宇宙包含空間和時間，是一切物質(zhì)及其存在形式的總體。人們一直試圖解釋宇宙的本質(zhì)和起源，宇宙起源是一個極復雜的科學問題，涉及對宇宙的起始時刻的探究，尤其是如何從起始時刻演化成為現(xiàn)在人類觀測到的宇宙。
宇宙起源問題歸屬于現(xiàn)代宇宙學，是天體物理學的分支，源頭可以追溯到20世紀初。宇宙是由大約137億年前發(fā)生的一次大爆炸形成的。1915年，美籍猶太裔物理學家阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）發(fā)表廣義相對論并提出了場方程，為宇宙起源的理論模型奠定了理論基礎(chǔ)。1929年，哈勃空間望遠鏡（Hubble）觀測到星系的退行速度和距離成正比，推斷出宇宙正在膨脹。1946年，伽莫夫（Gamow）提出宇宙起源的“大爆炸理論”（The Big Bang Theory）并推導出宇宙早期的核合成，他的學生阿爾菲（Ralph Asher Alpher）進一步完善了他的結(jié)論，阿爾菲認為輻射主導著早期宇宙，且這個背景輻射場今天依然存在，其特征溫度為幾K，處于微波波段。這種微波背景輻射在1965年被阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）偶然間觀測到，伽莫夫提出的“大爆炸理論”也逐漸得到重視。
“大爆炸理論”（The Big Bang Theory）是現(xiàn)代宇宙學中最有影響的一種學說，該理論認為宇宙起源于一個無維度的點，即一個在空間和時間上都無尺度但卻包含了宇宙全部物質(zhì)的奇點，而宇宙誕生于一次“爆炸”，從而創(chuàng)造了時間、空間和一切物質(zhì)。然而，大爆炸無法解釋“大爆炸之前的宇宙”，也就是最初的“奇點”，一部分科學家認為“宇宙確實是從大爆炸開始的，但沒有理由相信真正的物理宇宙也是如此”。對此，也有科學家嘗試根據(jù)弦理論（String theory）或圈量子理論（Loop quantum gravity）等量子引力理論解釋”大爆炸之前的宇宙”，但缺乏可驗證的量子引力理論。其它關(guān)于宇宙起源模型也存在一些問題，現(xiàn)有的觀測數(shù)據(jù)還無法排除或確認這些模型中的任何一個。
研究經(jīng)歷
宇宙起源研究的歷史可以追溯到古希臘的哲學家，如亞里士多德（Aristoteles）提出了有關(guān)天體運動的理論。當時理論更多地基于哲學推斷，缺乏觀測支持。歐洲中世紀時期，一些天文學家的著作被翻譯成拉丁文，促進了天文學的研究。然而，這個時期天文學受到教會的支配，而科學觀點受到限制。文藝復興時期，哥白尼（Nicolaus Copernicus）等人提出了日心說，帶來了自然科學的復興。17世紀，牛頓發(fā)表了引力理論；1915年，阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論，兩者為研究宇宙起源提供了理論支持。17世紀，伽利略·伽利萊（Galileo Galilei）、艾薩克·牛頓（Isaac Newton）先后發(fā)明制造了折射式望遠鏡和反射式望遠鏡并將之對準太空，從此開啟了真正意義上的天文觀測。此后，工業(yè)革命帶來的照相技術(shù)與光譜分析技術(shù)成為天文學和宇宙起源研究的重要組成部分。
古代研究
遠古時期，人類祖先在觀測天象變化的同時，也開始了對宇宙的思考。世界各民族都有自己最初關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)的看法，以及關(guān)于宇宙起源的神話。遠在中國戰(zhàn)國時期的尸佼，就曾給宇宙下過一個定義：“四方上下曰宇，往古來今為宙”，也就是說，宇宙即是時空。相比于西方的“Cosmos”（原意為和諧、秩序）或“Universe”（原意為天地萬物），尸佼的這一定義與現(xiàn)代宇宙學更相符。中國古代文獻也有豐富多彩的關(guān)于宇宙起源的論述。例如《老子》的“天下萬物生于有，有生于無”，這和現(xiàn)代宇宙學關(guān)于宇宙起源于真空的說法不謀而合。又如三國時期徐整的《三五歷記》中關(guān)于盤古開天的故事，其中描述的圖像和現(xiàn)代宇宙學中膨脹宇宙的圖像非常類似。當然，古人的看法并不是建立在科學實證基礎(chǔ)之上的，當時也沒有對之進行科學證實的條件，故它們只能屬于猜測或神話傳說。但在這些猜測或神話中，蘊含了深刻的啟示和哲理：宇宙并不是生來如此、亙古不變的，它會經(jīng)歷一個從創(chuàng)生到成長的演化過程，這一點與現(xiàn)代科學的宇宙觀一致。
