佛瑞德·霍伊尔为了嘲笑大爆炸理论而创造了“大爆炸”这个词,他是大爆炸理论的主要反对者。1948年,他与赫尔曼·邦迪和托马斯·戈尔德一起,提出了他称之为“稳恒态”的理论。按照他的理论,宇宙实际年龄比天文观测到的要大得多,宇宙似乎是一直存在并且将永远存在的。随着时间的推移,星系将诞生、成长、死亡,新星系将不断从死亡的星系的“废墟”中诞生,但宇宙的总质量将保持平衡。按照这个理论,我们可以观测到的即使是最古老的星系在一个更大的范围来说实际上也是相当年轻的。许多宇宙学家并不喜欢稳恒态理论,因为它意味着我们永远无法彻底弄清事情的真相,大多数物理学家和天文学家都被“我能”的观念所驱使。霍伊尔在评论大爆炸宇宙论中表现出的无礼被一些科学家描述为傲慢,但另一方面,我们也应扪心自问:是否我们自以为能弄清任何事情的真相的信念本身就是一种傲慢——争论的各方肯定都会存在这种傲慢。
霍伊尔的理论也有其本身的问题,例如,他利用了修改后的宇宙常数。宇宙常数是爱因斯坦为了证明宇宙是不变的而在他的相对论中引入的一个数学因数。1929年,埃德温·哈勃在研究中发现遥远星系的光谱向红端移动,称为“红移”,他因此得出结论:星系随着宇宙的膨胀而以很快的速度彼此分离。这表明宇宙并非不变,爱因斯坦的宇宙常数也就不是必要的了,连爱因斯坦也把引入宇宙常数视为他一生中所犯的最大的错误。
宇宙常数遭到大多数物理学家的反对,1965年微波背景辐射发现后,霍伊尔的稳恒态理论似乎该淘汰了。但是霍伊尔并不甘心他的出局,他认为可能是他的理论中出现了一些小问题,但大爆炸理论问题更大。事实上也确实如此,大爆炸理论遇上了新问题。有一个问题是物理学家所熟知的,那就是早期宇宙并不符合现在盛行的物理定律。至少大爆炸后50万年,宇宙还没有足够冷却以使物质形成和光的释放(称为“光子退藕”,因为光是由光子携带的)。我们现在的宇宙定律并不适合当时的情形。这种矛盾迫使大爆炸理论家求助于初始宇宙是一个奇点的思想。霍伊尔和他的追随者(他仍有一批追随者)大肆指责这种观点,他们嘲讽道:“你们与其发现一些东西把大爆炸理论弄得一团糟,不如怀疑这个理论本身的正确性。”
1990年,霍伊尔开始在他自己的领域取得一些新进展。他的一个追随者——德国马克斯·普朗克工学院的美国宇宙学家霍尔顿·阿尔普指出,有许多红移的观测值与它们的实际距离并不相符。这是一个很严肃的问题,如果红移并非是宇宙膨胀速度的可靠的指示器,这将给宇宙大爆炸理论带来致命的一击。也许星系并没有分离得那么快,那么,将没有必要用大爆炸来解释驱使它们运动的力量。阿尔普在1991年更进一步说:“这泄露了一个大秘密,那就是这些具有决定性作用的天体被人故意忽略了,争论受到了压制。”忽略证据?压制争论?大爆炸理论学家震怒了。此时,正如约翰·波斯洛在他的著作《时间的主人》中指出的那样,一些物理学家指责大爆炸支持者既忽略证据又凭空臆断。1986年,谢尔登·格拉斯哥(于1979年获得诺贝尔物理学奖)与他的哈佛同事保罗·金斯帕格瞥告物理学家不要再卷入这种无谓的争执。
关于宇宙大爆炸理论,有一个无法验证但也是最重要的新观点是暴涨,这是艾伦·古斯于1981年提出来的。他指出,在宇宙大爆炸后的最初一秒钟内,宇宙经历过一次突然膨胀,膨胀的速度远远大于现在宇宙的膨胀速度,就像一个针尖大小的东西在一段极其微小的时间内突然膨胀成一个橘子或一个垒球大小。这听起来没什么可大惊小怪的,但在数学上是难以置信的:增长的体积是1050,也就是1后面接50个零。经历这个暴涨后,宇宙开始以正常速度膨胀。换句话说,在宇宙之初,宇宙的行为在一瞬间像一个超人,但在宇宙史的其余时间就像克拉克·肯特一样悠闲。
银河系的壮观景象与银河的观测方法我们观看到围绕星空一周的银河,只不过是本身就处于银河系之中的我们,从内侧看到的银河系星星的集合体。换句话说,我们是把银河系的景象当作星空中的景象来看待的。
