Không có lạm phát thì tính đồng đều và phẳng cực độ của vũ trụ hiện nay đòi hỏi một lượng tinh chỉnh hết sức đặc biệt của các điều kiện trong vũ trụ sơ khai. Người ta có thể cho rằng vì chúng ta đang xem xét một vũ trụ độc nhất vô nhị, nên điểm xuất phát có thể là đặc biệt tùy tiện. Nhưng các nhà vật lí không thích tinh chỉnh vì nó làm giảm sức mạnh lí giải. Trong trường hợp này, chúng ta hãy làm sáng tỏ xem các điều kiện ban đầu sẽ cần đặc biệt đến mức nào.
Tại mặt tán xạ sau cùng tương ứng với độ lệch đỏ khoảng một nghìn, chúng ta đã thấy rằng các nhiễu loạn mật độ là ở mức một trong một trăm nghìn, rất nhỏ nhưng thích hợp trong các kịch bản lạm phát. Không có lạm phát thì những nhiễu loạn này phát sinh từ những nhiễu loạn nhỏ hơn rất nhiều có sớm hơn nữa trong thời gian vũ trụ. Chúng ta có thể đại khái trông đợi các nhiễu loạn phát triển tuyến tính theo sự giãn nở của vũ trụ.
Như vậy, nếu chúng ta ngoại suy ngược thời gian từ mặt tán xạ sau cùng thì các nhiễu loạn mật độ trở nên nhỏ dần dần. Tiến ngược đến một giây sau Big Bang, chúng giảm đi một triệu lần nên chỉ bằng một phần trong một trăm tỉ. Giá trị này gần với đồng đều hoàn hảo đến mức nó là một tình huống tinh chỉnh cực độ, nghĩa là nó hầu như rất không có khả năng trong mọi điều kiện ban đầu. Nói rộng hơn, một lí thuyết được xem là tinh chỉnh nếu có những con số nhỏ vô hạn (trong trường hợp này là kích cỡ tương đối của các nhiễu loạn) không bằng không nhưng có kích cỡ không thể giải thích tự nhiên được. Thuật ngữ chuyên môn “tính tự nhiên” được nghĩ ra cho một trường hợp như vậy. Tính tự nhiên hàm ý rằng không có sự tinh chỉnh của các thông số của lí thuyết.
Nếu chúng ta tiến ngược thời gian xa hơn nữa, tình huống trở nên kém tự nhiên hơn. Tại thời điểm Planck, độ lệch đỏ tăng thêm hai mươi hai bậc độ lớn nữa nên các nhiễu loạn của mô hình Big Bang để tự nhiên khi ấy phải ở mức một con số không theo sau là ba mươi hai con số không rồi mới tới một con số khác không! Một con số nhỏ vô lí như vậy được xem là dấu hiệu rằng có cái gì đó không thỏa đáng với lí thuyết. Trong khi nó không vi phạm bất kì định luật vật lí nào giả định một điều kiện ban đầu như thế, nhưng nó vi phạm lẽ thường tình và không phải là cái mà một nhà lí thuyết tự trọng nào sẽ đưa vào làm một bộ phận của một lí thuyết. Nói cách khác, nó sẽ ăn khớp với các quan sát nhưng không giải thích được tại sao có sự đồng đều rất cao như vậy theo bất kì nguyên lí vật lí nào.
--
Tình huống về tính phẳng khá giống như vậy. Như chúng ta đã nói, sự gần sát của mật độ năng lượng toàn phần hiện nay với mật độ năng lượng tới hạn hàm ý rằng nếu chúng ta ngoại suy ngược thời gian, thì sự gần sát trở nên chính xác đến chừng mực tỉ số của mật độ toàn phần với mật độ tới hạn trở nên chính xác bằng một với sai số hết sức nhỏ.
Ngược thời gian đến một giây sau Big Bang, tỉ số này phải bằng một với sai số một phần trong một trăm nghìn tỉ, và một lần nữa đây là lượng tinh chỉnh không thể chịu đựng nỗi từ quan điểm của nhà vật lí lí thuyết. Tại một thời điểm sớm hơn, sự tinh chỉnh còn quá quắt hơn nữa, vì tại thời điểm Planck sự gần sát của tỉ số trên với một phải là chính xác đến sai số dưới một phần trong một nghìn tỉ nghìn tỉ nghìn tỉ. Đây là cái không thể hình dung nỗi của bức tranh Big Bang để tự nhiên. Nó không bác bỏ bức tranh tổng thể, với nó có rất nhiều hậu thuẫn bao gồm bản chất của sự giãn nở vũ trụ, các tính chất của bức xạ nền vi sóng vũ trụ, và sự thành công của quá trình tổng hợp hạt nhân của các nguyên tố nhẹ.