與古代中國類似，世界上許多古代文明發(fā)源地都有它們自己的關(guān)于宇宙起源的神話。古希臘的哲學家們相信宇宙本身包裹著一個球形外殼，地球居中，例如：畢達哥拉斯（Pythagoras）認為，一切立體圖形中最美好的是球形，一切平面圖形中最美好的是圓形，而整個宇宙是一個和諧體系（Cosmos）的代表物；柏拉圖（Plato）認為，各種天體都是神靈，神靈美好的心使得它們作有規(guī)律的運動，它們分別在以地球為中心的同心球殼內(nèi)運轉(zhuǎn)；亞里士多德在《天論》中寫到，“亙古以來，最外層的天整個都無變化……必須是球形的。地球不用說是動的，它的地位不在別處，只在宇宙的中心”。克羅狄斯·托勒密（Claudius Ptolemaeus）在古希臘天文學家喜帕恰斯（Hipparkhos）觀測結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的大量觀測，寫出了古代歐洲最詳盡、最完整的天文學巨著一一《大系統(tǒng)論》。他用一套復雜的本輪—均輪系統(tǒng)來解釋日、月、行星的運動，提出“地心說”，這成為古代歐洲的標準宇宙模型。到了歐洲中世紀，托勒密一世的宇宙體系成為了宗教神學的理論支柱，而此時的宇宙學已淪入經(jīng)院神學的深淵。
現(xiàn)代科學
地心說作為宗教神學的核心，在歐洲中世紀統(tǒng)治了人們對宇宙的認知，直到1543年，波蘭天文學家尼古拉·哥白尼的不朽巨著《天體運行論 影響世界歷史進程的書》書稿得以出版問世，書中提出了中提出了更符合觀測的日心說，戰(zhàn)勝了此前主流的地心說，自然科學才開始從神學的束縛中解放出來，宇宙學逐漸從宗教本位回歸科學本位。隨后，意大利哲學家布魯諾（Giordano Bruno）提出宇宙是無限的。不久，約翰尼斯·開普勒（Kepler）把他的老師第谷·布拉赫（Tycho）和他自己的大量天文觀測記錄加以整理、計算，得到了著名的行星運動的開普勒三定律。他發(fā)現(xiàn)行星的運動軌道并非圓形，而是橢圓形，太陽位于橢圓的一個焦點上。從此，從柏拉圖、亞里士多德以來被認為“最完美、最神圣的圓運動”的神話被徹底結(jié)束了。雖然開普勒并不了解支配天體運動的根本原因所在，只是用“宇宙和諧的韻律”來解釋觀測到的天體運行規(guī)律，但他的工作為艾薩克·牛頓（Newton）引力理論的發(fā)現(xiàn)奠定了堅實的觀測基礎(chǔ)。
伽利略·伽利萊于1609年親手制造了一架折射式望遠鏡。他用它發(fā)現(xiàn)了月亮上的環(huán)形山和“海”（月面上平坦的陸地），木星的四顆衛(wèi)星以及太陽黑子和金星的盈虧。此外，他還看到了許多肉眼看不到的恒星。1668年，英國物理學家艾薩克·牛頓也制造出了第一架反射望遠鏡。牛頓在約翰尼斯·開普勒和伽利略的大量觀測和實驗基礎(chǔ)上，開創(chuàng)了經(jīng)典力學，他的引力理論開辟了以力學方法研究宇宙的途徑。伽利略和牛頓這兩位近代物理的先驅(qū)不僅創(chuàng)立了完美的經(jīng)典力學理論，還首次將望遠鏡指向太空，從此開啟了真正意義上的天文觀測。工業(yè)革命帶來的照相技術(shù)與光譜分析技術(shù)促進了天體物理學的發(fā)展，這些觀測技術(shù)是探索宇宙起源不可或缺的技術(shù)手段。1915年，阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論，提出了著名的場方程，將物質(zhì)、能量與時空聯(lián)系了起來。牛頓和愛因斯坦的研究成果都為研究宇宙起源提供了理論基石。
在20世紀40年代末，科學家更喜歡所謂的“恒穩(wěn)宇宙模型”，該模型認為宇宙在時間和空間上是不變的，對恒穩(wěn)宇宙而言，“宇宙起源”這個問題實際上并不存在。直到1927年，通過研究阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論，比利時神父勒梅特（Georges Lema?tre）推斷，如果愛因斯坦的理論是正確的（自 1919 年以來就有充分的證據(jù)證明這一點），則宇宙必定在膨脹，并通過理論計算出了宇宙膨脹的速度。而這一理論在1929年，被美國天文學家愛德文·哈勃（Edwin Hubble）通過觀測證實。此后，伽莫夫提出宇宙通過一次“大爆炸”創(chuàng)生，阿爾菲據(jù)此推斷早期宇宙充滿了輻射，該輻射場在今天處于微波波段，這個“背景輻射”在1965年被觀測到，之后，“大爆炸理論”逐漸成為主流的宇宙起源模型。
標準模型
