宇宙起源

宇宙包含空间和时间，是一切物质及其存在形式的总体。^[6][7]人们一直试图解释宇宙的本质和起源，宇宙起源是一个极复杂的科学问题，涉及对宇宙的起始时刻的探究，尤其是如何从起始时刻演化成为现在人类观测到的宇宙。^[1][2]

宇宙起源问题归属于现代宇宙学，是天体物理学的分支，源头可以追溯到20世纪初。1915年，美籍犹太裔物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）发表广义相对论并提出了场方程，为宇宙起源的理论模型奠定了理论基础。^[8][9]1929年，哈勃（Hubble）观测到星系的退行速度和距离成正比，推断出宇宙正在膨胀。^[10]1946年，伽莫夫（Gamow）提出宇宙起源的“大爆炸理论”（The Big Bang Theory）并推导出宇宙早期的核合成，他的学生阿尔菲（Ralph Asher Alpher）进一步完善了他的结论，阿尔菲认为辐射主导着早期宇宙，且这个背景辐射场今天依然存在，其特征温度为几K，处于微波波段。^[11][12]这种微波背景辐射在1965年被阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）偶然间观测到，伽莫夫提出的“大爆炸理论”也逐渐得到重视。^[13]

“大爆炸理论”（The Big Bang Theory）是现代宇宙学中最有影响的一种学说，该理论认为宇宙起源于一个无维度的点，而宇宙诞生于一次“爆炸”，从而创造了时间、空间和一切物质。^[1]然而，大爆炸无法解释“大爆炸之前的宇宙”，也就是最初的“奇点”，一部分科学家认为“宇宙确实是从大爆炸开始的，但没有理由相信真正的物理宇宙也是如此”。^[14][15]对此，也有科学家尝试根据弦理论（String theory）或圈量子理论（Loop quantum gravity）等量子引力理论解释”大爆炸之前的宇宙”，但缺乏可验证的量子引力理论。^[14][16][17]其它关于宇宙起源模型也存在一些问题，现有的观测数据还无法排除或确认这些模型中的任何一个。^[18][19]

宇宙起源研究的历史可以追溯到古希腊的哲学家，如亚里士多德（Aristoteles）提出了有关天体运动的理论。当时理论更多地基于哲学推断，缺乏观测支持。欧洲中世纪时期，一些天文学家的著作被翻译成拉丁文，促进了天文学的研究。然而，这个时期天文学受到教会的支配，而科学观点受到限制。文艺复兴时期，哥白尼（Nicolaus Copernicus）等人提出了日心说，带来了自然科学的复兴。17世纪，牛顿发表了引力理论；1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，两者为研究宇宙起源提供了理论支持。17世纪，伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）、艾萨克·牛顿（Isaac Newton）先后发明制造了折射式望远镜和反射式望远镜并将之对准太空，从此开启了真正意义上的天文观测。此后，工业革命带来的照相技术与光谱分析技术成为天文学和宇宙起源研究的重要组成部分。^[3]

远古时期，人类祖先在观测天象变化的同时，也开始了对宇宙的思考。世界各民族都有自己最初关于宇宙结构的看法，以及关于宇宙起源的神话。远在中国战国时期的尸佼，就曾给宇宙下过一个定义：“四方上下曰宇，往古来今为宙”，也就是说，宇宙即是时空。相比于西方的“Cosmos”（原意为和谐、秩序）或“Universe”（原意为天地万物），尸佼的这一定义与现代宇宙学更相符。中国古代文献也有丰富多彩的关于宇宙起源的论述。例如《老子》的“天下万物生于有，有生于无”，这和现代宇宙学关于宇宙起源于真空的说法不谋而合。又如三国时期徐整的《三五历记》中关于盘古开天的故事，其中描述的图像和现代宇宙学中膨胀宇宙的图像非常类似。当然，古人的看法并不是建立在科学实证基础之上的，当时也没有对之进行科学证实的条件，故它们只能属于猜测或神话传说。但在这些猜测或神话中，蕴含了深刻的启示和哲理：宇宙并不是生来如此、亘古不变的，它会经历一个从创生到成长的演化过程，这一点与现代科学的宇宙观一致。^[20]

