定义和起源

动机和发展

验证直觉

大爆炸年表

特点、疑点和问题

不同的声音

定义和起源

宇宙大爆炸，简称大爆炸（英文：Big Bang），是描述宇宙诞生初始条件及其后续演化的宇宙学模型，这一模型得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。宇宙学家通常所指的大爆炸观点为：宇宙是在过去有限的时间之前，由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的（根据2010年所得到的最佳的观测结果，这些初始状态大约存在发生于300亿年至230亿年前），并经过不断的膨胀与繁衍到达今天的状态。 比利时牧师、物理学家乔治·勒梅特首先提出了关于宇宙起源(The Beginning of the Universe)的大爆炸理论(The Big Bang Theory)，但他本人将其称作“原生原子的假说”。这一模型的框架基于了爱因斯坦的广义相对论，并在场方程的求解上作出了一定的简化（例如空间的均一和各向同性）。描述这一模型的场方程由苏联物理学家亚历山大·弗里德曼于1922年将广义相对论应用在流体上给出。1929年，美国物理学家埃德温·哈勃通过观测发现从地球到达遥远星系(galaxy)的距离正比于这些星系的红移(redshift)，这一膨胀宇宙的观点也在1927年被勒梅特在理论上通过求解弗里德曼方程而提出，这个解后来被称作弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规。哈勃的观测表明，所有遥远的星系和星团在视线速度上都在远离我们这一观察点，并且距离越远退行视速度越大。如果当前星系和星团间彼此的距离在不断增大，则说明它们在过去的距离曾经很近。从这一观点物理学家进一步推测：在过去宇宙曾经处于一个极高密度且极高温度的状态，在类似条件下大型粒子加速器上所进行的实验结果则有力地支持了这一理论。然而，由于当前技术原因粒子加速器所能达到的高能范围还十分有限，因而到目前为止，还没有证据能够直接或间接描述膨胀初始的极短时间内的宇宙状态。从而，大爆炸理论还无法对宇宙的初始状态作出任何描述和解释，事实上它所能描述并解释的是初始状态之后宇宙的演化图景。当前所观测到的宇宙中轻元素的丰度，和理论所预言的宇宙早期快速膨胀并冷却过程中最初的几分钟内，通过核反应所形成的这些元素的理论丰度值非常接近，定性并定量描述宇宙早期形成的轻元素的丰度的理论被称作太初核合成。 大爆炸一词首先是由英国天文学家弗雷德·霍伊尔(Sir Fred Hoyle)所采用的。霍伊尔是与大爆炸对立的宇宙学模型——稳恒态理论(Steady State Theory)的倡导者，他在1949年3月BBC的一次广播节目中将勒梅特等人的理论称作“这个大爆炸的观点”。虽然有很多通俗轶事记录霍伊尔这样讲是出于讽刺，但霍伊尔本人明确否认了这一点，他声称这只是为了着重说明这两个模型的显著不同之处。霍伊尔后来为恒星核合成的研究作出了重要贡献，这是恒星内部通过核反应从轻元素制造出某些重元素的途径。1964年宇宙微波背景辐射的发现是支持大爆炸确实曾经发生的重要证据，特别是当测得其频谱从而绘制出它的黑体辐射曲线之后，大多数科学家都开始相信大爆炸理论了。