今天，為了在不同波段對宇宙中的天體進行觀測，科學家建立了不同的天文望遠鏡，人類對宇宙的理解也從定性描述階段進入了高精度測量階段，現(xiàn)在被廣泛接受的宇宙學標準模型，是大爆炸理論框架下有宇宙學常數(shù)的冷暗物質(zhì)模型（Cosmological Constant–Cold Dark Matter,$\Lambda$CDM）。大爆炸理論認為宇宙早期應該處于一種高溫而致密的狀態(tài)，通過一次大爆炸創(chuàng)生，隨之開始膨脹，觀測發(fā)現(xiàn)的遙遠天體的紅移是宇宙膨脹的有力證據(jù)，觀測到河外天體有系統(tǒng)性的譜線紅移，而且紅移與距離大體成正比。該理論還預測了宇宙早期的核合成過程，這一過程預言的“背景輻射”(Cosmic 微波 Background，CMB)和對宇宙中氦元素豐度都被觀測所證實。在各種不同天體上，氦豐度相當大，而且大都是30%。用恒星核反應機制不足以說明為什么有如此多的氦。而根據(jù)大爆炸理論，早期溫度很高，產(chǎn)生氦的效率也很高，則可以說明這一事實。CDM的兩大理論支柱，是暴脹（inflation）理論和冷暗物質(zhì)（Cold Dark Matter，CDM）模型。目前基于CMB的觀測和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的觀測都給出了標準模型下暗物質(zhì)、暗能量組分的精確測量。
觀測證據(jù)
標準模型之所以得到科學界的普遍認可，是因為該模型能解釋紅移現(xiàn)象、氦元素豐度以及微波輻射背景等觀測事實。
大爆炸
20世紀40年代，美籍俄裔物理學家喬治·伽莫夫（George Gamow）基于“宇宙在不斷膨脹”這一觀點，推測如果時間倒退演進，宇宙早期應該處于一個高溫又致密的狀態(tài)下，當宇宙年齡不到 200 秒的時候，溫度高達10億度，這足以引發(fā)核反應，時間越早溫度密度就越高，所以宇宙的一開始只存在中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態(tài)的物質(zhì)。而只有隨著宇宙的膨脹，溫度很快下降，物質(zhì)密度逐漸降低，最基本粒子才有可能進行相互轉(zhuǎn)化，通過核合成過程形成原子、分子等。這個假設(shè)同時預測了早期核合成過程會導致宇宙中充滿背景輻射，雖然宇宙的膨脹會使輻射溫度降低，但這個背景輻射場今天依然存在，其特征溫度為幾K，處于微波波段，該輻射場即背景輻射。大爆炸理論起初并未得到廣泛的認同，直到 20 世紀 60 年代，CMB的首次發(fā)現(xiàn)，伽莫夫的理論才逐漸受到重視，其理論被稱為大爆炸宇宙學模型，隨著更多觀測事實證實了模型的預言，大爆炸模型逐漸成為最被廣泛認可的理論，在此基礎(chǔ)上，現(xiàn)代宇宙學又向前邁進了一大步。
暴脹理論
大爆炸宇宙論雖然成功預言了微波背景輻射，但依然存在“視界疑難”（horizon problem）與“平坦性疑難”（flatness problem）兩個問題。對此，美國物理學家阿蘭·古斯（Alan Harvey Guth）對標準模型進行改良，提出了暴脹理論，該理論描述了宇宙在極早期經(jīng)歷了一個暴脹階段，從大爆炸后約 開始，至大爆炸后約 之前結(jié)束。暴脹期間，宇宙尺度以指數(shù)倍增加了40多個數(shù)量級，之后恢復到標準模型。暴脹理論假設(shè)了原初真空量子漲落的存在，經(jīng)過暴脹過程的放大，導致了在之后物質(zhì)演化過程中分布的不均勻性。由于宇宙在極短時間內(nèi)膨脹了約倍，這就同時解決了“視界疑難”與“平坦性疑難”兩個問題。
盡管我們無法直接證明暴脹時期的存在，但是暴脹理論預言的演化效應已經(jīng)被一系列的 CMB 試驗所證實，如COBE、WMAP、Planck。
冷暗物質(zhì)模型
人們對星系和星系團的動力學測量發(fā)現(xiàn)僅僅靠發(fā)光物質(zhì)的質(zhì)量不足以維持整個系統(tǒng)的引力平衡，此外，引力透鏡效應以及大尺度結(jié)構(gòu)的分布等，都間接證明了暗物質(zhì)（dark matter）的存在。暗物質(zhì)占總物質(zhì)能量的26.8%左右，遠遠高于重子物質(zhì)所占的4.9%，因此暗物質(zhì)在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的演化中起到?jīng)Q定性作用，構(gòu)成整個宇宙的骨架。同時，現(xiàn)代宇宙學認為，重子物質(zhì)被束縛在暗物質(zhì)所形成的引力勢阱中，形成了我們今天看到的恒星、星系等可觀測天體。