与古代中国类似，世界上许多古代文明发源地都有它们自己的关于宇宙起源的神话。古希腊的哲学家们相信宇宙本身包裹着一个球形外壳，地球居中，例如：毕达哥拉斯（Pythagoras）认为，一切立体图形中最美好的是球形，一切平面图形中最美好的是圆形，而整个宇宙是一个和谐体系（Cosmos）的代表物；柏拉图（Plato）认为，各种天体都是神灵，神灵美好的心使得它们作有规律的运动，它们分别在以地球为中心的同心球壳内运转；亚里士多德在《天论》中写到，“亘古以来，最外层的天整个都无变化……必须是球形的。地球不用说是动的，它的地位不在别处，只在宇宙的中心”。托勒密（Claudius Ptolemaeus）在古希腊天文学家喜帕恰斯（Hipparkhos）观测结果的基础上，结合自己的大量观测，写出了古代欧洲最详尽、最完整的天文学巨著一一《大系统论》。他用一套复杂的本轮—均轮系统来解释日、月、行星的运动，提出“地心说”，这成为古代欧洲的标准宇宙模型。到了欧洲中世纪，托勒密的宇宙体系成为了宗教神学的理论支柱，而此时的宇宙学已沦入经院神学的深渊。^[20]

地心说作为宗教神学的核心，在欧洲中世纪统治了人们对宇宙的认知，直到1543年，波兰天文学家哥白尼的不朽巨著《天体运行论》书稿得以出版问世，书中提出了中提出了更符合观测的日心说，战胜了此前主流的地心说，自然科学才开始从神学的束缚中解放出来，宇宙学逐渐从宗教本位回归科学本位。随后，意大利哲学家布鲁诺（Giordano Bruno）提出宇宙是无限的。不久，开普勒（Kepler）把他的老师第谷（Tycho）和他自己的大量天文观测记录加以整理、计算，得到了著名的行星运动的开普勒三定律。他发现行星的运动轨道并非圆形，而是椭圆形，太阳位于椭圆的一个焦点上。从此，从柏拉图、亚里士多德以来被认为“最完美、最神圣的圆运动”的神话被彻底结束了。虽然开普勒并不了解支配天体运动的根本原因所在，只是用“宇宙和谐的韵律”来解释观测到的天体运行规律，但他的工作为牛顿（Newton）引力理论的发现奠定了坚实的观测基础。^[4][20]

伽利略于1609年亲手制造了一架折射式望远镜。他用它发现了月亮上的环形山和“海”（月面上平坦的陆地），木星的四颗卫星以及太阳黑子和金星的盈亏。此外，他还看到了许多肉眼看不到的恒星。1668年，英国物理学家艾萨克·牛顿也制造出了第一架反射式望远镜。牛顿在开普勒和伽利略的大量观测和实验基础上，开创了经典力学，他的引力理论开辟了以力学方法研究宇宙的途径。伽利略和牛顿这两位近代物理的先驱不仅创立了完美的经典力学理论，还首次将望远镜指向太空，从此开启了真正意义上的天文观测。工业革命带来的照相技术与光谱分析技术促进了天体物理学的发展，这些观测技术是探索宇宙起源不可或缺的技术手段。^[3]1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，提出了著名的场方程，将物质、能量与时空联系了起来。牛顿和爱因斯坦的研究成果都为研究宇宙起源提供了理论基石。^[20]

在20世纪40年代末，科学家更喜欢所谓的“恒稳宇宙模型”，该模型认为宇宙在时间和空间上是不变的，对恒稳宇宙而言，“宇宙起源”这个问题实际上并不存在。^[24][25]直到1927年，通过研究爱因斯坦的广义相对论，比利时神父乔治·勒梅特（Georges Lemaître）推断，如果爱因斯坦的理论是正确的（自 1919 年以来就有充分的证据证明这一点），则宇宙必定在膨胀，并通过理论计算出了宇宙膨胀的速度。^[26][27]而这一理论在1929年，被美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）通过观测证实。^[10]此后，伽莫夫提出宇宙通过一次“大爆炸”创生，阿尔菲据此推断早期宇宙充满了辐射，该辐射场在今天处于微波波段，这个“宇宙微波背景辐射”在1965年被观测到，之后，“大爆炸理论”逐渐成为主流的宇宙起源模型。^[4]

今天，为了在不同波段对宇宙中的天体进行观测，科学家建立了不同的天文望远镜，人类对宇宙的理解也从定性描述阶段进入了高精度测量阶段，现在被广泛接受的宇宙学标准模型，是大爆炸理论框架下有宇宙学常数的冷暗物质模型（Cosmological Constant–Cold Dark Matter,CDM）。^[4]大爆炸理论认为宇宙早期应该处于一种高温而致密的状态，通过一次大爆炸创生，随之开始膨胀，观测发现的遥远天体的红移是宇宙膨胀的有力证据。^[10]该理论还预测了宇宙早期的核合成过程，这一过程预言的“宇宙微波背景辐射”(Cosmic Microwave Background，CMB)和对宇宙中氦元素丰度都被观测所证实。 ^[12][13][28]CDM的两大理论支柱，是暴胀（inflation）理论和冷暗物质（Cold Dark Matter，CDM）模型。目前基于CMB的观测和宇宙大尺度结构的观测都给出了标准模型下暗物质、暗能量组分的精确测量。^[4]

