顯然，大爆炸宇宙論很像是一種物理學的神話，因為它完全是根據現有的物理學知識來解釋宇宙演化的。而在物理領域本身還有許多未解之謎，例如，原子核物理學至今還沒有進入夸克禁閉的大門，人類對暗物質和反物質還知之甚少。人們在期待著新物理學的誕生。在這種情況下，我們大概只能說，大爆炸宇宙論是目前最好的一種宇宙演化理論。20世紀的宇宙學家們還不能預見最終的宇宙理論。

在一定意義上，人類對宇宙演化過程的研究，主要是為了滿足人類探索宇宙從何處來的需要。這有益于精神世界的豐富，但并不能直接為現實的生產活動服務。由于我們不可能用實驗手段來重演宇宙演化的過程，也難把人類在有限時空中得到的學識推廣到無限的宇宙時空中去，所以，大爆炸宇宙論只是一種假說，我們并不能確切地知道，宇宙究竟是怎樣演化而來的，將來又會怎么樣？

1.用相對論來觀察宇宙的起源

我們的宇宙是如何、為何以及何時開始的？它有多大？其形若何？又由何物構成？任何一個有好奇心的孩子都有可能會問這些問題；現代宇宙學家們為作出回答也奮斗了好幾十年。對于科普作家來說，宇宙學的一個誘人之處乃是其前沿領域中有那么多的問題都很容易表述。而量子電子學、脫氧核糖核酸定序、神經生理學或者純數學的前沿論題，要把專家們的問題翻譯成大眾化的日常語言那真是談何容易。

熱力學第二定律告訴我們，宇宙必定有一個高度有秩序的起始點。第一定律則告訴我們，宇宙不可能自己開始。從這兩條基本原則出發，我們已經能推斷出宇宙是由一個來自宇宙之外的、高于自然規律的即超過自然和想要創造出深不可測秩序的實體所創造的。

愛因斯坦的廣義相對論為我們指明了這一創造事件。弄懂愛因斯坦的廣義相對論公式所要求的數學知識，只有極少數的人具備。有一則自20年代就開始流傳的故事講到，一位記者問相對論專家阿瑟·愛丁頓在世界上是不是真的只有三個人能懂愛因斯坦的理論。在較長的沉思之后，愛丁頓最后終于回答道：“我剛才正在努力地想那第三個人是誰。”

就當前的目的而言，關于廣義相對論我們要說的主要有兩點：一是它所提出的所有可驗證的預測都被證明是正確的；二是廣義相對論公式意味著宇宙不可能是靜態的，而肯定是不斷膨脹或收縮的。甚至艾薩克·牛頓也知道，他的引力定律意味著宇宙中的每一個恒星都應該是相互吸引的，直至整個宇宙都結合到一起。而且，牛頓也曾在四個維度坐標方面做過工作：三個空間坐標和一個時間坐標。愛因斯坦則認識到了時間坐標與其它三個坐標之間相互依賴的關系。

1692年，劍橋學者R·R·本特里寫信給牛頓，指出根據牛頓的引力定律宇宙中的所有恒星最終必須相互吸到一塊而形成一個大火球。對此，牛頓回信說：

……如果太陽及其行星以及宇宙中的物質在整個空間是均衡分布的，每一個粒子對所有其它粒子都有一種內在的引力，而且這些物質所分布的空間是無限的話，那么在該空間之外的物質借助其引力將會向空間之內的所有物質靠近，最終會落在整個空間的中央并由此形成一個很大的球狀物。

牛頓就此而提出宇宙必須是無限的，而且所有恒星必須是均等地相互分開的。然而他很快又意識到，這一解決辦法極端地不穩定，因為任何恒星之間的均衡距離稍有偏差就會導致造成整個宇宙崩潰的連鎖反應。當然，牛頓從來沒有意識到宇宙還有通過膨脹以對抗會將宇宙拉到一起的引力的可能性。

牛頓曾經指出，當一個物體處于運動狀態時，其運動與任何觀察者的運動成相對關系。例如，當坐在馬車內的乘客在車內擲球時，對于該乘客而言此球可能只跑了2英尺遠。但對于站在路旁看馬車跑過去的人來說，此球可能跑了20英尺遠，因為馬車的運動距離也必須加到球的運動距離上。

愛因斯坦也指出，當一個物體處于運動狀態時，它的運動時間與任何觀察者的運動成相對的關系。因為對任何觀察者來說，光總是以同樣的速度運動的，而不管觀察者的運動速度或方向如何。換句話說，假如你想計算打在馬車前面的手電光的運動速度，你可能希望在正常的光速上加進馬車的運動速度。然而與球的運動所不同的是，對乘客和看著馬車跑過去的人來說，光具有以同樣的速度運動的古怪特性。