雖然除了引力作用之外，重子物質(zhì)的其他物理過程也會對小尺度(星系以下)的結(jié)構(gòu)形成起到作用，但是這些過程對大尺度結(jié)構(gòu)的影響可以忽略。標準模型認為暗物質(zhì)粒子無碰撞、無耗散，只通過引力相互作用，且這種粒子低速運動，稱之為“冷暗物質(zhì)”。這些特點使其很難被探測到，目前還沒有直接觀測證據(jù)，科學家已經(jīng)設(shè)計了一些實驗，用來區(qū)分和探測理論預言的暗物質(zhì)粒子的候選者：低溫粒子探測器(如DAMA、氙10、CDMS、CRESST等)被用來直接探測暗物質(zhì)粒子；歐洲的大型強子對撞機的能量已經(jīng)達到了可以揭示或者排除潛在的暗物質(zhì)粒子候選者的能力；星系團中心被認為是暗物質(zhì)最密集的區(qū)域，因此利用衛(wèi)星(PAMELA、Fermi)，測量星系團中心暗物質(zhì)粒子碰撞湮滅時發(fā)射的射線信號來探測暗物質(zhì)粒子。
當然，暗物質(zhì)理論不是唯一可能解決旋轉(zhuǎn)曲線問題的理論。如，MOND理論通過修改引力理論解決旋轉(zhuǎn)曲線的問題：如果引力在加速度極微弱的區(qū)域(如星系外邊緣)有別于牛頓引力，就可以解決星系旋轉(zhuǎn)曲線的問題。但MOND理論目前還無法對引力透鏡現(xiàn)象給出合理解釋，同時也沒有構(gòu)建在MOND理論基礎(chǔ)上的、令人滿意的宇宙模型。總而言之，宇宙學尺度上的引力理論仍然存在很大的爭議。
暗能量
在標準宇宙學模型下，宇宙中約70%的物質(zhì)能量密度被歸結(jié)于暗能量（dark energy），暗能量主導了宇宙的加速膨脹。為了平衡引力以得到靜態(tài)的宇宙學模型，愛因斯坦在相對論場方程中引入了宇宙學常數(shù)。哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹后，20世紀末Ia型超新星觀測結(jié)果表明，宇宙在加速膨脹，再次證明宇宙學常數(shù)不為零，可能是“暗能量”的表現(xiàn)，其以負壓力的形式使宇宙克服引力作用加速膨脹，宇宙演化早期物質(zhì)占主導地位，宇宙膨脹速率較低，而宇宙演化后期物質(zhì)密度降低，暗能量開始占主導地位，宇宙進入加速膨脹階段。
“宇宙在加速膨脹”這個觀點已經(jīng)被廣泛接受，但使宇宙加速膨脹的暗能量本質(zhì)一直困擾著物理界，宇宙學常數(shù)是解釋暗能量的最簡單模型，但在目前觀測精度下，宇宙學常數(shù)模型無法和其他暗能量模型被區(qū)分開來。包括Planck、DES、PanSTARR、WiggleZ、eBOSS、LSST、Euclid等，諸多正在進行或未來的大型巡天計劃的主要科學目標之一，就是研究暗能量的性質(zhì)。如果現(xiàn)有理論對暗能量預言是正確的，上述觀測可能將暗能量性質(zhì)約束在更小的范圍內(nèi)，給暗能量的研究帶來突破。
宇宙演化年鑒
在現(xiàn)代宇宙學理論中，宇宙最初處于溫度、密度極高的狀態(tài)，稱為“普朗克時期”（Planck epoch），通過“大爆炸”在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生了時間、空間和各種基本粒子。此時四種基本作用力（引力、電磁力、強核力和弱核力）相互耦合。經(jīng)歷普朗克時期，此后引力首先四種作用力中退耦，隨后進入暴脹時期，宇宙空間變得平直，強核力退耦。隨著宇宙膨脹，宇宙溫度持續(xù)降低，當溫度下降到約時，弱核力退藕。
經(jīng)歷隨著溫度下降，宇宙進入輻射主導時期（大爆炸后10s-38000年）。在此期間，宇宙中介質(zhì)的熱碰撞能量降低，允許原子核存在，宇宙進入持續(xù)17分鐘的原初核合成時期，當宇宙年齡不到200秒時，溫度高達100億度以上，此時期只形成氫、氦、鋰，更重的元素需要通過后期的恒星核合成創(chuàng)造。溫度進一步下降到100萬度后，早期形成化學元素的過程結(jié)束。此后宇宙中重子物質(zhì)將在很長時間處于電離平衡狀態(tài)。
經(jīng)過約幾萬年，宇宙進入物質(zhì)主導階段。當溫度下降到輻射的能量無法維持物質(zhì)等離子體的電離平衡，此時自由電子與原子核結(jié)合形成中性原子，這一時期稱為復合時期（約38萬年)。復合結(jié)束后，發(fā)生光子退耦，這些光子彌散到整個宇宙的背景輻射中，隨著宇宙膨脹溫度持續(xù)降低，到今天已經(jīng)紅移到微波波段，溫度約為2.7K，即我們發(fā)現(xiàn)的宇宙微波背景輻射。
光子退耦后的很長時間內(nèi)，約宇宙學紅移（redshift）20-30之間，宇宙沒有任何可見光，被稱為宇宙的黑暗時期，在此期間，宇宙在重力作用下持續(xù)演化。原初擾動經(jīng)歷一段時間的線性增長后，進入非線性演化階段，暗物質(zhì)首先坍[tān]縮并形成結(jié)構(gòu)，重子物質(zhì)在其中形成最初的恒星和類星體，在此期間它們發(fā)出強烈輻射使周圍的宇宙再電離，宇宙中再次充滿等離子體，這稱為再電離時期，通常認為發(fā)生在宇宙學紅移6-20時。此后，宇宙結(jié)構(gòu)繼續(xù)形成，大量物質(zhì)坍縮稱為星系，在彼此重力的牽扯下進一步形成各種星系群，星系團等可觀測天體。
