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图 3-2 宇宙膨胀速度大致按图示的方式随时间逐步减小。在这个简单模型中，时间轴上标上O的那一点的膨胀速度为无限大，它对应着大爆炸。
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其次，宇宙膨胀的速度会随时间而发生变化，这一点与引力有关。引力作用于星系之间，实际上它作用于宇宙中一切形式的物质和能量之间。引力起刹车的作用，阻止星系往外跑，这使膨胀速度随时间逐渐变小。结论是宇宙在过去必定比现在要膨胀得快。如果就宇宙某个代表性区域画出一张尺度对应时间的关系图，我们便得到一条由图 3-2 表示的普通曲线。从这幅图我们可以看出，宇宙从高度压缩的状态开始十分迅速地膨胀，随着时间的推移，物质密度会因体积的增大而逐渐减小。如果把这幅图一直追溯到宇宙创世时刻（图中原点），它意味着宇宙起源时尺度为零，而膨胀速度为无限大。换句话说，组成今天我们见到的所有星系的物质都是从一个点以极快速度爆炸而产生的！这是对所谓大爆炸理论的理想化描述。根据这一观点，今天我们所观测到的宇宙膨胀是原初爆炸的某种遗迹。
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把这条曲线一直追溯到宇宙创世时刻是不是有道理呢？许多宇宙学家对此深信不疑。根据我在上一章中讨论过的，假定宇宙曾有过一个开端，那么大爆炸肯定是真实的。如果确实如此，则曲线的起点所标志的不仅仅是一次爆炸。记住这里图中所表示的爆炸是空间本身的爆炸，所以零体积并不意味着物质被压缩至无限大的密度，而是指空间被压缩到不复存在。换句话说，大爆炸是空间的起源，也是物质和能量约起源。最重要的是要认识到，事先并不存在使大爆炸得以发生的空虚的东西。
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现在把同样的基本思想用到时间上来。物质的无限大密度和无限压缩的空间也标志着时间的边界，其理由是，在引力的作用下，时间和空间都拉长了。这个效应也是爱因斯坦广义相对论的结论，并已得到实验验证。大爆炸时的条件意味着时间的无限弯曲，所以，时间（还有空间）的实际概念不能外推到大爆炸之前。看来我们不得不得出这样的结论，即大爆炸是一切——空间、时间、物质和能量的最初开端。如果要问（许多人就是这样问的）大爆炸以前发生了什么，或者问什么引起了大爆炸，这显然是没有意义的。不存在以前。在没有任何时间的地方，也没有任何常识中的因果关系。
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如果大爆炸理论仅仅依托于宇宙膨胀这单一证据的话，那末很可能许多宇宙学家会抛弃它，因为这种宇宙起源理论有着奇特的内涵。然而，1965年出现了另一个支持大爆炸理论的重要证据，即发现宇宙沐浴在一种热辐射之中。这种辐射以相同的强度从空间的各个方向射向地球。它的谱与达到某种热动平衡态的熔炉内的发光情况精确相符。这种辐射就是物理学家所熟知的“黑体”辐射。由于符合程度非常之好，因而不可能是一种巧合。由此我们得出这样的结论：宇宙曾一度处于平衡状态，处处都有相同的温度。
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对背景热辐射的测量表明，它的温度大约比绝对零度（约等于 -273 度）高 3 开，但这个温度随时间在缓慢变化。随着宇宙的膨胀，它按一个简单的公式冷却；半径增加一倍，温度下降一半。这是红移效应的另一个结果，它表明辐射波长随宇宙膨胀而变长。平均而言，低温辐射的波长比高温辐射来得长。还有，要是把这部影片往回放，宇宙在过去必然要热得多。大爆炸后 30 万年左右，宇宙的温度约为 4000 开，这足以使所有物质汽化，并创造出热平衡所必需的熔炉条件。宇宙背景热辐射至今仍然保持完美的黑体谱这一事实表明，从大爆炸后的 30 万年以来，辐射几乎一直在平稳地传播着，没有受到任何干扰。与大爆炸后已过去的 150 亿年左右的历史比起来，30 万年是很早的时期。这意味背景热辐射是宇宙原初阶段的直接遗迹，可以把它看作为宇宙诞生时炽热光焰的余辉。
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宇宙背景辐射的特性不仅仅是有黑体谱的形式，而且在整个天空中它极其均匀。这种辐射的温度和强度在空间不同方向上的变化之小甚至不超过十万分之一，表明宇宙在大尺度上必定是极其均匀的，因为在某个空间区域或某个特殊方向上有任何系统性的物质成团，都会通过温度的变化反映出来。另一方面，我们知道宇宙不是完全均匀的。物质集聚成星系，星系常常形成星系团。这些星系团又进一步构成超星系团。在好几百万光年的尺度上，宇宙呈一种泡状结构，也就是在一些巨大的空洞周围包围着星系膜和星系纤维。