标准模型之所以得到科学界的普遍认可，是因为该模型能解释红移现象、氦元素丰度以及微波辐射背景等观测事实。

红移现象：美国天文学家埃德温·鲍威尔·哈勃通过观测若干近邻星系中的恒星和星团，发现这些天体的谱线具有普遍的红移现象，即这些天体发出的电磁波波长会变长。这个现象意味着这些星系以某个退行离我们远去，在非相对论条件下，通过多普勒频移关系，可推得星系的退行速度为。其中定义为哈勃常数，是被观测的星系距我们的距离。这就是著名的“哈勃定律”（Hubble's law）。^[10]为了纪念勒梅特的贡献，这一定律全称为“哈勃-勒梅特定律”。^[30]这意味着所有星系都在离我们远去，是宇宙膨胀演化的有力证据。^[1]氦元素丰度：根据大爆炸理论，大爆炸核合成的产物质量的75% 为氢，25% 为氦，与太阳的金属丰度十分接近。^[28]观测发现在宇宙的不同天体中，氦元素丰度相当大，和大爆炸理论推测的结果基本相符。^[31]宇宙微波背景辐射：在大爆炸理论的基础上，阿尔菲推测出原初核合成过程产生的辐射会充斥在宇宙各个角落，其到现在仍有约的背景辐射残留。 ^[12]1965年，彭齐亚斯和威尔逊探测到了 的微波背景辐射，证实了大爆炸模型的推测。宇宙微波背景辐射在大尺度上是均匀各向同性的，仅在小尺度上存在微小的涨落。^[13]

20世纪40年代，美籍俄裔物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）基于“宇宙在不断膨胀”这一观点，推测如果时间倒退演进，宇宙早期应该处于一个高温又致密的状态下，当宇宙年龄不到 200 秒的时候，温度高达10亿度，这足以引发核反应，时间越早温度密度就越高，所以宇宙的一开始只存在最基本的粒子。^[11]而只有随着宇宙的膨胀，温度、物质密度的逐渐降低，最基本粒子才有可能进行相互转化，通过核合成过程形成原子、分子等。这个假设同时预测了早期核合成过程会导致宇宙中充满背景辐射，虽然宇宙的膨胀会使辐射温度降低，但这个背景辐射场今天依然存在，其特征温度为几K，处于微波波段，该辐射场即宇宙微波背景辐射。^[12]大爆炸理论起初并未得到广泛的认同，直到 20 世纪 60 年代，CMB的首次发现，伽莫夫的理论才逐渐受到重视，其理论被称为大爆炸宇宙学模型，随着更多观测事实证实了模型的预言，大爆炸模型逐渐成为最被广泛认可的理论，在此基础上，现代宇宙学又向前迈进了一大步。^[4][13]

大爆炸宇宙论虽然成功预言了微波背景辐射，但依然存在“视界疑难”（horizon problem）与“平坦性疑难”（flatness problem）两个问题。对此，美国物理学家阿兰·哈维·古斯（Alan Harvey Guth）对标准模型进行改良，提出了暴胀理论，该理论描述了宇宙在极早期经历了一个暴胀阶段，从大爆炸后约 开始，至大爆炸后约 之前结束。暴胀期间，宇宙尺度以指数倍增加了40多个数量级，之后恢复到标准模型。暴胀理论假设了原初真空量子涨落的存在，经过暴胀过程的放大，导致了在之后物质演化过程中分布的不均匀性。^[32]由于宇宙在极短时间内膨胀了约倍，这就同时解决了“视界疑难”与“平坦性疑难”两个问题。^[33]

视界疑难（或因果疑难）：由于观测到的宇宙微波背景辐射是高度各向同性的，这说明不同方向上、距离极其遥远的两点之间也一定存在因果联系，即由某种共同的物理过程造成这两点之间有所关联。换句话说，我们今天看到的全部宇宙，历史上曾经处于同一个有因果联系的区域，即“视界”，视界的大小近似正比于宇宙时间。若不考虑暴胀，从现在倒退到普朗克时间，视界将缩小约倍，目前观测到的空间区域将缩小约倍，视界的大小远小于空间尺度，也就是说，观测中极其遥远的两点之间，不应有因果关联，但这与宇宙微波背景辐射的观测结果不同，这就是“视界疑难”。若考虑暴胀，空间区域将缩小将扩大到约倍。这使我们今天看到的全部宇宙在宇宙暴胀前处于同一个有因果联系的区域，这样就解决了“视界”疑难。^[33][34]