普朗克時期
普朗克時期是標準模型認定的宇宙歷史中最早的時間階段，從至大約（即大約一個普朗克時間的間隔）。現(xiàn)代物理宇宙學認為，普朗克時期的宇宙尺度極其微小，因此重力的量子效應支配了這個時期的物理過程，而包括萬有引力的四種基本作用力統(tǒng)一在一起，也就是所謂的“大統(tǒng)一理論”（Grand Unified Theory，GUT）。目前還沒有明確證據(jù)支持大統(tǒng)一理論，該理論依然需要經(jīng)歷更多實驗驗證才可能成為一個有效的理論。
科學家認為，普朗克時期的宇宙極高溫、極致密，所有物質(zhì)能量也極其集中。根據(jù)標準模型，大爆炸之前只有充滿了量子漲落的“沸騰的真空”，宇宙起源自一百多億年前的一次真空量子漲落，其給出的時間尺度即為宇宙誕生時相應的時間尺度，在約內(nèi)，通過“大爆炸”釋放巨大的真空潛能，此后才創(chuàng)生了時空和物質(zhì)，也即創(chuàng)生了物理意義上的宇宙。而現(xiàn)在還沒有可被觀測證實的理論對這個時期進行描述。
最初三分鐘
普朗克時期之后，宇宙經(jīng)歷了暴脹時期、夸克時期、強子時期與輕子時期，這一切在約10s內(nèi)就完成了。接下來，宇宙早期的核合成發(fā)生了，基本粒子合成了基礎(chǔ)的輕元素（這里主要指核、核、氦核），這是宇宙中物質(zhì)、生命的基礎(chǔ)，而這一切在宇宙創(chuàng)生后的約3min內(nèi)就被創(chuàng)造出來了。宇宙大爆炸后，用來描述宇宙演化的最佳參數(shù)是溫度，因為它可以直接測量，且直接關(guān)聯(lián)粒子熱運動能量的典型值。因此，可以根據(jù)溫度的下降，截取宇宙圖景的快照（snapshot），說明宇宙起源的最初三分鐘。
復合時期
宇宙的早期核合成之后約幾萬年，光子等輻射粒子能量密度持續(xù)下降至低于氫、氦原子核為主的物質(zhì)粒子能量密度之下，宇宙進入了物質(zhì)主導的時期。此時物質(zhì)是自由電子、質(zhì)子、光子等混合的等離子體，宇宙處于均勻各向同性狀態(tài)。物質(zhì)-輻射之間耦合，二者處于熱平衡狀態(tài)。宇宙年齡約30萬年，溫度4000K以下時，幾乎所有電子都被結(jié)合到中性原子中，輻射和物質(zhì)退藕，這就是復合時期（Recombination）。這個時期之間，輻射與自由電子間的強烈相互作用使宇宙處于不透明狀態(tài)，輻射與物質(zhì)退藕，宇宙背景光子和自由電子發(fā)生最后一次散射，此后在空間中自由傳播，因此復合時期后，宇宙變得透明。我們現(xiàn)在接收到的“背景輻射”的光子，就是來自于背景光子和自由電子的最后一次散射。
星系形成
復合時期后，物質(zhì)粒子從輻射退藕，而物質(zhì)粒子在宇宙中不是均勻分布的，這種不均勻性表現(xiàn)在對宇宙微波背景輻射的觀測結(jié)果中，觀測表明，復合結(jié)束時物質(zhì)粒子分布存在的相對密度漲落。這些密度漲落是原初宇宙留下的、宇宙結(jié)構(gòu)形成的“種子”，這些小的密度漲落隨著宇宙膨脹在引力作用下增長，經(jīng)歷一系列物理過程形成我們今天觀察到的星系等結(jié)構(gòu)。
由于空間中較冷的區(qū)域擁有更密集的氣體云，隨著這些氣體團塊的增長，它們的引力吸引了更多物質(zhì)，其中心變得熾熱，最終發(fā)生核聚變。這時第一代恒星形成了，即星族III恒星（Population?III stars）。它們的質(zhì)量是太陽的30到300倍，亮度是太陽的數(shù)百萬倍。幾億年來，第一代恒星聚集成了第一批星系。
許多研究認為，第一代恒星可能形成于復合時期后約2-3億年，而這一時期，由于氫原子的吸收效應，宇宙再次變得不透明，因此宇宙保持黑暗，即宇宙的黑暗年代（Dark Age）。此時的宇宙由大量的氫原子、氦和少量的重元素組成，而這一時期的宇宙發(fā)生了什么，還沒有人知道。因此，第一代恒星的形成是從理論能推導得到的結(jié)論，還沒有明確的觀測證據(jù)證實其存在。
理論基礎(chǔ)
為了描述標準模型下的宇宙是如何隨時間而膨脹的，在宇宙學原理和阿爾伯特·愛因斯坦場方程的基礎(chǔ)上，蘇聯(lián)科學家亞歷山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）建立了弗里德曼方程描述空間上均一且各向同性的膨脹宇宙。理論上，只需要兩類方程就可以描述宇宙的演化：把宇宙中所有的組分（重子物質(zhì)，暗物質(zhì)，光子，中微子，暗能量）和宇宙的膨脹聯(lián)系起來；所有組分滿足能量守恒。