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必定有某种原因使宇宙的大尺度成团性从非常均匀的原始状态成长起来。虽然科学家们提出过各种可能的物理机制，但最可能的解释也许是引力的缓慢吸引作用。如果大爆炸理论是正确的，我们可望找到隐匿在宇宙背景热辐射中初期成团过程的某些证据。1992 年，美国宇航局的COBE卫星（宇宙背景探测卫星）指示这种辐射并不是完全均匀的，在天空的不同区域，它们无疑有着强度的起伏或者说变化。这些极小的不规则性看来就是超级成团过程温和的开端。背景辐射可靠地保存了极早时期原初凝聚的痕迹，它所记录的内容证明了宇宙并不是始终以我们今天所见到的特定方式构成的。物质聚集成星系和恒星是一个演化过程，从几乎完全均匀的原初状态开始便长时间来一直在发生着。
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最后还有一个证实炽热高密度宇宙起源理论的证据。只要知道今天热辐射的温度，很容易计算出宇宙诞生后约 1 秒时各处的温度约为 100 亿度，这对现有的原子核的合成来说也是太高了。那时，物质必定被撕裂成最基本的成分，形成一锅基本粒子汤，诸如质子、中子和电子。但是，随着这锅汤变冷，核反应就可能出现了。特别是，中子和质子就很容易成对聚合在一起。接下来，这些粒子对便合成元素氦的核。计算表明，氦核的活动延续了大约 3 分钟（这就是温伯格一书书名的由来），并大约有四分之一物质的质量聚合成氦。这个过程用完了所有可利用的中子。余下的核子——没有聚合的质子——自然就成了氢原子核。因此，这一理论预言宇宙应当由大约 75% 的氢和 25% 的氦组成，这与天文测量结果极为吻合。
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原初核反应也可能产生极少量比较重的元素，如锂和碳。重元素的总量不到宇宙物质的百分之一，但它们大多数并不是大爆炸的产物。相反，它们的形成要晚得多，而且是在恒星内部形成的，形成方式我将在第四章中进行讨论。
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把宇宙膨胀、宇宙背景热辐射和化学元素的相对丰度综合在一起，便成为支持大爆炸理论的强有力的证据。不过，还存在许多悬而末决的问题。例如，现在宇宙为什么恰恰以这样的速度在膨胀，换句话说，大爆炸为什么如此之大？早期宇宙为什么如此均匀？空间各个方向和不同区域中的膨胀速度为什么这样类同？宇宙背景辐射探测卫星所发现的少量密度涨落对星系形成至关重要，而这又是如何起源的？
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近年来为揭开这些奥秘，人们付出了巨大的努力，所采取的途径是把大爆炸基本理论与高能粒子物理的最新概念相结合。需要强调的是，这种“新宇宙学”所依赖的科学基础，其可靠性还远不及前面所讨论的话题。特别是，这些饶有趣味的过程所对应的粒子能量大大超过了迄今任何已直接观测到的结果，而涉及的宇宙时期所对应的是宇宙刚诞生后远小于一秒的极短暂时刻。那时的条件很可能异常极端，因而唯一合适的途径就是几乎完全只根据理论思想来建立数学模型。
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这种新宇宙学的关键假设是，可能发生过一种称之为暴胀的过程。它的基本思想是，在第一秒刚开始的某一时刻，宇宙的尺度突然急剧猛增（暴胀）。为弄清楚这个假设带来些什么，再看一下图 3-2 。图上的曲线始终是向下弯的，这表明尽管任意给定的某个空间区域的尺度在增加，但这种增加的速率在减小。与此相反，暴胀意味着在一个很短的时期内，膨胀速度实际上在加快。图 3-3 （不按比例地）表示丁这种情况。最初，膨胀是缓馒的，然后它加快速度，有一小段曲线笔直向上，最后曲线恢复它的正常走向。但是，图中表示的空间区域的尺度大大超过图 3-2 曲线上同一位置的尺度（比这里面的大得多）。
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图 3-3 暴胀演化图象 按这个理论，宇宙在大爆炸中起源后不久，它的尺度便突然增大。图中的垂直方向比例已被大大缩小。暴胀相之后，膨胀速度不断减小，其变化方式与图 3-2 所示的情况非常相似。
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为什么宇宙表现出这样诡异的行为？请记住，曲线向下弯曲是由于引力的吸引对膨胀起刹车作用的结果。向上弯曲可设想成一种反引力，或斥力，它造成宇宙的尺度增长得越来越快。虽然反引力似乎是一种异端邪说，但一些近代纯理论研究表明，在极早期宇宙由于极端温度和极端密度条件占主导地位，这种效应可能曾经出现过。
