第三节 大爆炸宇宙论
宇宙年龄问题
从动力学讲，宇宙尺度因子R（t）从R（0）＝0膨胀至R（t0）=1所用的时间t0就是现在宇宙的年龄。这里的R（t）均以宇宙现在的尺度R0为单位。由（6．2）式可知，在t＝t0时的哈勃常数H（t0）
膨胀的速率。若宇宙过去一直以现在测到的这个速率膨胀，则包括星系在内的宇宙中所有的物质在t＝t0-1/H0时曾聚合在一点，这样求得的宇宙年龄就是1/H0。但是，由于引力的拉曳作用，宇宙的膨胀总是减速的，所以哈勃参数H（t）会随时间的倒退而增加，即实际的宇宙年龄t0＜1/H0，t0要由哈勃参数和有关的减速参数共同决定。
在20世纪30～40年代，哈勃常数的数值曾被确定为H0＝170km/s·百万光年，其倒数1/H0相当于1.76×109年，宇宙年龄t0当然会更短些。然而大量证据表明，银河系的年龄大约是（1～1.5）×1010年，地球的年龄也有4.6×109年，难道宇宙的年龄还没有它们大？这就是由当时测得的宇宙膨胀情况所导出的宇宙年龄佯谬问题。
对哈勃常数的重要修正来自对河外星系距离的更精确测定。从50年代到70年代，经过多次修改，才得到H0=15km/s·百万光年。按此数估算，宇宙年龄的上限应是2×1010年，一般取作150亿年。随着空间天文探测的推进，星系距离和星系计数的测量精度也日益提高，对宇宙年龄的估算还时而有所更改。
稳恒态宇宙与“大爆炸”
在宇宙的年龄佯谬尚未解决的时期，有的宇宙学者便试图从另外的角度来解释宇宙，其中较有影响的是所谓稳恒态宇宙论。1946年，英国的三位物理学家霍伊尔（Fred Hoyle）、邦迪（Herman Bondi）和戈尔德（Thomas Gold）提出了这种宇宙论。他们认为宇宙在任何时候，平均说来始终保持着相同的状态，因而完全没有什么开端和宇宙年龄的问题。他们也承认宇宙在膨胀，但不主张物质似乎全部创生于过去某一特定的瞬间，而主张物质总在不断地自发产生着，以填补因膨胀而使物质变稀的损失，从而使宇宙中的物质密度始终维持不变。并且他们预言，星系在空间中的分布也始终是均匀的，邻近我们的（近期）星系集合情况在统计上看来应与那些远离我们的（早期）星系集合情况相同。这种稳恒态宇宙论实际上是静态宇宙论考虑到膨胀因素后的修改版，比较符合“人之常情”，在没有更多的观测事实情况下，看来还是很有吸引力的。1951年，霍伊尔在英国广播公司作了一系列特别有影响的广播讲话，宣传他们的稳恒态宇宙论；正是他在这些讲话中，把宇宙由过去某个有限时刻的高密状态膨胀而成的宇宙学说嘲称为“大爆炸”。这原是一种贬义的用语，始料未及的是，大爆炸宇宙论的名称从此就传开了，这真是“歪打正着”。
然而，大爆炸宇宙论中的“大爆炸”，并不把膨胀描述成物质离开空间某一特定点的某种类型的爆炸，如炸弹的爆炸、恒星的爆炸等。这些常见的爆炸事件是发生在空间中某一局部区域内有关物质和能量的突然随时释放过程，而建立在广义相对论基础上的大爆炸宇宙论，考虑到质量、能量、空间和时间的密切关系，把观测到的由许多星系组成的系统的膨胀解释为空间本身的随时延伸。在膨胀之初，宇宙物质必然呈现相应的高温、高密状态，宇宙空间和时间也随之形成并不断扩大和延伸。
在40年代末到50年代初，根据上述大爆炸宇宙论研究宇宙早期情况的，主要有一位移居美国的原苏联人盖莫夫（George Gamow）与他的两位研究生阿尔弗（Ralph Alpher）和赫尔曼（Robert Herman）。他们使用来自备战成果的核物理数据，具体地认识到在宇宙年龄仅为几分钟的某个时候，它热得足以使每个地方都发生核反应，从而迈出了轻元素起源研究的重大步骤；1948年，阿尔弗和赫尔曼还预言，大爆炸后出现的原始火球会随着宇宙的膨胀而冷却，至今它所具有的温度约为绝对零度以上5度，即5K。由于当时的通讯、交流很不畅通，而区在一般物理学家看来，再现宇宙早期历史的细节并不是一种非常严肃的科学活动，所以他们的这些研究长期未被人知晓。直到美国贝尔实验室两位无线电工程师彭齐亚斯和威尔逊于1965年十分意外地发现“额外的天线温度”时，竟然感到莫名其妙；还是普林斯顿大学的迪克小组帮着指出，这就是阿尔弗和赫尔曼早先作过预言的大爆炸的残留辐射——宇宙微波背景辐射。更有甚者，原苏联无线电物理学家什茂诺夫也许早在1957年就已发现了温度介乎1K和7K之间的这种背景辐射，而当时无论是他本人或是其他任何人都不清楚这项发现的重要意义。直到1983年什茂诺夫才闻知大爆炸的预言以及彭齐亚斯和威尔逊的发现，而这已经是后两人因1965年做出的那项卓越发现而荣获诺贝尔奖之后5年的事情了。从这里不难看出，起始于20世纪40～50年代的稳恒态宇宙和“大爆炸”之间的争论，其开场和结局的境遇是截然相反的，起决定作用的法则是事实胜于雄辩。
类星系射电源的空间分布
检验稳恒态宇宙论的一个最直接的方法，就是看星系在空间中不同时期的分布情况。因为该理论认为宇宙物质的密度是均匀分布的，作为宇宙的基本单元——星系在空间中必然始终是均匀分布的，作为射电辐射占优势的星系——射电星系的空间分布情况当然也不能例外，所以可以通过类星系射电源的观测来加以检验。
图6．6表示的类星系射电源图，是用综合孔径为1．6km的射电望远镜对一个小天区进行观测后取得的。图中的水平波纹线代表噪声起伏，而叠加在波纹线上的尖峰则是射电源的贡献。尖峰的层次愈多愈高，表示射电源的辐射流量S愈大由此可以判断射电源是强源还是弱源。这个画在二维平画上的射电源分布图实际上是分布在三维空间内所有射电源的投影效果。假设按照稳恒态宇宙论射电源在空间总是均匀分布的，则射电源的数目n应与射电源的距离r的立方成正比，即n∝r3；但源的流量S是与距离的平方成反比的，即S∝r－2；因此，在同一天区内，源数应与流量的3/2次方成反比，即n∝S－3/2。然而，图6．6所表示的射电源数目并不符合这一法则，实际上弱源的数目比该法则所预期的多得多。因为弱源处在较远的距离，是作为遥远过去的面貌被观测到的，所以我们可以推断，射电星系过去比现在要多得多，有一种由强到弱的演化趋势。这一推论正是把宇宙演化作为中心命题的大爆炸宇宙论的证据，而稳恒态宇宙论则显然是不能容纳射电星系宇宙演化方案的。通过类星系射电源的光学对应体的红移的测定，也能证明它们是处在遥远的距离上的。因为射电星系，特别是类星体，它们的光谱线红移量都很大；如果认为这种红移是多普勒效应造成的，则意味着它们的退行速度很大；根据哈勃定律便知它们的距离很远。而在较近的距离上则很难看到这类天体，这也是对星系均匀分布假设的否定。