人类如何重现宇宙的进化史？
我们在不断膨胀的宇宙图景的发展和它的过去的再现方面取得了非常缓慢的进展。20世纪30年代，比利时牧师兼物理学家乔治？勒迈特在这件事的最初阶段起了主导作用。他的“原始原子”理论是我们现在所说的“大爆炸”理论的创始人。20世纪40年代末，移居美国的俄罗斯人乔治·加莫夫(GeorgeGamov)和他的两个年轻研究生RalphAlpher和RobertHerman一起迈出了最重要的一步。他们开始认真考虑用已知的物理理论来描述宇宙早期的可能性。他们意识到了关键点。如果宇宙在遥远的过去开始于一个炎热和致密的状态，它应该会留下一些从这个爆炸开始散射的辐射。更具体地说，他们意识到，在过去应该有一段时间，宇宙只有几分钟的历史，它的温度足以在任何地方引起核反应。后来，更详细的预测和观察证实了这些重要的见解。
1948年，阿尔夫和赫尔曼预言，大爆炸散射的残余辐射由于宇宙膨胀而冷却，现在其温度大约在绝对零度(5℃)以上，即5 K(绝对零度等于零下273摄氏度，即零下273摄氏度)。然而，他们的预言并没有引起人们的普遍关注，而是被埋没在浩如烟海的物理文献中。其他几位科学家考虑了热膨胀宇宙的起源，也就是说，他们中没有人知道阿尔夫和赫尔曼的论文。原因很清楚。当时的交流和沟通方式与今天不可同日而语。在20世纪40年代和50年代，对于大多数物理学家来说，重现早期宇宙的细节并不是一项非常严肃的科学活动。但多年后的1965年，两位无线电工程师ArnoPenzias和Robert？RoberWilson非常意外地发现了这个宇宙辐射场，当时他们正在校准一个非常敏感的无线电天线，以跟踪第一颗Ccho卫星。与此同时，在附近的普林斯顿大学，由罗伯特？由RoberDicke领导的一个科学家小组独立地重新发现了Alf和Herman做出的早期预测，并着手设计一个探测器来搜索大爆炸的残余辐射。他们听说贝尔实验室的接收器中有无法解释的噪音，并立即将其解释为大爆炸的残余辐射。相当于电磁波谱的微波部分中波长为7.35厘米的某个无线电波信号；如果假设它是热辐射，那么它的能量对应于2.7K的温度——这非常接近阿尔夫和赫尔曼的灵感估计。被称为“宇宙微波背景辐射”。作为对他的预测和发现的纪念，我们应该提到，在1983年，人们开始了解到前苏联无线电物理学家Shmaonov早在1957年就发现了这种辐射，并用俄语宣布了这一事实。Shimanov建造了一个对微波信号敏感的天线，并报告说他在天空的各个方向上探测到了均匀的信号，相应的辐射的温度在1K和7K之间。当时，他和其他任何人都不知道这个发现的重要性。事实上，直到1983年，斯米尔诺夫才听说了宇宙大爆炸的预言以及彭齐亚斯和威尔逊的发现，这距离后两人在18年前因杰出发现获得诺贝尔奖已经过去了5年。
这个发明是人们开始认真研究大爆炸模型的一个信号。渐渐地，人们对宇宙微波进行了更多的观测，揭示了宇宙微波背景辐射的其他性质。这种辐射在各个方向的强度都是一样的，精度至少高达千分之一。而且人们测量了它在不同频率下的强度，开始揭示它的强度随频率变化的方式(也就是它的“谱”)具有纯热的特征。这种辐射被称为“黑体”辐射。遗憾的是，地球大气中的分子对辐射的吸收和发射，使得天文学家无法验证整个背景辐射谱是热辐射谱。人们仍然怀疑它可能是由宇宙开始膨胀后很久发生的各种暴力事件产生的，而不是在大约15亿年前膨胀开始时产生的。只有在地球大气层外观测到这种辐射，才能打消这种疑虑，而这也是美国国家航空航天局的宇宙背景探测器(COBE)卫星在1989年开始从太空测量整个背景辐射谱的第一个伟大成果。那是人们在自然界见过的最完美的黑体光谱，非常惊人的证实了宇宙曾经比现在热几万度。因为只有在这样的极端条件下，宇宙中的辐射才能以黑体的形式存在，才能达到如此高的精度。