宇宙學原理
宇宙學原理（Cosmological principle）是一個通設(shè)，嚴格地限制了許多合理的宇宙學的理論。宇宙學原理表述為：宇宙在大尺度上是均勻且各向同性的。即，在宇宙不同地點、同一時刻看到的宇宙圖像及宇宙演化圖景都相同。
愛因斯坦場方程
愛因斯坦場方程（Einstein field equations）是愛因斯坦在廣義相對論的基礎(chǔ)上提出的，用來描述引力、時空幾何同物質(zhì)間關(guān)系的方程，即“時空告訴物質(zhì)如何運動，物質(zhì)告訴時空如何彎曲”。其數(shù)學形式為
是愛因斯坦張量，用于描述時空的幾何性質(zhì)；是里奇張量，代表曲率項；是度規(guī)張量；是里奇張量縮并得到的曲率標量；是宇宙學常數(shù)項；是物質(zhì)能量動量張量，描述了宇宙中物質(zhì)和能量的分布；是引力常數(shù)和真空中的光速。場方程的弱場近似即可推出牛頓引力定律。
羅伯遜-沃爾克度規(guī)
標準模型認為宇宙的結(jié)構(gòu)源自原初密度擾動，隨著宇宙膨脹在引力作用下生長。對均勻、各向同性的宇宙，兩點之間的距離可以用羅伯遜-沃爾克度規(guī)（Robertson-Walker metric，R-W metric）進行描述
是宇宙尺度因子（也叫膨脹因子，cosmological scale factor），通常定義現(xiàn)在時刻的膨脹因子為。羅伯遜-沃爾克度規(guī)是三維球面在四維時空上的推廣，構(gòu)成共動坐標系統(tǒng)，共動距離在球面上不變，而物理距離隨著宇宙膨脹變化，和共動距離存在關(guān)系 ，宇宙尺度因子是羅伯遜-沃爾克度規(guī)中唯一的自由度。的形式由空間曲率因子決定，和宇宙的幾何形狀相關(guān)。觀測表明我們所在的宇宙是平直的，對平直宇宙，。在宇宙學基本原理下求解愛因斯坦場方程，可以得到描述宇宙中的組分（暗能量、暗物質(zhì)、重子物質(zhì)、輻射）隨宇宙膨脹而演化的弗里德曼方程。
弗里德曼方程
弗里德曼方程（Friedmann equations）是基于宇宙學原理，在廣義相對論框架下描述空間上均一且各向同性的膨脹宇宙模型的一組方程。它們最早由杰爾姆·弗里德曼在1922年得出。將羅伯遜-沃爾克度規(guī)帶入愛因斯坦場方程，即可到描述宇宙隨時間演化的動力學方程，弗里德曼方程：
這也是宇宙學標準模型的基本方程。是宇宙中組分的壓強，密度是物質(zhì)（matter）密度和輻射（radiation）密度之和。為羅伯遜-沃爾克度規(guī)中提到的尺度因子，為萬有引力常數(shù)，為光速，為曲率因子，為宇宙學常數(shù)。是哈勃參量。帶下角標“0”的通常稱為哈勃常數(shù)（hubble constant），對應宇宙現(xiàn)在時刻的愛德文·哈勃參量。
對曲率因子，宇宙學常數(shù)的宇宙，可得到物質(zhì)和輻射的平均密度，可以定義臨界密度。式中
弗里德曼方程的第二個式子變?yōu)?/p>
可以定義無量綱的宇宙學參數(shù)：
包含暗物質(zhì)和重子物質(zhì)的物質(zhì)密度參數(shù)：
輻射密度參數(shù)：
真空能密度參數(shù)：
宇宙曲率密度參數(shù)：
宇宙學參數(shù)之和滿足。對平直宇宙有。結(jié)合狀態(tài)方程，在測定哈勃空間望遠鏡參量和宇宙學參數(shù)后，可得到宇宙各組分能量密度隨時間的演化。
輻射和物質(zhì)都隨時間衰減，宇宙經(jīng)過高溫的輻射主導時期，隨著宇宙膨脹溫度降低，進入物質(zhì)主導時期，當輻射和物質(zhì)密度衰減到作為常數(shù)的真空能以下，宇宙進入暗能量為主導的時期，也是當今宇宙所處的階段。
其他模型
穩(wěn)恒宇宙
從哲學角度來看，另一個更有吸引力的理論是所謂的“恒穩(wěn)模型”（或稱“穩(wěn)態(tài)模型”，steady-state model）。1948年，赫爾曼·邦迪(Hermann Bondi)、托馬斯·戈爾德(Thomas Gold) 和弗雷德·霍伊爾 (Fred Hoyle) 發(fā)表了關(guān)于穩(wěn)態(tài)宇宙學的論文。提出了這一理論。恒穩(wěn)模型認為宇宙基本上一直是現(xiàn)在的樣子，新物質(zhì)不斷被創(chuàng)造出來，填補星系間的空隙。這意味著宇宙呈現(xiàn)出恒定的一般性質(zhì)，在時間、空間上都是不變的，也就是說，這個理論認為宇宙沒有起源，而是一直是今天的樣子。在這里，根本不存在早期宇宙，宇宙起源問題也不存在。
阿爾伯特·愛因斯坦也曾是穩(wěn)恒宇宙的支持者，他為了平衡引力在場方程中引入了“宇宙學常數(shù)”，從而錯過了預言宇宙膨脹的機會，據(jù)喬治·伽莫夫說，愛因斯坦曾對他說過“宇宙常數(shù)是我一生中犯下的最大錯誤”。