時間的相對性在物體的運動速度接近于光速時變得特別值得注意：以接近光速的速度旅行的宇航員每經歷一天，對地球上的人來說就是一年（盡管由于難以達到這一速度，使得這種說明只具有理論意義）。而且由于質量與能量之間的關系，對于地球上的觀察者來說，在宇航員的旅行速度更接近于光速之時，其體重看起來會在增加而其身高會沿運動方向變小。

對于物體在高速運動條件下所產生的這種不同尋常的現象的描述，被稱為狹義相對論，它是愛因斯坦在1905年發表的理論。該理論提出了空間—時間的概念，表述的是空間和時間是如何彼此關聯的。廣義相對論（發表于1915年）表述的空間—時間特性清楚地解釋了引力的作用。愛因斯坦推測，引力不可能是即刻對遠距離物體產生作用的實際吸引力，因為狹義相對論指出沒有什么物體的運動速度會比光速更快。相反，引力是質量對空間一時間產生影響的后果。大質量的物體應該明顯地“彎曲”靠近它的空間，并“放慢”任何靠近它的觀察者的時間。

這樣，我們就弄清了太陽的引力作用不是拖著行星的吸引力，而是由于太陽的質量彎曲了它周圍的空間，從而迫使每一顆行星選擇的都是在彎曲空間中最可能直的運動軌道。

至于大質量物體應當能放慢其近旁觀察者的時間的預言，早在1962年就得到了完全的證實。當時，人們在放置于水塔頂端和底端的非常準確的鐘表之間發現了時間差。鐘表越靠近地球，時間就走得越慢，因為這里的地球引力作用更大一些。這一結果與廣義相對論的預測是嚴格一致的。史蒂芬·霍金對人造衛星目前是如何依賴于這種經常性預測來修正它們的精確導航系統做了描述：“如果誰忽視了廣義相對論的預測，那么他所計算的衛星位置將會誤差幾英里！”

廣義相對論的正確性在準確解釋牛頓定律所不能解釋的水星軌道的一次不正常情況時，馬上得到了驗證。當其它兩項預言也得到證實時，證明該理論正確的證據就越發地多了：恒星的光在經過大質量的太陽之時會發生彎曲，其光頻率會在引力場中發生改變。1919年，在西非普林西比島上觀測日全食時，阿瑟·愛丁頓爵士第一個觀察到了恒星光經過太陽時的彎曲現象，盡管該結果并不是太精確。天文學家瓦爾特·亞當斯后來又在白矮星天狼星B座觀察到了曾經預言過的光波偏移現象。今天的測量已經表明，廣義相對論預測的準確性可以達到小數點后面的五位數，和測量技術所能達到的程度一樣地準確。

愛因斯坦的公式表明，假如宇宙中有足夠的不太分散的質量的話，那么宇宙的質量實際上將能導致所有的空間向它彎曲，直至整個宇宙都“閉合”起來。這很像牛頓的宇宙中所有物體都將會聚在一起從而變成一個中心質量的想法。另一方面，假如宇宙的密度低到某一臨界值，那么愛因斯坦公式則意味著宇宙中的所有物體將會彼此越分越遠。這樣宇宙將會不斷膨脹并會在時間上變慢。

愛因斯坦認為，應不惜一切代價避免對爆炸的這種描述，因為不論是膨脹的還是縮小的宇宙都不符合宇宙是靜態和永恒的這一常識性科學觀點。因此，在1917年的一篇題為“對廣義相對論的宇宙學思考”的文章中，他選擇了不相信促使他導出他的公式的邏輯并提出了他的著名的“宇宙常量”。提出這一奇怪的力量是為了補償引力的不足和增加遠距離物體間的引力，因此，它與物理學中的其它已知力量皆不同。而且，它還必須達到一個十分精確的程度才能保持宇宙的穩定：要在宇宙開始膨脹與開始縮小變成一次“大壓榨”之間取得完美的平衡。

1922年，前蘇聯數學家亞歷山大·弗里德曼在愛因斯坦對靜態宇宙的證明中發現了一個代數錯誤。在糾正了該錯誤并拋棄了愛因斯坦的宇宙常量之后，弗里德曼發現愛因斯坦的“靜態宇宙”竟成了不可能的事。宇宙必須或者是開放式的或者是封閉式的，即或者是膨脹的或者是縮小的。

經過前幾年的獨立努力，荷蘭天文學家威廉姆·德西特也為愛因斯坦的要求宇宙一直膨脹下去的公式找到了一種甚至是帶有宇宙常量的解法。英國天文學家阿瑟·愛丁頓獨立地發現了即使帶著宇宙常量，愛因斯坦所取得的平衡也是一個“不穩定”的平衡——它與將宇宙送入膨脹或崩潰狀態的平衡點稍有偏離。