对一般读者来说,这听起来有点滑稽,当时暴涨的思想驱散了漂浮在宇宙大爆炸理论上空的乌云,它因而广受欢迎。它解决了很多间题,其中有一个问题是关于平直宇宙的。物理学家认为宇宙要么开放,即它将沿着一定的曲面永远膨胀,要么封闭,即引力最终会把它拉回来,也许终结于一种产生大爆炸的原始原子。不幸的是,没有可观测的信息证明它是开放的还是封闭的,似乎正好在这两种可能性之间平衡。这种状况被描述为平直宇宙,因为平均时空曲率为零,是一个平射轨道。
使事情更为复杂的是,宇宙的实际密度(产生引力的物质量)与产生引力塌缩的宇宙密度之比为1。希腊字母Ω被赋予这个比率,数学上,开放宇宙意味着比率小于Ω,封闭宇宙意味着比率大于Ω。无论指曲率(其值为零)还是指密度比率(其值为1),结果总是平直宇宙,艾伦·古斯的暴涨理论首次获得了可信的结果、不要老是把暴涨描述成针尖变成橘子,应该把暴涨想象成吹气球。气球膨胀得越大,其表面就越平坦。因为在一瞬间发生了宇宙暴涨,实际上造成了平坦效应。
当艾伦·古斯在建立他的暴涨理论时碰到一个问题,使他推迟了两年才发表他的理论。按照他的理论预测,这种快速膨胀必然会产生许多单独的“泡泡”,这些“泡泡”的壁应该是很明显的,但实际上并非如此。最后,古斯还是发表了他的理论,他希望全世界的其他宇宙学家应该有足够的兴趣去解决这个问题。俄罗斯物理学家安德烈·林德是第一个给出答案的,随后其他人也得到了答案。他从数学上证明“泡泡”(后被重新命名为“区域”)能单独产生。更有甚者,我们已知的宇宙仅仅占据一个“区域”的10亿甚至万亿分之一。“泡泡”之间相距如此遥远以至于我们永远别想观测得到。
就像暴涨理论一样,泡泡域理论在大多数宇宙学家中受到狂热的支持,包括斯蒂芬·霍金,他被人们公认为是当代最伟大的物理学家。泡泡域理论尽管无法验证,但是它解决了暴涨理论(同样无法验证)的一些问题,暴涨理论不仅解释了宇宙的平直问题而且克服了大爆炸理论的一些困难,包括宇宙中物质分布的各向同性——暴涨的瞬间就像一种宇宙搅拌器的行为。对一些像霍尔顿·阿尔普和佛瑞德·霍伊尔之类的批评家来说,这远远不能令人满意,不管数学上是如何优雅,理论与理论的吻合是如此天衣无缝。但是批评者毕竟是少数,尽管更多的物理学家接受大爆炸理论和暴涨理论的方方面面有困难,但是他们愿意去挑战一些小问题而不是嘲笑整个理论。
目前,大爆炸理论成为解释我们的宇宙起源的最好理论。对“我们”应该强调的是,永远别忘了别的位于我们视野之外的“区域”,法国物理学家Trinh Xuan Thuan在他1995年出版的《秘密的旋律》一书中写道:“我们的宇宙只是一个迷失在另一个比我们宇宙大千万亿乃至亿万亿倍的可称为元宇宙或超宇宙的泡泡中的小泡泡,所有这些都是在暴涨期间从一个无限小的空间中创生出来的,所有的泡泡都彼此不相通。”他所描写的这个图景是很诱人,但令人难以置信。有人发现这很令人害怕,也有人认为这有点像宗教思想:使人安心或使人悲伤,关键取决于人的信仰。一些评论家竭力指出乔吉斯·勒梅特作为大爆炸理论的启蒙者,首先是一个天主教主教,其次才是一个物理学家。
当望远镜技术和计算机技术发展到使我们有能力观测或模拟宇宙这个更大样本的时候,当量子物理实验更深人到亚原子粒子的奇异世界的时候,我们所得到的附加知识似乎在不时地支持大爆炸理论。2000年6月,《纽约时报》的头版报道了澳大利亚的一台自动巡天望远镜产生了一张大范围的星系集团图,这些星系集团可以称为宇宙大陆。尽管这些宇宙大陆是如此巨大,但是它们的尺度并没有超出大爆炸理论关于这种结构的预测。这篇报道的标题是“自动巡天望远镜确定了关于宇宙诞生的假设”。
一些乐观者,包括斯蒂芬·霍金相信我们正在接近对整个宇宙的了解,大统一理论出现的时候也许为期不远了。但是即使是大爆炸理论的拥护者当中,也有许多人怀疑我们对宇宙的了解还仅仅是开始,也许我们永远也无法解开宇宙之谜。
现在,大爆炸理论已经称为标准理论,但它还不是一个真理。