大爆炸宇宙模型及其重要证据
由于星系的空间分布呈现出某种演化的趋势而不是像稳恒态宇宙论所主张的是那样均匀的，加之宇宙年龄的重新测定消除了曾经有过的佯谬问题，这就可以把研究宇宙的时间继续从现在往过去推移，看看宇宙年轻时期的情况。不难想象，膨胀的宇宙过去比现在小；过去的时间愈早，宇宙也就愈小。原初的宇宙不但小到容纳不下任何星系、恒星和行星，甚至连分子和原子也都难以在那里存在；那时的宇宙称得上是一个温度极高、密度极大的天然实验室。然而，当宇宙年龄t小于普朗克时间tp≈10-44s时，引力的量子效应很显著，广义相对论的引力场理论失效，因此只好把t＝10－44s作为经典宇宙的开端。从这时开始，随着宇宙的膨胀，它的密度和温度也逐渐下降，这就可以应用粒子物理学的有关成果研究宇宙的早期演化，奠定大爆炸宇宙模型的坚实基础。
图6．8简单地表述了大爆炸宇宙学所给出的宇宙的起源和演化过程。其中横坐标以宇宙半径表示宇宙空间的相对尺度；纵坐标的左边表示宇宙年龄t的增长情况，右边则表示从超统一的一种作用中相继地分离出引力作用、强作用、弱作用和电磁作用的过程。宇宙在不同年龄时间所具有的温度以及可能发生的重要事件则可从表6．1的宇宙简史中看出。
由于极高温度的情况在今天的地面实验室里还难以完全再现出来，所以有关的研究成果一般是处在理论探讨和争论的阶段。然而，在100Mev（100百万电子伏特）的能量范围内，现代高能物理学已能提供充分而可靠的知识。这个能量所对应的温度T＝1012K，即相当于宇宙年龄t＝10-4s的情况。因此，选取T＝1012K作为叙述热大爆炸宇宙模型的起点是比较稳妥的。这种叙述则可以分期进行。
（1）粒子混合
在1012K＞T＞1010K的温度范围内，主要存在质子（p）、中子（n）、电子（e）、光子（r）和中微子（v）等5类粒子；其中电子又有正电子（e+）和负电子（e-）之分，而中微子则细分为电子中微子（ve）、τ子中微子（vτ）和μ子中微子（vμ）等3种。动力学计算表明，宇宙年龄t反比于温度T的平方（即t∝1/T2），因此，上述温度范围对应于10－4s＜t＜ 1s。由图6．8可见，这期间的宇宙尺度远小于1cm。如此多种类的粒子聚集在那么小的空间范围内，必然发生频繁的碰撞，接连不断的相互作用和相互转化，以致处于一种难解难分的混合状态。其中质子与中子的相互转换是通过以下弱作用过程来实现的：
而质子与中子所合成的氘核（D），也会在热碰撞中被光子所分裂：
（6．4）、（6．5）和（6．6）式表示的粒子相互作用和转化过程是可逆过程，即既可从左向右进行，又可从右向左进行，并由方向相反的箭头“« ”分别表示。在上述温度范围内，正反过程基本上保持动态平衡状态，粒子既相互转化又相互依存，没有什么粒子能单独地分离出来，即不存在脱耦现象。