宇宙的周期性模型
美國宇宙學家保羅·斯泰恩哈特（Paul J. Steinhardt）和南非物理學家尼爾·圖羅克（Neil Turok）在2001年提出了一個宇宙周期性模型，"宇宙循環(huán)"（Cyclic Universe）模型。這一理論認為，宇宙并不是一次性的大爆炸后就永遠膨脹，而是經(jīng)歷了多次膨脹和收縮的周期。每個周期的膨脹階段被稱為“宇宙膜”（universe brane）。然后宇宙反彈，最終再次引發(fā)下一個膨脹。在每個周期的膨脹階段，兩個宇宙膜分別位于多維空間中，并在一定時間點相互碰撞，這一碰撞會導致宇宙中的物質(zhì)和能量重新排列，然后引發(fā)新的膨脹。在這里，“大爆炸”不是時空的開始，而是從進化的早期階段過渡。
混沌暴脹理論
俄裔美國理論物理學家安德烈·林德（Andrei Linde）于1983年提出了混沌暴脹理論（Chaotic Inflation Theory），該理論將宇宙的能量密度看作一個自由能量場，且這個場的能量密度可以在不同區(qū)域之間發(fā)生巨大的波動和漲落。這些能量密度的變化可以導致宇宙的某些區(qū)域進入暴脹階段，而其他區(qū)域則沒有進入，形成不規(guī)則的宇宙結(jié)構(gòu)。該理論提出了弦理論真空穩(wěn)定的一種可能機制，涉及到弦理論背景下暴漲多元宇宙理論的人擇原理（Anthropic principle）。
膜宇宙模型
膜宇宙模型（Brane Cosmology）是超弦理論和M理論的的分支，由物理學家尼瑪·阿爾卡尼（Nima Arkani-Hamed）、薩維斯·賈西克（Savas Dimopoulos）和古比·杰蘭（Gia Dvali）等人于1998年首次提出。其認為我們所處的宇宙可能是一個多維度空間中的一個薄膜或“膜”的一部分，它可以看作是一個超級宇宙中的子宇宙。我們所知的宇宙只是其中之一，被稱為“可觀測宇宙膜”（observable universe brane）。根據(jù)膜宇宙論，在重力牽引下，膜與膜之間的“接觸”會形成聯(lián)系兩者的短暫通道，蟲洞。膜之間的相互“碰撞”，則視為大爆炸。該模型認為宇宙誕生于膜宇宙間的碰撞，最后再相互遠離，即“火宇宙理論”（ekpyrotic universe）。
新的進展
大爆炸理論雖然已經(jīng)得到了科學家的廣泛認同，但“大爆炸之前是什么”這個問題依然沒有得到解答，為了對這一問題進行研究，有更多科學家在尋找“大爆炸模型”之外的，更多可能解釋宇宙起源問題的模型。除了宇宙的周期模型、混沌暴脹理論等上述模型，一些理論物理學家另辟蹊徑，用粒子質(zhì)量的不斷增加解釋星系的紅移現(xiàn)象。最近幾十年間，涌現(xiàn)了大量新的早期宇宙的觀測數(shù)據(jù)，這大大推動了人類對宇宙起源問題的研究。
英國《自然》雜志網(wǎng)站于2013年7月16日發(fā)表了一篇報道，對標準模型中“宇宙在不斷膨脹”這一觀點提出了質(zhì)疑，該文章認為，遙遠星系距離地球越來越遠，可以用粒子質(zhì)量的不斷增加來解釋：因為光速是有限的，當我們看著遙遠的星系時，我們是在朝更早的時間看。如果所有的質(zhì)量一直在增加，古老星系的顏色將更紅，其紅移也將同它們與地球之間的距離成正比。該文由德國海德堡大學理論物理學研究的克里斯托弗·維特里克（Christof Wetterich）發(fā)表在預印本庫（arxiv）上，維特里克構(gòu)建了一種完全不同的宇宙學框架：模型中，普朗克質(zhì)量和所有粒子質(zhì)量呈指數(shù)增長，原子尺寸相應縮小。文中提出了一個簡單的模型，其中粒子質(zhì)量源自標量“宇宙場”，類似于希格斯標量。宇宙的勢能導致了暴脹和當前暗能量。當宇宙場的值增加時，曲率標量在所有宇宙學時間上幾乎恒定。在這里，宇宙學不存在大爆炸奇點，但存在其他等效的場變量，對于這些變量，早期宇宙表現(xiàn)出膨脹或靜止。對于那些“場坐標”來說，大爆炸是奇異的。因此大爆炸奇點與場坐標的奇異選擇有關(guān)。這一理論似乎有助于理解宇宙大爆炸中出現(xiàn)的“奇點”。維特里克認為，在名為暴脹的短期之內(nèi)，宇宙仍然在快速膨脹，在暴脹之前，宇宙大爆炸不再包含有一個宇宙密度無限大的“奇點”時刻。該模型的問題在于它無法被檢驗，而現(xiàn)在的主流模型依然是大爆炸理論。
2018年，大阪產(chǎn)業(yè)大學和國立天文臺的一個國際研究小組發(fā)現(xiàn)距地球132.8億光年的星系含有氧，這是觀測史上發(fā)現(xiàn)氧的最遠紀錄。大爆炸后不久，第一代恒星開始改變原始星系的化學組成，慢慢地豐富了星際介質(zhì)中的氧、碳、氮等基本元素。因此，追蹤這些元素的早期痕跡將為了解星系的化學演化提供重要線索。該觀測結(jié)果證明，在宇宙誕生約5億年時，第一批恒星形成產(chǎn)生的氧元素已經(jīng)在該星系中擴散，該研究促進了人們對早期宇宙第一批星系形成的了解。