平坦性疑难：根据标准宇宙模型，早期宇宙中物质密度极高，随着宇宙膨胀，物质密度才会下降。广义相对论表明，物质的存在使时空弯曲，也就是说，可观测宇宙的整体几何形状应当能看到明显区别。然而实际观测表明，宇宙从开始到现在都是平直的，这就是标准宇宙学模型遇到的“平坦性疑难”。暴胀期间，宇宙曲率半径急剧膨胀，想象一个二维球面，当曲率半径变得非常巨大时，球面可以被近似看成平面，而弯曲的空间可以被近似为平直的空间。因此，暴胀会抹平早期任何不为零的空间曲率，留下一个平直的、总物质能量密度等于宇宙临界密度的宇宙。^[33][34]

尽管我们无法直接证明暴胀时期的存在，但是暴胀理论预言的演化效应已经被一系列的 CMB 试验所证实，如COBE^[35]、WMAP^[36]、Planck^[37]。

人们对星系和星系团的动力学测量发现仅仅靠发光物质的质量不足以维持整个系统的引力平衡，此外，引力透镜效应以及大尺度结构的分布等，都间接证明了暗物质（dark matter）的存在。^[4]暗物质占总物质能量的26.8%左右，远远高于重子物质所占的4.9%，因此暗物质在宇宙大尺度结构的演化中起到决定性作用，构成整个宇宙的骨架。^[37]同时，现代宇宙学认为，重子物质被束缚在暗物质所形成的引力势阱中，形成了我们今天看到的恒星、星系等可观测天体。^[38]

虽然除了引力作用之外，重子物质的其他物理过程也会对小尺度(星系以下)的结构形成起到作用，但是这些过程对大尺度结构的影响可以忽略。标准模型认为暗物质粒子无碰撞、无耗散，只通过引力相互作用，且这种粒子低速运动，称之为“冷暗物质”。^[40]这些特点使其很难被探测到，目前还没有直接观测证据，科学家已经设计了一些实验，用来区分和探测理论预言的暗物质粒子的候选者：低温粒子探测器(如DAMA、Xenon10、CDMS、CRESST等)被用来直接探测暗物质粒子；欧洲的大型强子对撞机的能量已经达到了可以揭示或者排除潜在的暗物质粒子候选者的能力；星系团中心被认为是暗物质最密集的区域，因此利用卫星(PAMELA、Fermi)，测量星系团中心暗物质粒子碰撞湮灭时发射的射线信号来探测暗物质粒子。^[41]

当然，暗物质理论不是唯一可能解决旋转曲线问题的理论。如，MOND理论通过修改引力理论解决旋转曲线的问题：如果引力在加速度极微弱的区域(如星系外边缘)有别于牛顿引力，就可以解决星系旋转曲线的问题。^[42]但MOND理论目前还无法对引力透镜现象给出合理解释，^[43]同时也没有构建在MOND理论基础上的、令人满意的宇宙模型。总而言之，宇宙学尺度上的引力理论仍然存在很大的争议。^[4]

在标准宇宙学模型下，宇宙中约70%的物质能量密度被归结于暗能量（dark energy），暗能量主导了宇宙的加速膨胀。为了平衡引力以得到静态的宇宙学模型，爱因斯坦在相对论场方程中引入了宇宙学常数。哈勃发现宇宙在膨胀后，20世纪末Ia型超新星观测结果表明，宇宙在加速膨胀，再次证明宇宙学常数不为零，可能是“暗能量”的表现，其以负压力的形式使宇宙克服引力作用加速膨胀，宇宙演化早期物质占主导地位，宇宙膨胀速率较低，而宇宙演化后期物质密度降低，暗能量开始占主导地位，宇宙进入加速膨胀阶段。^[44][45]

“宇宙在加速膨胀”这个观点已经被广泛接受，但使宇宙加速膨胀的暗能量本质一直困扰着物理界，宇宙学常数是解释暗能量的最简单模型，但在目前观测精度下，宇宙学常数模型无法和其他暗能量模型被区分开来。包括Planck^[46]、DES^[47]、PanSTARR^[48]、WiggleZ^[49]、eBOSS^[50]、LSST^[51]、Euclid^[52]等，诸多正在进行或未来的大型巡天计划的主要科学目标之一，就是研究暗能量的性质。如果现有理论对暗能量预言是正确的，上述观测可能将暗能量性质约束在更小的范围内，给暗能量的研究带来突破。^[4]

在现代宇宙学理论中，宇宙最初处于温度、密度极高的状态，称为“普朗克时期”（Planck epoch），通过“大爆炸”在极短的时间内产生了时间、空间和各种基本粒子。此时四种基本作用力（引力、电磁力、强核力和弱核力）相互耦合。经历普朗克时期，此后引力首先四种作用力中退耦，随后进入暴胀时期，宇宙空间变得平直，强核力退耦。随着宇宙膨胀，宇宙温度持续降低，当温度下降到约时，弱核力退藕。^[53]