Tuy nhiên, ý nghĩa của nó là một mở rộng của lí thuyết Big Bang là cần thiết, nhất là cho vũ trụ rất sơ khai, để thay thế giả thuyết của những điều kiện ban đầu tinh chỉnh cực độ như thế.
--
Người ta có thể hình dung những lí thuyết thay thế cho lạm phát có thể giải thích những điều kiện ban đầu tinh chỉnh như thế. Một nỗ lực là viện dẫn va chạm của các đối tượng ba chiều, hay các “brane”, va chạm nhau trong một không gian cao chiều hơn. Cách này có thể có hệ quả suy ra lượng đồng đều và phẳng cần thiết chỉ bởi vì va chạm ảnh hưởng đến toàn bộ không gian ba chiều ngang bằng nhau. Trước đây, một kịch bản “xung khắc” như vậy đã vấp phải sự chỉ trích mạnh mẽ bởi những người quan tâm tới các chi tiết kĩ thuật mặc dù một khái niệm tưởng tượng như vậy đáng để khảo sát là một thay thế có thể có cho lạm phát. Tất nhiên, giả thuyết các chiều không gian bổ sung bản thân nó đã là một bước tiến lớn! Nhưng chỉ có thời gian mới có câu trả lời.
Nhưng một khả năng tranh biện nữa là giả thuyết rằng Big Bang phát sinh từ một pha nào đó có trước chuyển tiếp sang vũ trụ hiện nay theo một kiểu sao cho các điều kiện ban đầu cần thiết là tự động. Một bức tranh “tiền Big Bang” như vậy có thể làm sáng tỏ những vấn đề khái niệm sâu sắc của vũ trụ cực kì sơ khai.
--
Một khi chúng ta tiến xuôi thời gian từ mặt tán xạ sau cùng, thì các nhiễu loạn mật độ bây giờ lớn dần thêm và đồng thời những nhiễu loạn mới bắt đầu xuất hiện. Mất cân bằng hấp dẫn đưa tới sự lớn nhanh hơn của các nhiễu loạn và tạo ra những cấu trúc vĩ mô.
Cấu trúc được đặc trưng bởi mật độ về thực chất lớn hơn mật độ vũ trụ trung bình. Hiện nay, mật độ trung bình đã được đo cụ thể và có thể được biểu diễn theo nhiều đơn vị đa dạng. Cỡ mật độ năng lượng trên đơn vị thể tích và hóa ra nó có thể được biểu diễn đơn giản là khoảng mười electron volt trên milli mét khối. Điều này có nghĩa là mật độ năng lượng tất nhiên cực kì nhỏ theo bất cứ tiêu chuẩn nào hằng ngày. Nó nhỏ hơn tỉ trọng của nước một tỉ nghìn tỉ nghìn tỉ lần.
Khi chúng ta nhìn vào một cấu trúc không tầm thường thì mật độ tương đối, đó là thuật ngữ chuyên môn gọi mật độ trung bình của cấu trúc so với mật độ vũ trụ nền trung bình, tăng lên. Với một đám thiên hà, mật độ tương đối là khoảng mười đến một trăm, còn đối với một thiên hà là mười nghìn. Khi chúng ta giảm cỡ xuống bằng Hệ Mặt trời, thì mật độ tương đối gần với một trăm tỉ. Để hình dung vũ trụ trống rỗng như thế nào: nếu Hệ Mặt trời được lấp đầy đều ở mật độ của nước, thì nó sẽ có khối lượng bằng với toàn bộ vũ trụ! Hãy nhớ rằng Hệ Mặt trời là hết sức nhỏ so với Dải Ngân hà và hoàn toàn không đáng kể về kích cỡ so với toàn bộ Vũ trụ khả kiến.
Nếu chúng ta xét những vật thể nhỏ như Mặt trời hay Trái đất, thì mật độ tương đối trở nên khổng lồ cỡ một triệu nghìn tỉ nghìn tỉ vì mật độ của chúng là ngang với mật độ của nước.
Kết luận là: mặc dù có những thăng giáng mật độ rất mạnh ở cấp vi mô vũ trụ, nhưng nếu chúng ta xét quy mô lớn so với các đám thiên hà, ví dụ như lớn hơn mười triệu parsec, thì vũ trụ trở thành một gần đúng hết sức trơn cả về tính đồng đều của nó và nó đẳng hướng, nó giống nhau theo mọi hướng.
Tính trơn vĩ mô như thế quan trọng trong việc dựng lên một lí thuyết của thời gian và của vũ trụ vì nó hàm ý rằng phương trình Friedmann đơn giản rút ra từ các giả thuyết của tính trơn và của thuyết tương đối rộng rất có khả năng là lựa chọn đúng, và chúng ta sẽ tiếp tục sử dụng giả thuyết này cho toàn bộ phần còn lại của quyển sách này.