愛因斯坦后來曾為將他著名的附加因素引入他的理論而責備自己，他稱增加該宇宙常量為：“我一生中最大的失誤。”從此之后，愛因斯坦不但撰文論述需要一個起始點，而且表明自己的心愿就是要“知道上帝是如何創造世界的”。

這樣，特別是從20世紀60年代初期開始，當用一次又一次的測試來精確測定廣義相對論的預測效力成為可能之時，科學已經從堅持永恒宇宙觀的立場轉而堅持宇宙是有起始點的，而這一點正是廣義相對論所明確預測過的。

2.科學家們的各種宇宙演化模型

當愛因斯坦的廣義相對論使人信服地描繪了物質的存在與空間易彎性的關系后，他便積極地尋找試驗其模型的途徑并應用于實際問題。他認為，沒有應用，理論只不過是一個數學練習題，而不是物理現實的真實體現。特別是他希望其模型能描繪整個宇宙的行為舉止。為達到此目的，在1917年，他設計了一個廣義相對論的宇宙藍圖，一個用數學方法來描述宇宙的特征是如何隨時間而演變的，即宇宙演化的圖像。

他第一次做出的一個可操作的宇宙模型自認為以失敗而告終：將其廣義相對論的方程式應用于空間的整體時，他沮喪地看到方程式的解是不穩定的。在模型中未預見到的是，空間的距離不是保持恒定不變，而是有賴于環境隨時間伸長或縮短。

愛因斯坦考慮是不是做了件大錯事，為什么宇宙中各點之間的距離會改變呢？空間不應當自行擴大或縮小，好像是一塊潮濕的羊毛氈子那樣。看來，沒有發生這種景象的物理理由。

為了改正他的“錯誤”，他在方程式中額外增加了一個他稱之為宇宙常數的項，用以穩定他的方程式，并保證宇宙中的距離不隨時間而改變。增加這個宇宙常數項，對愛因斯坦來說多少有點兒權宜之計，但他想不出更好的辦法來保護他所看到的空間自然靜止的圖像。

在愛因斯坦發展了他修正的模型（該模型被稱為愛因斯坦宇宙）之后幾年，當得知宇宙確實在膨脹的證據時，他很驚奇，極度后悔在自己的模型中加了一個宇宙常數項，稱其為他一生中所犯的最大錯誤。

當大多數科學家相信宇宙曾經是極小的，后來膨脹了的時候，他們便開始考慮支持這一觀點的宇宙模型了。1922年，由蘇聯數學家弗里德曼發展起來的宇宙模型來自愛因斯坦的廣義相對論方程，但沒有宇宙常數項。因為剔除了這一穩定項，弗里德曼的解是動態的而不是靜止的。這一伸縮性對于描述不斷運動著的宇宙是重要的。

弗里德曼宇宙學有三種不同的類型，分別叫作開放的、閉合的和平直的宇宙模型。三者由它們的長期行為來區分，表現為隨時間而變化的漲到多大（或縮到多小）。

開放式模型從一點開始，宇宙的體積開始時為零。當開放式宇宙發展時，它開始長大，一旦開始了膨脹，便不停頓地膨脹下去，就好像一群青春年華的少男少女，由于腦垂體生長激素的不停地分泌，任何因素都不能阻止他們身體的生長發育。

閉合式模型則正相反，其長大有個限度。其開始時與開放式宇宙完全一樣，從一點向所有方向爆發式地擴張。但在其歷史進程中的某一時刻，宇宙的膨脹足夠慢時所有方向上的長大均停止下來。最終，使宇宙長大慢下來的力導致宇宙逆轉其進程并縮小到一點。此情景常被稱為大暴縮。

平直式宇宙介于上述兩種情形之間。即開始時和開放式、閉合式一樣；此后，它雖然也不停地膨脹，但總是在坍縮的邊緣搖擺。

這三種模型中的哪一種代表我們宇宙的情形呢？為了回答這個問題，理論工作者引進了一個叫做Ω參數的物理變量。這個量來源于愛因斯坦方程的弗里德曼解：它是一個因子，表示宇宙中物質的總量——包括可見的物質和不可見的暗物質——與使宇宙坍縮所需要的臨界質量之比。Ω之值決定著我們所考慮的宇宙是開放的、閉合的還是平直的。若Ω小于1，宇宙是開放的，它將一直膨脹下去；若Ω大于1，則我們生活在一個閉合的宇宙內，以后總有一天要逆轉其膨脹勢頭回縮到一個點：若Ω正好等于1，則空間是平直的。

不論由Ω決定的宇宙的命運是什么樣子的，宇宙的來源只有一個。天文學家們相信，現在宇宙中所有的物質——恒星、行星、星際氣體等等——在從前的某一時刻曾經凝聚為一個尺度無限小但密度卻無窮大的“球”。那時，在被稱作大爆炸的時刻，該球從空無（Nothingness）向外爆發。