经历随着温度下降，宇宙进入辐射主导时期（大爆炸后10s-38000年）。在此期间，宇宙中介质的热碰撞能量降低，允许原子核存在，宇宙进入持续17分钟的原初核合成时期，此时期只形成氢、氦、锂，更重的元素需要通过后期的恒星核合成创造。此后宇宙中重子物质将在很长时间处于电离平衡状态。^[53]

经过约几万年，宇宙进入物质主导阶段。当温度下降到辐射的能量无法维持物质等离子体的电离平衡，此时自由电子与原子核结合形成中性原子，这一时期称为复合时期（约38万年)。复合结束后，发生光子退耦，这些光子弥散到整个宇宙的背景辐射中，随着宇宙膨胀温度持续降低，到今天已经红移到微波波段，温度约为2.7K，即我们发现的宇宙微波背景辐射。^[53]

光子退耦后的很长时间内，约宇宙学红移（redshift）^[注1]20-30之间，宇宙没有任何可见光，被称为宇宙的黑暗时期，在此期间，宇宙在重力作用下持续演化。原初扰动经历一段时间的线性增长后，进入非线性演化阶段，暗物质首先坍tān缩并形成结构，重子物质在其中形成最初的恒星和类星体，在此期间它们发出强烈辐射使周围的宇宙再电离，宇宙中再次充满等离子体，这称为再电离时期，通常认为发生在宇宙学红移6-20时。此后，宇宙结构继续形成，大量物质坍缩称为星系，在彼此重力的牵扯下进一步形成各种星系群，星系团等可观测天体。^[53]

普朗克时期是标准模型认定的宇宙历史中最早的时间阶段，从至大约（即大约一个普朗克时间的间隔）。现代物理宇宙学认为，普朗克时期的宇宙尺度极其微小，因此重力的量子效应支配了这个时期的物理过程，而包括万有引力的四种基本作用力统一在一起，也就是所谓的“大统一理论”（Grand Unified Theory，GUT）。^[55]目前还没有明确证据支持大统一理论，该理论依然需要经历更多实验验证才可能成为一个有效的理论。^[56]

科学家认为，普朗克时期的宇宙极高温、极致密，所有物质能量也极其集中。根据标准模型，大爆炸之前只有充满了量子涨落的“沸腾的真空”，宇宙起源自一百多亿年前的一次真空量子涨落，其给出的时间尺度即为宇宙诞生时相应的时间尺度，在约内，通过“大爆炸”释放巨大的真空潜能，此后才创生了时空和物质，也即创生了物理意义上的宇宙。而现在还没有可被观测证实的理论对这个时期进行描述。^[53][57]

普朗克时期之后，宇宙经历了暴胀时期、夸克时期、强子时期与轻子时期，这一切在约10s内就完成了。接下来，宇宙早期的核合成发生了，基本粒子合成了基础的轻元素（这里主要指氘dāo核、氚chuān核、氦核），^[58][59]这是宇宙中物质、生命的基础，而这一切在宇宙创生后的约3min内就被创造出来了。宇宙大爆炸后，用来描述宇宙演化的最佳参数是温度，因为它可以直接测量，且直接关联粒子热运动能量的典型值。^[60]因此，可以根据温度的下降，截取宇宙图景的快照（snapshot），说明宇宙起源的最初三分钟。^[61]

