天体物理学是研究天体演化的物理过程的科学。宇宙作为一个整体是最大的天体，其物理过程是由大爆炸模型来描述的。根据这个理论我们今天所观测到的宇宙起源于100 ~ 200亿年前的一个超高温超高密的状态，它一直在冷却、并变得稀疏。我们知道，这种膨胀作为时空本身的膨胀，到今天还在继续，因为观测表明，宇宙中的所有星系都在相互飞离。

大爆炸模型在描述宇宙的一些大尺度特征方面已经取得了极大的成功，例如宇宙的微波背景辐射和轻元素的丰度。但是，在解释一些其他现象时，此理论却并不那么成功，比如微波背景的均匀性，以及这样一个事实：宇宙中的物质密度似乎接近于临界密度，此临界值约为5×10^-30g/cm²。如物质密度大于临界密度，则引力最终会阻止膨胀并产生逆：过程；如物质密度低于临界值，膨胀将会永远进行下去。麻省理工学院的物理学家Alan Guth引入一种新形式的大爆炸模型，即暴涨宇宙模型，用以解决以上问题。这种模型充分利用了粒子物理学，它很可能是这几年理论天体物理所取得的最有趣的进展。

在过去四年中，标准大爆炸模型的某些缺陷导致建立关于宇宙极早期历史的新模型，即新的暴涨宇宙模型。它对可观测宇宙的描述，除最初10^-30秒以外，一切都与先前公认的描述相符合，但在最初的一刹那，情况却极为不同。根据暴涨模型，宇宙经历了一个短时间的极快速膨胀，或曰“暴涨”在这段时间内，宇宙线度的增长因子可能比先前承认的值大1060倍。在这个惊人的爆发式增长中，宇宙的所有质量或能量从完全的真空中产生出来。暴涨过程对今天的宇宙也有重要意义——如果新模型是正确的，则我们迄今所能观测的区域仅是整个宇宙的一小部分。

暴涨模型最初是1980年由Guth提出的，作为一种可能的方案，用以弥补标准大爆炸模型的三个重大缺陷。

第一个缺陷称为“视界”问题，这是在解释可观测宇宙的大尺度均匀性时所遇的问题，它在解释宇宙背景辐射的均匀性上表现得最为明显，这种辐射在1964年由Bell实验室的Arno A. Penzias和Robert W. Wilson最先观测到。观测表明，这种宇宙早期热辐射的遗迹在温度上的均匀性至少可达万分之一的精度。尽管存在几种过程有使得任何系统达到热平衡的趋向，但问题在于，根据标准大爆炸模型，宇宙演化得如此之快，以至于只有这些过程的传播速度达到光速的50倍时，其物理效应才是有效的。因此，标准模型需要一个先验的假设，即：宇宙最初时有一个精确的均匀温度。

第二个缺陷称为“平直性”问题，它涉及的是宇宙的质量密度。对于膨胀的宇宙，可由膨胀速度算出一个临界质量密度。如果物质密度大于临界值，宇宙将变得弯曲并具有一个闭合的空间和有限的体积；如果物质密度与临界密度精确相等，宇宙将是平直的欧几里得空间。现在，据保守的估计，我们宇宙的物质密度介于临界密度的0.02倍和10倍之间，但在大爆炸后1秒时它至少应该在10^-15的精度内与临界密度相等。标准大爆炸模型并不含有某种有效的机制来完成这样完好的调整，而只能代之以一个先验的假设，即：宇宙起始时的物质密度非常接近于临界值。

标准宇宙学的第三个缺陷，叫做“磁单极”问题，这个问题只有在涉及到基本粒子物理学的内容时才会产生。从1974年开始，研究粒子理论的人一直致力于建立大统一理论，以把自然界的四种相互作用中的三种以上统一成单一的一种统一的力。所有这些理论都预言存在一种称为磁单极的超重粒子，其典型的质量大约相当于质子质量的10¹⁶倍。当这些理论与标准宇宙理论相结合时，人们得出结论，认为在大爆炸后10^-36秒时宇宙中物质经历了一个瞬时的相变，这时产生的磁单极的数量要比经验所估计的数量高出10个量级。

暴涨宇宙模型利用大统一理论所提供的机制可以完全解决以上三个问题（详见Physics News. 1982年，82页）。因为一些参数的值待定，故相变可被推迟，且物质可“过冷”至一个比发生正常相变低很多个量级的温度，物质达到一个被称为“假真空”的奇特状态。这种状态从未被观测到，但它的性质已被我们的理论毫不含糊地预言。假真空引起引力排斥，使得宇宙按指数律加速膨胀——宇宙尺度每10^-34秒翻一番。

在这种模型中，早期宇宙比先前所认为的小许多，故不存在视界问题。暴涨前在这非常小的区域，热平衡是很容易达到的，然后此小区域扩张变大从而包含整个宇宙的可观测部分。平直性问题也容易解决，因为在暴涨阶段，物质密度对临界密度的比率很快趋近于1，不管初值如何（从直观想象，这种极端的膨胀将使空间变得平直，正如气球膨胀时其表面会变得越来越平）。用暴涨宇宙的最初模型还不能最终解决磁单极问题，但情况有所改善：过去是一场实实在在的灾难，现在只是一个悬而未决的难题。

但不久又发现，暴涨模型本身含有一个致命的缺陷——指数律膨胀阶段终止后情况很不妙，当过冷系统最终发生相变后，宇宙泡的随机形成（很像滚开的水）将使宇宙在总体上是不均匀的。

1982年初，莫斯科物理研究所的Lebedev与宾夕法尼亚大学的Andreas Albrecht和Paul J. Steinhardt各自独立地提出新的暴涨宇宙理论，从而解决了这个问题。这些物理学家发现，某些特殊形式的大统一理论可给出不同类型的相变。新的相缓变凝结而代替混沌中宇宙泡的形成。以前的方案所取得的成果被保住了，而且，在这种新理论中，磁单极问题也顺理成章地得到解决。

从1982年夏天开始，物理学家开始研究新的暴涨宇宙模型能否解释物质成团而形成星系及星系团的问题（标准大爆炸模型需要先验地假设初始的物质分布具有某种不均匀性，以解释星系结构的演化）。暴涨过程消除了初始状态中一切可能存在的不均匀性。而后，可以肯定，量子效应在相变中所起的作用将使新的不均匀分布产生出来。所有的大统一理论对不均匀性的某些特征的预言是类似的，而且这些特征与可观测宇宙的结构是一致的，但也有某些特征敏感地依赖于所用的大统一理论。人们进行了很多尝试用以建立一种能够给出所需的一切不均匀分布的大统一理论，一系列的这类理论已应运而生。但是，星系形成的细节仍未弄清，所遗留的问题仍然提供一个非常活跃的研究领域。

新的暴涨宇宙模型的基本思想展现出极为诱人的前景，因为宇宙的很多性质对标准大爆炸模型来说完全是莫名其妙的，但新模型却能给出简单的解释。暴涨模型所预言的一些细节密切地依赖于所利用的基本粒子理论，但这些东西并未被弄清楚。很有可能，粒子物理学与宇宙学的进一步结合将会带来许多更加激动人心的发现。

[Physics Today，1985年1月号]