而产生。

所有这三个问题能够用膨胀宇宙模型来解决，这个模型是基于大统一理论提供的一个机制。对于未知参数的某些值，相变能够被延迟，而物质被“过冷”到相变正常发生的温度以下很多个数量级。物质到达一个叫做“假真空”的奇特状态。虽然这个状态从来没有观察到过，但它的性质为我们的理论毫不含糊地预言。假真空引起万有斥力，结果引起宇宙的扩张指数地加速进行——大约每10^-34秒宇宙在大小上将增加一倍。

水平问题消失了，因为在这个模型中早期的宇宙比以前认为的要小得多。热平衡能在膨胀开始前很小区域中达到，继而这个很小区域延伸，变得大到足以包括所观察到的宇宙。扁平问题也解决了，因为在膨胀时期中，宇宙质量密度与临界密度之比迅速接近1，与其初始值无关。（直觉地看来，巨大的扩张正在导致一个扁平的空间，正如随着气球膨胀气球表面将变得越来越扁平一样。）磁单极问题没有被这个膨胀模型最初的形式所实际解决，但是这个情况却从一个清楚的灾难转变成了一个复杂而公开的问题。

然而，很快便发现这个膨胀模型包含一个自身的严重缺陷——没有适当的方法终止指数膨胀的时期。当过冷系统最终经受相变时，气泡胡乱的形成（很类似于水的猛烈沸腾）将导致一个严重的不均匀的宇宙。

这个问题在1982年初为莫斯科的列别捷夫物理研究所的埃 · 林德（A. Linde）并同时独立地为宾夕法尼亚大学的安德莱斯 · 阿布里奇特（Andreas Albrecht）和保罗 · 斯坦哈尔德特（Paul J. Steinhardt）所提出的新膨胀宇宙的发展所解决。这些科学家发现大统一理论的某些特殊形式会引起一种不同的相变。气泡混乱的形成能够被逐渐的凝结成新相来代替。最初建议的所有成功之处都被保存了下来，而且在这个形式中，磁单极的问题有一个明确的解决。

1982年夏天开始，物理学家们试图看看新膨胀宇宙模型是否能够解释物质结团成星系和星系束团。（为了解释星系结构的演化，标准的大爆炸模型需要最初不均匀性分布的不可解释的假定。）膨胀过程弄平了可能已经出现在初始条件中任何的不均匀性、接着在相变时代有意义的量子效应引入一个可计算的新的不均匀性分布。这些被预言的不均匀性某些特性对所有大统一理论是十分相似的，而且这些特性似乎与宇宙的观察到的结构是一致的。然而，其它的特性十分敏感地依赖于根本的大统一理论。已经作了很多努力来发展能够给出所希望的不均匀分布的大统一理论，并且各种各样的这种理论已被构成。然而，星系形成过程的细节还是不完全了解的，因此这个问题仍然是一个很有活力的研究领域。

新膨胀宇宙模型的一般概念看来是很吸引人的，因为它们对标准的大爆炸模型完全不能解释的宇宙的许多特点提供了一个简单的解释。然而，膨胀模型的详细预言是和尚不了解的根本的粒子物理学的细节不可分割地缠绕在一起的。或许在粒子物理学和宇宙学的交界处还有待于许多激动人心的发现。

[Physics today，1985年1期]