利用高空U2平面进行了另一个关键实验，以确认背景辐射并非起源于最近我们附近的宇宙部分。这些早期的间谍飞机机身非常小，翼展很大，这使它们成为非常适合天文观测的稳定平台。这时候他们在仰望天空而不是俯视地面！他们探测到天空中辐射强度的一些系统性变化。如果这种辐射起源于遥远的过去，那么这种变化是意料之中的。如果这种辐射模式成为某种均匀扩张的“海洋”——它产生于宇宙早期，那么我们将在这种海洋中航行。地球绕着太阳转，太阳绕着银河系中心转，银河系在自己的星系群内转，以此类推；这一系列的动作意味着我们在某个方向的背景辐射中穿行。当我们朝这个方向看时，辐射强度将是最强的，在180的方向它将是最弱的。两者之间，辐射强度要随角度呈现某种特征余弦变化，就像在暴雨中跑步，胸部最湿，背部最少。这里，沿着我们运动方向扫过的是微波。不出所料，观测揭示了一些完美的“余弦”变化。
然后，几个不同的实验证实了这个发现——它也被称为“天空余弦”。它证实了这样一个事实，即我们，以及包括我们所在的星系团在内的区域，正在相对于宇宙微波海移动。所以背景辐射不可能在本地产生，或者说它会随着我们移动，所以我们不会看到它的强度和温度的余弦变化。
我们在大爆炸背景辐射中的运动并不是其强度随方向轻微变化的唯一可能原因。如果宇宙在不同的方向上膨胀的速度略有不同，那么在快速膨胀的方向上辐射会更弱更冷。同样，如果在某些方向存在某些物质特别集中或稀少的区域，那么这也会改变我们从这些方向接收到的辐射强度。发射COBE卫星的动机就是寻找这些变化。1992年，这些变化的发现成为了全世界报纸的头条。
当我们从天空的不同方向检查背景辐射的强度时，我们了解了许多关于宇宙结构的惊人的事情。我们发现它在各个方向都以相同的速度膨胀，精度优于千分之一。我们说这种膨胀是近似“各向同性”的，也就是说，在每个方向上都是相同的。如果有人从一个“宇宙博览会”中随机选取一个可能的宇宙，就会出现无数个宇宙变种，它们在某些方向上膨胀得比其他方向快得多，或者高速旋转，甚至在某些方向上收缩，而在其他方向上膨胀。我们的宇宙真的很特别。它似乎处于一种非常有序的状态:膨胀在各个方向上以相同的速度进行，其精确度非常高。这就像你回到家，发现所有孩子的卧室都非常整洁——这是一件很难遇到的事情。这一定施加了一些外部影响。同样，对于宇宙显著的各向同性，一定有某种解释。
长期以来，宇宙学家一直将宇宙的各向同性膨胀视为一个必须解释的大谜团。
在寻找这些解释时，宇宙学家构建了各种可能的宇宙历史，这些宇宙历史不仅可以解释已知的事实，还可以为无法解释的性质提供解释。宇宙学家最感兴趣的假设是，它不仅可以解释宇宙令人费解的特征，还可以预测一些尚未被探测到的宇宙新特性，从而可以通过观察来检验最初的假设，就像在实验室中使用实验来检验其他科学理论的预测一样。不幸的是，我们不能保证我们的仪器足够灵敏，能够进行我们想要的所有观察。由于这种现实的限制，我们无法通过观察来检验很多理论做出的预测。然而，正是这种预测，往往主导着未来会发展出什么样的新天文台或卫星。
我们可以采取的第一种方式是说宇宙开始各向同性地膨胀。宇宙目前的状态只是其特殊起始条件的反映。事情之所以现在这样，是因为当初也是这样。事实上，这解决不了任何问题。它没有解释任何事情，也没有告诉我们任何新的东西。当然，也可能是对的。如果是这样的话，我们可能会期待有更深层次的“原理”，使得宇宙不可避免地(或者至少有压倒性的可能性)以各向同性膨胀的状态开始。这个原理可能在一个相对局部的范围内有其他的应用，这样它自身的存在才能被揭示。令人不快的是，它把解释宇宙现状的负担完全置于未知(或许也是不可知)的宇宙初始状态之上。
第二种方式是把事物的现状看作是宇宙中各种物理过程的结果。在这种情况下，也许无论宇宙的初始状态是多么不规则，在亿万年后，所有的不规则性都被刷掉了，只剩下某种各向同性的膨胀。这种方法的优点是鼓励人们制定一个明确的研究计划，以便发现它是否真的正确。有没有一种物理过程可以抹平膨胀中的不均匀性？“抹平”的过程持续了多久？今天，他们能摆脱所有的不规范行为吗，或者只是消除其中的一小部分？此外，这种方法还有一个令人满意的特点:它使我们对宇宙当前状态的假设尽可能独立于我们对宇宙未知初始状态的理解。我们很高兴地说，无论宇宙是如何开始的，在其早期历史中不可避免地会发生一些物理过程，这确保了宇宙在膨胀了6543.8+05亿年后应该看起来几乎是今天的样子。