2022年，新一代空天望遠鏡，詹姆斯韋布望遠鏡（James Webb Space Telescope，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡）的投入運行，這將極大地推動科學家對早期宇宙，包括大爆炸后宇宙中形成的第一批恒星發(fā)出的光的認知，其預計在軌的未來十幾年內(nèi)，宇宙起源的研究也將進入黃金時期。
參考資料 >
Origin of the Universe.the Scientific American.2023-09-28
Origins and the Universe.SCIENCE FOR DEVELOPING SCIENTIFICALLY LITERATE CITIZENS.2023-10-07
Astroparticle physics.The story of the Universe.2023-10-10
詞語解釋-宇宙.漢典.2023-10-07
universe.dictionary.com.2023-10-08
宇宙大爆炸理論與反對大爆炸理論.中國教育信息化網(wǎng)-教育講堂.2023-10-08
太陽的故事（三）地心說vs日心說.中國網(wǎng)絡(luò)電視臺，科教臺，星際探索.2023-10-09
RBML’s copy of rare Galileo text appears in PBS’s Secrets of the Dead.News from Columbia's Rare Book & Manuscript Library.2023-09-28
Big bang theory is introduced 1927.A Science Odyssey. WGBH.2023-10-08
Observatories Across the Electromagnetic Spectrum.National Aeronautics and Space Administration, image the universe.2023-10-11
Move over, Hubble: Discovery of expanding cosmos assigned to little-known Belgian astronomer-priest.Science.2023-10-03
DES.The Dark Energy Survey.2023-10-01
Pan-STARRS — the Panoramic Survey Telescope And Rapid Response System.Pan-STARRS.2023-10-01
WiggleZ Dark Energy Survey .WiggleZ.2023-10-01
Cosmology Results from eBOSS.eBOSS.2023-10-01
LSST.LSST.2023-10-01
euclid.euclid.2023-10-01
大統(tǒng)一理論.中國科學院高能物理研究所.2023-10-10
The Planck era: Imagining our infant universe.Astronomy Newsletter.2023-10-11
The Universe’s History.NASA Universe Exploration.2023-10-06
ORIGINS OF THE UNIVERSE.National Geographic Origins of the universe.2023-10-06
.GP-B — Einstein's Spacetime - Gravity Probe B.2023-10-10
哈勃常數(shù).中國大百科全書.2023-10-09
愛因斯坦“一生最大的錯誤”.環(huán)球科學（huanqiukexue.com）.2023-09-27
科學家提出“循環(huán)宇宙”模型.中國科學院新聞-國際動態(tài).2023-10-11
德國科學家打破現(xiàn)有“真理” 稱宇宙并非在膨脹.中國新聞網(wǎng)-國際新聞.2023-10-07
Cosmologist claims Universe may not be expanding.Nature.2023-09-28
Webb.JAMES WEBB SPACE TELESCOPE.2023-10-08
.JAMES WEBB SPACE TELESCOPE GODDARD SPACE FLIGHT CENTER.2023-09-28