宇宙温度为：宇宙中充斥着一种辐射场，其中的粒子相互之间迅速发生碰撞。只有阈值温度低于的粒子才能存在，包括电子、正电子，以及静质量为零的粒子，如光子、中微子和反中微子。尽管宇宙膨胀速度非常快，此时的宇宙处于一种几乎完美的热平衡状态。此时，宇宙成分是由统计力学的物理规律决定的。此时的宇宙迅速膨胀，不断冷却，宇宙的每一点都恰好以逃逸速度远离任意中心，宇宙膨胀的特征时间约为0.02s（实际上，任何时期的宇宙，其膨胀的特征时间都是当时哈勃参数的倒数）。此时，宇宙大约每10亿个光子或电子或中微子对应一个质子和中子。知道质子和中子的相对比例，就可以预测早期宇宙中化学元素的丰度。而平衡要求此时的质子数和中子数大致相等。^[62]宇宙温度为：距第一个快照，宇宙时间已经逝去约0.11s。宇宙主要成分没有本质变化，仍包括正负电子、中微子、反中微子和光子，它们均处于热平衡状态，能量密度以温度的四次方下降。宇宙的膨胀特征时间延长了约0.2s。随着温度的降低，较重的中子更容易转化成较轻的质子，此时中子、质子的相对比例约为38%和62%。^[62]宇宙温度为：距第一个快照，宇宙时间已经逝去了约1.09s。不断降低的温度大大增加了中微子和反中微子的平均自由时间，它们此时退藕成为自由粒子，不再与正负电子和光子保持热平衡状态。宇宙的膨胀特征时间增加至大约2s。中子和质子依然不能集结成原子核，此时中子、质子的相对比例约为24%和76%。^[62]宇宙温度为：距离第一个快照，宇宙时间已经过去约13.82s。宇宙的温度比正负电子的阈值温度低，正负电子开始迅速消失。此时开始，宇宙温度实际上是指光子的温度。此时由于温度较低，各种稳定的核得以形成。一个光子和一个中子形成一个氘核（），氘核与一个质子或一个中子碰撞，形成一个同位素氦三（），与一个中子发生碰撞，或与一个质子发生碰撞，都会形成一个氦核（）。但在此时的温度下，无法稳定存在而形成稍重的核。中子仍在被转化成质子，但转化速度比以前要慢得多，现在中子、质子的相对比例约为17%、83%。^[63]宇宙温度为：距离第一个快照，宇宙时间已经过去约3min2s。大部分正负电子已经消失，这时宇宙主要组分包括质子、中微子和反中微子。正负电子湮灭过程中释放能量，这使光子的温度比中微子的温度要高大约35%。不久之后，宇宙温度下降到氘核能结合在一起，通过快照4描述的核反应，能迅速形成氦核。核合成前，中子衰变使中子-质子平衡转变成13%中子和87%质子。核合成后，氦质量的比率刚好等于结合成氦的所有核粒子的比率：基本而言，所有中子都能结合成氦，因此氦的比率是中子比率的两倍，约26%。^[63]

宇宙的早期核合成之后约几万年，光子等辐射粒子能量密度持续下降至低于氢、氦原子核为主的物质粒子能量密度之下，宇宙进入了物质主导的时期。此时物质是自由电子、质子、光子等混合的等离子体，宇宙处于均匀各向同性状态。物质-辐射之间耦合，二者处于热平衡状态。宇宙年龄约30万年，温度4000K以下时，几乎所有电子都被结合到中性原子中，辐射和物质退藕，这就是复合时期（Recombination）。这个时期之间，辐射与自由电子间的强烈相互作用使宇宙处于不透明状态，辐射与物质退藕，宇宙背景光子和自由电子发生最后一次散射，此后在空间中自由传播，因此复合时期后，宇宙变得透明。我们现在接收到的“宇宙微波背景辐射”的光子，就是来自于背景光子和自由电子的最后一次散射。^[64]

复合时期后，物质粒子从辐射退藕，而物质粒子在宇宙中不是均匀分布的，这种不均匀性表现在对宇宙微波背景辐射的观测结果中，观测表明，复合结束时物质粒子分布存在的相对密度涨落。这些密度涨落是原初宇宙留下的、宇宙结构形成的“种子”，这些小的密度涨落随着宇宙膨胀在引力作用下增长，经历一系列物理过程形成我们今天观察到的星系等结构。^[65]

由于空间中较冷的区域拥有更密集的气体云，随着这些气体团块的增长，它们的引力吸引了更多物质，其中心变得炽热，最终发生核聚变。这时第一代恒星形成了，即星族III恒星（Population III stars）。^[66]它们的质量是太阳的30到300倍，亮度是太阳的数百万倍。几亿年来，第一代恒星聚集成了第一批星系。^[67][68]

许多研究认为，第一代恒星可能形成于复合时期后约2-3亿年，而这一时期，由于氢原子的吸收效应，宇宙再次变得不透明，因此宇宙保持黑暗，即宇宙的黑暗年代（Dark Age）。此时的宇宙由大量的氢原子、氦和少量的重元素组成，而这一时期的宇宙发生了什么，还没有人知道。因此，第一代恒星的形成是从理论能推导得到的结论，还没有明确的观测证据证实其存在。^[65]

为了描述标准模型下的宇宙是如何随时间而膨胀的，在宇宙学原理和爱因斯坦场方程的基础上，苏联科学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）建立了弗里德曼方程描述空间上均一且各向同性的膨胀宇宙。^[69]理论上，只需要两类方程就可以描述宇宙的演化：把宇宙中所有的组分（重子物质，暗物质，光子，中微子，暗能量）和宇宙的膨胀联系起来；所有组分满足能量守恒。^[4]

宇宙学原理（Cosmological principle）是一个通设，严格地限制了许多合理的宇宙学的理论。宇宙学原理表述为：宇宙在大尺度上是均匀且各向同性的。即，在宇宙不同地点、同一时刻看到的宇宙图像及宇宙演化图景都相同。^[70]

爱因斯坦场方程（Einstein field equations）是爱因斯坦在广义相对论的基础上提出的，用来描述引力、时空几何同物质间关系的方程，即“时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲”。^[71]其数学形式为

