2.無中生有
1948年後期,英國科學家邦迪·戈爾德和霍伊爾建立了一種模型,這一模型建立在完全宇宙學原理之上,即除了宇宙是均勻的、各向同性的假設之外,還增加了宇宙不隨時間變化的假設。在這種宇宙模型中,宇宙是無限的,沒有開端也沒有終結,而且一直保持同樣的狀態。無論在什麼地方,在什麼時候,觀測者看到的宇宙總是相同的。這種宇宙模型中,宇宙起源的問題是不存在的。麵對宇宙膨脹的事實,怎樣能使宇宙的狀態不變呢?邦迪等人認為,宇宙中不斷產生新的物質,其產生率和因宇宙膨脹造成的密度減小度相等,從而使宇宙物質密度保持恒定,不隨時間變化。這種模型叫做穩恒態宇宙模型。
新的物質是從哪裏產生的呢?他們主張,新的物質並不是由能量轉化而來,而是從虛無中產生的,這也等於承認能量也是從虛無中產生的。按照穩恒態宇宙模型,每立方米的空間體積內,每109年產生一個氫原子。這個數值太小了,無法由觀測驗證,此外它也違背了一些普遍適用的守恒規律,如物質守恒定律和能量守恒定律等。從觀測角度看,類星體的空間分布表明,過去的類星體比現在多得多,而穩恒宇宙模型主張類星體的數目任何時候都一樣,這和觀測事實不符。此外,這個模型也難以解釋宇宙微波背景輻射。
3.暴脹宇宙學
由於大爆炸宇宙學得到觀測事實,如星係紅移或宇宙膨脹,3K宇宙微波背景輻射以及氘和氦的豐度的證實,因此已被大多數科學家承認,稱為標準宇宙模型。
但是,這個學說也有些難以解決的困難,如(1)奇點問題。即原始火球的溫度和密度均為無限大,這是物理學中很難接受的。(2)均勻性問題。觀測表明,微波背景輻射之間應當是有聯係的,但大爆炸將宇宙各部分迅猛撕裂開,不允許有這種聯係。(3)平直性問題。標準宇宙模型認為宇宙空間曲率可能有正、負、零三種,但各種測量宇宙物質平均密度的方法,所得出的值均接近於臨界密度,即宇宙空間曲率很小,接近於零。這是偶然的嗎?為什麼會這樣呢?(4)磁單極子問題。標準宇宙模型中大統一理論認為,應當產生的磁單極子非常多,但我們並沒有探測到任何磁單極子。(5)小尺度不均勻性問題。即星係形成及星係的非均勻分布問題。
1979年~1981年,美國科學家古思、溫伯格和威爾茨克三人提出暴脹宇宙學理論。這個學說認為,在大爆炸後不到10-35秒的瞬間,宇宙迅速膨脹,故稱為暴脹。暴脹持續了10-32秒,但在此非常短的時刻內,宇宙的體積卻以指數式增大了1043倍!
在暴脹宇宙模型中用以描述時空的場,既不是磁場或引力場,也不是描述物質的場,而是用具有類似真空性質的所謂希格斯場。希格斯場能夠產生不穩定性,這些不穩定性觸發時空猛烈迅速膨脹。如果認為大爆炸以前宇宙就是希格斯場的形式,就可能避開奇點問題。其次,在暴脹宇宙模型中,膨脹很快,但具有相互聯係的範圍迅速變大,從而解決了均勻性問題。第三,暴脹宇宙模型中的宇宙比標準模型中的宇宙要大得多,因而看上去要平直得多,從而解釋了為什麼宇宙是平直的問題。第四,大統一理論認為磁單極子是在“對稱相”轉變為“非對稱相”的過程中產生的,產生的數量與相轉變速度成正比例,暴脹宇宙模型中相轉變比較緩慢,因而磁單極子也較少。第五,這種學說認為引力強度在宇宙暴脹過程中不是恒量,引力強度變化方式與宇宙膨脹的速率有關,並導致宇宙膨脹速率減慢。當暴脹階段終了,宇宙過渡到今天所見到的平緩的膨脹狀態,物質分布不均勻現象便產生了。這為解決小尺度上不均勻性指明了方向。