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在讨论暴胀是怎么回事之前，先说明一下为什么能用暴胀说来解开前面列举的一些宇宙难题。首先，逐步升级的膨胀可以令人信服地说明大爆炸为什么如此之大。反引力效应是一种不稳定过程，即失控过程，这就是说宇宙尺度呈指数式增加。从数学上说，这意味着一个给定的空间区域在每个固定时间周期里尺度扩大一倍，我们称这种周期为 1 个滴答。 2 个滴答之后尺度增大到 4 倍； 3 个滴答，尺度增加到 8 倍；10 个滴答，这个空间区域膨胀到 1000 倍以上。因此，一个给定空间区域以逐步升级的速率如气球般地膨胀。计算表明，暴胀纪元末的膨胀速度非常接近于测量值（我将在第六章中严格地解释它的含义）。
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暴胀造成的尺度急剧猛增也为宇宙均匀性提供了一种现成的解释机制。任何初始不规则性会被这种空间扩展平滑掉，这非常像一只汽球，当它胀大时其上的皱纹便会消失。同样，不同方向上早期膨胀速度的任何变化也很快被暴胀所淹没，因为暴胀在各个方向上都有相同的作用力，最后，宇宙背景辐射探测卫星所揭示的微小不规则性可用暴胀也许并不是处处都在同一瞬间结束这一事实得到解释（其理由后面马上就要讨论），所以某些区域比其他区域会暴胀得稍多一些。
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现在来举一些数字。在最简单的暴胀理论中，暴胀力（反引力）变得异常之强，使得大约每隔100亿亿亿亿分之一秒（10-34 秒）宇宙尺度就扩大一倍。这几乎是个无限小的时间间隔，它就是前面所说的 1 个滴答。仅仅 100 个滴答后，一个原子核大小的区域就会暴胀到大约 l 光年的直径。这足以轻而易举地解决上面讨论的各种难题。
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人们运用亚原子粒子物理理论发现了几种会导致暴胀行为的可能机制。所有这些机制都用到被称为量子真空的概念。为了理解什么是量子真空，首先必须知道量子物理的某些知识。量子理论是自发现诸如热和光之类电磁辐射性质的时候开始发展起来的。虽然电磁辐射以波的形式在空间中传播，然而有时它会表现出类似粒子的行为，特别是光的发射和吸收以一份份微小能量或量子的形式出现。电磁波情况下的量子称为光子。这种波和粒子性质的奇持混合有时称为波粒两象性。现已证明，这适用于原子尺度和亚原子尺度上的一切物理实体。因此，通常认为是粒子的东西，如电子，光子和中子，或者甚至整个原子，都会表现出类似于波的行为。
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量子理论的基本原则是沃纳·海森伯( Werner Heisenberg ) 的不确定原理。根据这一原理，量子物体的所有属性都不具有完全确定的值。例如，一个光子或一个电子不可能同时具有确定的位置和确定的动量。对一确定的时刻，它也不可能有确定的能量。这里我们关心的是能量不确定性。尽管在宏观世界里能量是守恒的（它既不能创造也不会消失），但是在亚原子量子领域里这个定律就失效了。能量可随时自发出现无法预言的变化。所考虑的时间间隔越短，这种量子随机涨落就越大。实际上，粒子可以从我们不知道的某个地方借来能量，只要这份能量马上归还就行。海森伯不确定原理的准确数学形式要求大宗的能量借贷必须很快归还，而少量的借贷则可保留较长的时间。
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能量的不确定性会引出一些奇怪的效应，诸如光子那样的粒子可以突然从虚无中生成，不过过后它又马上再度消失，出现这种现象的概率便是上述奇怪效应中的一种。这种粒子依靠借来的能量，因而也是依靠借来的时间得以生存。我们看不到它们是因为它们只是闪电般地一现即没，但是又确实在原子系统的特性中留下它们曾存在过的痕迹，而这些痕迹是可以测量的。事实上，通常认为的真空确实充满着川流不息的一群群这类瞬时存在的粒子，它们不仅有光子，还有电子、质子相别的所有粒子。为了把这种瞬时粒子与我们比较熟悉的永久粒子相区别，前者称为“虚”粒子，而后者则称为“实”粒子。
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除瞬时性外，虚粒子与实粒子是完全相同的。实际上，如果用某种方法从外界补充足够的能量偿还海森伯能量借贷的话，那么虚粒子就有可能升格为实粒子，而且与其他同种实粒子没有任何区别。例如，一个虚电子在典型情况下只能存在大约 10-21 秒。 在它短促的生存期中，虚电子并非静止不动，它在消失之前可以走过 10-11 厘米的距离（作为比较，原子的直径约为 10-8 厘米）。如果这个虚电子在这么短的时间内得到能量（譬如说从电磁场），它就未必会消失，而是可以作为一个完全普通的电子继续存在。