是爱因斯坦张量，用于描述时空的几何性质；是里奇张量，代表曲率项；是度规张量；是里奇张量缩并得到的曲率标量；是宇宙学常数项；是物质能量动量张量，描述了宇宙中物质和能量的分布；是引力常数和真空中的光速。场方程的弱场近似即可推出牛顿引力定律。^[4][8][9]

标准模型认为宇宙的结构源自原初密度扰动，随着宇宙膨胀在引力作用下生长。对均匀、各向同性的宇宙，两点之间的距离可以用罗伯逊-沃尔克度规（Robertson-Walker metric，R-W metric）进行描述

是宇宙尺度因子（也叫膨胀因子，cosmological scale factor），通常定义现在时刻的膨胀因子为。罗伯逊-沃尔克度规是三维球面在四维时空上的推广，构成共动坐标系统，共动距离在球面上不变，而物理距离随着宇宙膨胀变化，和共动距离存在关系 ，宇宙尺度因子是罗伯逊-沃尔克度规中唯一的自由度。的形式由空间曲率因子决定，和宇宙的几何形状相关。观测表明我们所在的宇宙是平直的，^[37]对平直宇宙，。^[4]在宇宙学基本原理下求解爱因斯坦场方程，可以得到描述宇宙中的组分（暗能量、暗物质、重子物质、辐射）随宇宙膨胀而演化的弗里德曼方程。^[72]

弗里德曼方程（Friedmann equations）是基于宇宙学原理，在广义相对论框架下描述空间上均一且各向同性的膨胀宇宙模型的一组方程。它们最早由弗里德曼在1922年得出。^[69]将罗伯逊-沃尔克度规带入爱因斯坦场方程，即可到描述宇宙随时间演化的动力学方程，弗里德曼方程：

这也是宇宙学标准模型的基本方程。是宇宙中组分的压强，密度是物质（matter）密度和辐射（radiation）密度之和。为罗伯逊-沃尔克度规中提到的尺度因子，为万有引力常数，为光速，为曲率因子，为宇宙学常数。是哈勃参量。带下角标“0”的通常称为哈勃常数（hubble constant），对应宇宙现在时刻的哈勃参量。^[73]

对曲率因子，宇宙学常数的宇宙，可得到物质和辐射的平均密度，可以定义临界密度。式中

弗里德曼方程的第二个式子变为

可以定义无量纲的宇宙学参数：

包含暗物质和重子物质的物质密度参数：

辐射密度参数：

真空能密度参数：

宇宙曲率密度参数：

宇宙学参数之和满足。对平直宇宙有。结合状态方程，在测定哈勃参量和宇宙学参数后，可得到宇宙各组分能量密度随时间的演化。^[74]

辐射和物质都随时间衰减，宇宙经过高温的辐射主导时期，随着宇宙膨胀温度降低，进入物质主导时期，当辐射和物质密度衰减到作为常数的真空能以下，宇宙进入暗能量为主导的时期，也是当今宇宙所处的阶段。^[4]

从哲学角度来看，另一个更有吸引力的理论是所谓的“恒稳模型”（或称“稳态模型”，steady-state model）。1948年，赫尔曼·邦迪(Hermann Bondi)、托马斯·戈尔德(Thomas Gold) 和弗雷德·霍伊尔 (Fred Hoyle) 发表了关于稳态宇宙学的论文。^[24][25]提出了这一理论。恒稳模型认为宇宙基本上一直是现在的样子，新物质不断被创造出来，填补星系间的空隙。这意味着宇宙呈现出恒定的一般性质，在时间、空间上都是不变的，也就是說，这个理论认为宇宙没有起源，而是一直是今天的样子。在这里，根本不存在早期宇宙，宇宙起源问题也不存在。^[75]

爱因斯坦也曾是稳恒宇宙的支持者，他为了平衡引力在场方程中引入了“宇宙学常数”，从而错过了预言宇宙膨胀的机会，据乔治·伽莫夫说，爱因斯坦曾对他说过“宇宙常数是我一生中犯下的最大错误”。^[76]

美国宇宙学家保罗·斯泰恩哈特（Paul J. Steinhardt）和南非物理学家尼尔·图罗克（Neil Turok）在2001年提出了一个宇宙周期性模型，"宇宙循环"（Cyclic Universe）模型。这一理论认为，宇宙并不是一次性的大爆炸后就永远膨胀，而是经历了多次膨胀和收缩的周期。每个周期的膨胀阶段被称为“宇宙胚胎”（universe brane），然后宇宙收缩并崩溃，最终再次引发下一个膨胀。在每个周期的膨胀阶段，两个宇宙胚胎分别位于多维空间中，并在一定时间点相互碰撞，这一碰撞会导致宇宙中的物质和能量重新排列，然后引发新的膨胀。在这里，“大爆炸”不是时空的开始，而是从进化的早期阶段过渡。^[77][78]

