前言 
 
宇宙中有上千亿的星系，平均每一星系又约有上千亿的恒星及各类天体。相对的，天文学家也有较多的"样品" ，可以拼凑出有关恒星与星系的完整理论。但是我们只有一个宇宙，建构一个合理的宇宙论并不容易，所以宇宙论标准模型—大爆炸学说，仍然有许多尚未解决的难题。天文学家提出暴胀理论(inflationary theory) ，解释/解决部份宇宙论标准模型的困难，但终极的宇宙论仍在建构之中。

宇宙的现况 
 
宇宙的结构 
最远的似星体～4000 Mpc 。 
区域结构 
地球-> 太阳系-> 太阳的邻居-> 本银河系-> 本星系群-> 宇宙的海棉结构。最大结构体–长城 ～200 Mpc ，远小於己知宇宙的大小，所以只是区域结构。 

现有的观测显示，没有比长城更大的结构。 
宇宙红位移 
哈伯定律 
星系相互远离，相距愈远的星系，相互远离的速度愈大。 

Vr = H * d 

H = 75 km/s/Mpc 

宇宙的起点 
很自然的推测：如时间倒转，多久之前，所有的星系会聚集在一起？ 

假设膨胀的速度一直不变，聚集发生的时间为多久以前？(如果H = 75 km/s/Mpc) ： 

t = d / Vr = d / H * d = 1 / H = 130 亿年。

宇宙论的基本假设 
 
宇宙论原则(cosmological principle) 
观测显示，大尺度(约200 Mpc 以上) 的宇宙具有： 

均匀性 ：物质在太空里是均匀分布的。 
等向性 ：整个宇宙从每一个方向看出去都差不多。 
共同性：宇宙起始10-43 秒後，所有的物理定律，在宇宙中的每一个地方都适用。 
例如：爱因斯坦的广义相对论。

支持大爆炸说的观测证据 
 
宇宙红位移 
由地球任何方向看出去，遥远的星系都是离我们远去，宇宙膨胀 。

哈柏定律: 

Vr = H * d 
H = 75 km/s/Mpc 

氦与氦的丰存度 
宇宙标准模型预测，H (氢) 占约75%，He(氦)占约25 ，己经实测证实。恒星所消耗的氢与所产生的氦，还不足以改变这个比例。 

微量元素的丰存度 
微量元素：重氢(deuterium)、氦-3 (helium-3)、锂-7 (lithium-3)。 

对这些恒星无法合的微量元素，宇宙标准模型预测的丰存度，与实测的丰存度一致。 

3 K 微波背景辐射 
大爆炸後，宇宙膨胀、冷却。 

Penzian & Wilson (1978 诺贝尔奖得主) 用号角形天线发现，天空具有均匀等向的无线电波杂讯—宇宙背景辐射，相对应於3K 黑体所发出的辐射。COBE 卫星精确测量，宇宙微波背景辐射的温度为2.726 ±0.005 K。 

微波背景辐射不均匀量 
微波背景的微量不均匀 ，是宇宙区域结构的种子。

宇宙论标准模型的难题与宇宙暴胀理论 
 
宇宙论标准模型的难题 
宇宙的年龄问题 
注：此为观测问题，并非宇宙论的基本难题。
星系红位移(哈伯定律) 
t (宇宙年龄)= d/Vr * 1012 年= 1/H * 1012 年 

Sandage ：150 至200 亿年
Freedman (HST) ：80 至120 亿年。 

球状星团观测、元素丰存度分析 
球状星团观测：150 至200 亿年 

长半衰期同位素分析：140 至180 亿年 

症结 
　 
球状星团观测 、元素丰存度分析 
观测与原子核理论的计算吻合，如这部份证实有误，原子核基本理论的根本，将完全动摇。 

星系红位移(HST/Freeman) 
HST的观测与数据分析，(目前) 找不出错误。 

宇宙的组成问题 
星系的旋转速率曲线 显示，暗物质 占90% 以上，但暗物质的本质仍然未定。 

宇宙论标准模型，对暗物质的存在与本质皆未做预测。 

视界问题(horizon problem) 
视界：光在指定的时间，所能传播的距离。 
问题：宇宙背景辐射为何各向同性？为何如此均匀？ 
宇宙背景辐射为宇宙变透明时，宇宙中辐射的遗迹。宇宙变透明时，宇宙边缘各点的距离，有些己超过视界，如未经沟通，宇宙如何保持热平衡？ 
宇宙论标准模型的假设：大爆炸至宇宙变透明时，宇宙一直处於热平衡状态。 
曲度问题(flatness problem) 
　 
理论预测，保持开平坦宇宙所需的物质密度～10-29 克/公分3。
Ωo = (实际物质密度)/(临界物质密度) 
开放宇宙，Ωo < 1 ；平坦宇宙，Ωo = 1 ；封闭宇宙，Ωo > 1 。 
实测结果：0.1 < Ωo < 2。 
现在所量得的质量密度非常接近临界值，宇宙未来的命运仍未卜。 

曲度问题 
宇宙为何如此平坦？ 

暴胀宇宙模型(inflaionary universe) 
假设 ：宇宙在10-35 秒至10-33 秒之间发生暴胀。在此期间，宇宙的直径大约由10-26 公尺暴增1050倍，至1024 公尺(～30 Mpc) 。在10-33 秒时，暴胀终止，膨胀速率变得与标准模型相同(参见示意图)。 
暴胀机制：宇宙在10-35 秒时发生相变，放出巨量的"潜热"，造成宇宙暴胀。 
视界问题的解答
暴胀之前，宇宙直径小於视界，宇宙处於热平衡。 
曲度问题的解答
暴胀後，我们可见的宇宙，只是宇宙真实大小的极小部份。物质所产生的空间曲度几乎和平面相同 ，亦即Ωo ～1。

宇宙的可能归宿 
 
宇宙的归宿 ，全看宇宙的Ωo 值而定： 

开放的宇宙(open universe)
Ωo < 1 
平坦的宇宙(flat universe)
Ωo = 1 
封闭的宇宙(closed universe)
Ωo > 1