虽然这第二种哲学听起来很吸引人，但它也有一个弱点。如果我们真的能证明宇宙的现状和它的初始条件无关，那么我们现在观察宇宙的结构也不能告诉我们任何关于那些初始条件的事情。因为这样一来，宇宙现在的状态可以兼容任何初始状态。然而，恰恰相反，如果宇宙目前的结构——其膨胀的各向同性或星系集群所显示的结构模式——部分反映了宇宙开始的方式，那么就有可能通过我们今天对宇宙的观察，我们或许能够得出一些关于宇宙初始状态的结论。
长期以来，那些发生在宇宙早期的事件一直笼罩在迷雾之中。现在，由于现代粒子物理学的发展，科学家们对宇宙创造的第一分钟发生的事情有了一个合理的描述。下面我们来描述一下这个形象。
先说大爆炸后1/100秒的历史。当时宇宙温度高达6，543.8+0，000亿开尔文，所以没有普通物质。在原子和分子形成之前，它们因为高温而爆炸。整个空间充满了由基本粒子组成的“汤”，其中包含相同数量的电子、中微子(中子衰变为质子和电子时产生的粒子)、正电子(带正电荷电子的反物质)、反中微子(中微子的反物质)和光子；少量更重的粒子，包括质子和中子，以及一些组成暗物质的奇怪粒子。
很难理解当时宇宙的密度有多大，但可以想象，所有的物理实体都被压缩在一个比它们现在占据的面积小几十亿倍的区域内。这么小的空间维持不了多久，很快，宇宙的规模就会迅速增大。在我们最初的“快照”后的最初几秒钟，宇宙几乎膨胀了100倍。
宇宙膨胀，其中的物质开始冷却。这是由以下物理原理决定的:封闭系统膨胀时温度必然下降。这种快速冷却将导致许多重要的变化:首先，许多现有的粒子，如电子和中微子，会发现与它们的反粒子结合对它们有利，而结合的好处是在结合的过程中获得能量。当物质和反物质融合时，它们会相互毁灭，并以光子的形式产生辐射。所以在这期间，光子的数量突然增加。与此同时，宇宙中的大部分中子转化为质子、电子和中微子。可以看到，在这个时期的末期，剩下的主要是光子的“海洋”，里面点缀着不同数量的质子、电子、中微子和中子，以及少量的稀有粒子。
接下来对原始宇宙演化阶段的观察，我们来看看大爆炸三分钟后的场景。宇宙比我们上次“啪啪”的时候凉多了。随着温度的降低，粒子的运动变慢，这使得它们有可能合并成稳定的原子核。
第一个原子核(不算氢核，因为只是质子)是氘，也叫重氢，由一个质子和一个中子组成。一段时间后，宇宙中的大部分中子都并入了氘。
下一个元素是氦-3，这是一种稀有的氦，由氘和质子聚合而成。接下来，当中子与氦-3碰撞时，普通的氦-4就诞生了。一步一步，从氢到锂，我们所知道的所有氢原子核都是由质子、中子和氘组成的。
现在，这些物质在宇宙中的丰度为宇宙的大爆炸模型提供了一个极好的证明。科学家可以尝试估计太空中存在多少氢，并将其与氦的数量进行比较。他们发现，这个比例与每个氦原子有12个氢原子的理论预测非常吻合。到目前为止，用这个比例测试大爆炸图像的效果已经很好了。
1995年，首次探测到大爆炸瞬间产生的氦。约翰？霍普金斯大学的天体物理学家戴维森·克里斯和郑伟使用奋进号航天飞机上的紫外望远镜对类星体发出的光进行了详细的搜索。他们观察这种辐射的目的是找到光线被星系间氦吸收的证据。探索的结果是，确实发现了表明整个宇宙中存在大量氦的特征吸收谱线(波长方案表示氦俘获的辐射)。他们发现探索的太空区域中氦的含量与标准宇宙模型预测的氢氦比12:1完全一致。
比锂原子核更重的原子核不可能在大爆炸中制造出来，因为锂形成的时候宇宙冷却太多，更重的元素不可能聚合。所有较重的元素都是在很久以后在恒星核心的高温炉中锻造出来的。
宇宙演化的下一个重要阶段是重组期。在此期间，宇宙中大多数带正电荷的离子(原子核)收集了足够多的带负电荷的电子，形成不带电的中性原子。在这个过程中，会释放出大量的辐射。这是因为光子倾向于粘在带电离子和自由电子上，并在它们周围跳跃。一旦离子变成中性原子，电子就被锁定在一个紧密的轨道上，绕着原子核运动，光子就可以在空间自由传播。
从此，宇宙沉浸在背景辐射的海洋中。起初，这种辐射是热的，但随着宇宙的膨胀，其温度迅速下降。今天，这种初级能量已经冷却到绝对零度以上2.735 kHz，并继续作为大爆炸的最后残余充斥宇宙。
科学家有充分的理由相信上述事件已经发生。但是不清楚的是这些原始现象发生在多久以前。宇宙的年龄是现代宇宙学中最有争议的问题之一。