俄裔美国理论物理学家安德烈·林德（Andrei Linde）于1983年提出了混沌暴胀理论（Chaotic Inflation Theory），该理论将宇宙的能量密度看作一个自由能量场，且这个场的能量密度可以在不同区域之间发生巨大的波动和涨落。这些能量密度的变化可以导致宇宙的某些区域进入暴胀阶段，而其他区域则没有进入，形成不规则的宇宙结构。该理论提出了弦理论真空稳定的一种可能机制，涉及到弦理论背景下暴涨多元宇宙理论的人择原理（Anthropic principle）。^[79][80]

膜宇宙模型（Brane Cosmology）是超弦理论和M理论的的分支，由物理学家尼玛·阿尔卡尼（Nima Arkani-Hamed）、萨维斯·贾西克（Savas Dimopoulos）和古比·杰兰（Gia Dvali）等人于1998年首次提出。^[81]其认为我们所处的宇宙可能是一个多维度空间中的一个薄膜或“膜”的一部分，它可以看作是一个超级宇宙中的子宇宙。我们所知的宇宙只是其中之一，被称为“可观测宇宙膜”（observable universe brane）。^[82]根据膜宇宙论，在重力牵引下，膜与膜之间的“接触”会形成联系两者的短暂通道，虫洞。膜之间的相互“碰撞”，则视为大爆炸。该模型认为宇宙诞生于膜宇宙间的碰撞，最后再相互远离，即“火宇宙理论”（ekpyrotic universe）。^[83]

大爆炸理论虽然已经得到了科学家的广泛认同，但“大爆炸之前是什么”这个问题依然没有得到解答，为了对这一问题进行研究，有更多科学家在寻找“大爆炸模型”之外的，更多可能解释宇宙起源问题的模型。^[17]除了宇宙的周期模型、混沌暴胀理论等上述模型，一些理论物理学家另辟蹊径，用粒子质量的不断增加解释星系的红移现象。^[84]最近几十年间，涌现了大量新的早期宇宙的观测数据，这大大推动了人类对宇宙起源问题的研究。^[85]

英国《自然》杂志网站于2013年7月16日发表了一篇报道，对标准模型中“宇宙在不断膨胀”这一观点提出了质疑，该文章认为，遥远星系距离地球越来越远，可以用粒子质量的不断增加来解释：因为光速是有限的，当我们看着遥远的星系时，我们是在朝更早的时间看。如果所有的质量一直在增加，古老星系的颜色将更红，其红移也将同它们与地球之间的距离成正比。^[86]该文由德国海德堡大学理论物理学研究的克里斯托弗·维特里克（Christof Wetterich）发表在预印本库（arxiv）上，维特里克构建了一种完全不同的宇宙学框架：模型中，普朗克质量和所有粒子质量呈指数增长，原子尺寸相应缩小。文中提出了一个简单的模型，其中粒子质量源自标量“宇宙场”，类似于希格斯标量。宇宙的势能导致了暴胀和当前暗能量。当宇宙场的值增加时，曲率标量在所有宇宙学时间上几乎恒定。在这里，宇宙学不存在大爆炸奇点，但存在其他等效的场变量，对于这些变量，早期宇宙表现出膨胀或静止。对于那些“场坐标”来说，大爆炸是奇异的。因此大爆炸奇点与场坐标的奇异选择有关。这一理论似乎有助于理解宇宙大爆炸中出现的“奇点”。维特里克认为，在名为暴胀的短期之内，宇宙仍然在快速膨胀，在暴胀之前，宇宙大爆炸不再包含有一个宇宙密度无限大的“奇点”时刻。^[87]该模型的问题在于它无法被检验，而现在的主流模型依然是大爆炸理论。^[84]

2018年，日本大阪产业大学和国立天文台的一个国际研究小组发现距地球132.8亿光年的星系含有氧元素，这是观测史上发现氧的最远纪录。大爆炸后不久，第一代恒星开始改变原始星系的化学组成，慢慢地丰富了星际介质中的氧、碳、氮等基本元素。因此，追踪这些元素的早期痕迹将为了解星系的化学演化提供重要线索。该观测结果证明，在宇宙诞生约5亿年时，第一批恒星诞生产生的氧元素已经在该星系中扩散，该研究促进了人们对早期宇宙第一批星系形成的了解。^[88]

2022年，新一代空天望远镜，詹姆斯韦布望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）^[89]的投入运行，这将极大地推动科学家对早期宇宙，包括大爆炸后宇宙中形成的第一批恒星发出的光的认知，其预计在轨的未来十几年内，宇宙起源的研究也将进入黄金时期。^[90]