动机和发展

大爆炸理论是通过对宇宙结构的实验观测和理论推导发展而来的。在实验观测方面，1912年维斯托·斯里弗尔（Vesto Slipher）首次测量了一个“旋涡星云”（“旋涡星云”是当时对旋涡星系的旧称法）的多普勒频移，其后他和卡尔·韦海姆·怀兹（Carl Wilhelm Wirtz）证实了绝大多数类似的星云都在退离地球。不过斯里弗尔并没有因此联想到这个观测结果对宇宙学的意义，这也是由于在当时，人们就这些“星云”是否是我们的银河系之外的“岛宇宙”这一问题存在着高度争议。在理论研究方面，1917年爱因斯坦将广义相对论理论应用到整个宇宙，发表了标志着物理宇宙学建立的论文《根据广义相对论对宇宙学所做的考察》。然而从广义相对论出发建立的宇宙模型不是静态的，这和当时相信静态宇宙的主流观点并不符合，爱因斯坦为此在场方程中加入了一个宇宙学常数来进行修正。1922年，苏联宇宙学家、数学家亚历山大·弗里德曼假设了宇宙在大尺度上的均匀和各向同性，利用引力场方程推导出描述空间上均一且各向同性的弗里德曼方程，并且在这一组方程中宇宙学常数是可以消掉的。通过选取合适的状态方程，从弗里德曼方程得到的宇宙模型是在膨胀的。1924年，埃德温·哈勃对最近的“旋涡星云”距地球的距离进行了测量，其结果证实了它们在银河系之外，本质是其他的星系。1927年，比利时物理学家、天主教牧师乔治·勒梅特在不了解弗里德曼工作的情况下独立提出了星云后退现象的原因是宇宙的膨胀。1931年勒梅特进一步指出，宇宙正在进行的膨胀意味着它在时间反演上会发生坍缩，这种情形会一直发生下去直到它不能再坍缩为止，此时宇宙中的所有质量都会集中到一个几何尺寸很小的“原生原子”上，时间和空间的结构就是从这个“原生原子”产生的。 1924年起，哈勃为勒梅特的理论提供了实验条件：他在威尔逊山天文台利用口径250厘米的胡克望远镜费心建造了一系列天文距离指示仪，这是宇宙距离尺度的前身。这些仪器使他能够通过观测星系的红移量来推测星系到地球的距离。他在1929年发现，星系远离地球的速度同它们与地球之间的距离刚好成正比，这就是所谓哈勃定律。而勒梅特在理论推测，根据宇宙学原理当观测足够大的空间时，没有特殊方向和特殊点，因此哈勃定律说明宇宙在膨胀。 二十世纪三十年代，还出现了一些尝试解释哈勃所观测到现象的非主流宇宙模型，例如米尔恩宇宙、振荡宇宙（最早由弗里德曼提出，后来的主要推广者是阿尔伯特·爱因斯坦和理查德·托尔曼）、弗里茨·兹威基的衰减光子假说。 第二次世界大战以后，宇宙膨胀的观点引出了两种互相对立的可能理论：一种理论是由勒梅特提出，乔治·伽莫夫支持和完善的大爆炸理论。伽莫夫提出了太初核合成理论，而他的同事拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼则理论上预言了宇宙微波背景辐射的存在。另一种理论则是英国天文学家弗雷德·霍伊尔等人提出的稳恒态宇宙模型。在稳恒态宇宙模型里，新物质在星系远离留下的空间中不断产生，从而宇宙在任何时候看上去都基本不变化。具有讽刺意味的是，大爆炸理论的名称却是来自霍伊尔提到勒梅特的理论时所用的称呼，他在1949年3月的一期BBC广播节目《物质的特性》（The Nature of Things）中将勒梅特等人的理论称作“这个大爆炸的观点”。之后的许多年，这两种理论并立，但射电源计数等一系列观测证据使天平逐渐向大爆炸理论倾斜。1965年，宇宙微波背景辐射的发现和确认更使绝大多数物理学家都相信：大爆炸是能描述宇宙起源和演化最好的理论。现在宇宙物理学的几乎所有研究都与宇宙大爆炸理论有关，或者是它的延伸，或者是进一步解释，例如大爆炸理论的框架下星系如何产生，早期和极早期宇宙的物理定律，以及用大爆炸理论解释新观测结果等。 二十世纪九十年代后期和二十一世纪初，望远镜技术的重大发展和如宇宙背景探测者（COBE）、哈勃太空望远镜（HST）和威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）等空间探测器收集到的大量数据使大爆炸理论又有了新的大突破。宇宙学家从而可以更为精确地测量大爆炸模型中的各种参数，并从中发现了很多意想不到的结果，比如宇宙的膨胀正在加速。

验证直觉

宇宙大爆炸理论告诉我们，宇宙大爆炸伊始，宇宙间只有能量。这验证了古代思想家们的直觉。古希腊哲学家柏拉图提出“从一发散”；中国古代《道德经》中认为“一生二，二生三，三生万物。”这个“一”就是能量。其后，能量凝聚成基本粒子。就此，宇宙的演化开始了：能量→基本粒子→原子、分子→无机界→生物界→人类

大爆炸年表

通过广义相对论将宇宙的膨胀进行时间反演，则可得出宇宙在过去有限的时间之前曾经处于一个密度和温度都无限高的状态，称之为奇点，奇点的存在意味着广义相对论理论在这里不适用。而仍然存在争论的问题是，借助广义相对论我们能在多大程度上理解接近奇点的物理学——可以肯定的是不会早于普朗克时期。宇宙极早期这一高温高密的相态被称作“大爆炸”，这被看作是我们宇宙的诞生时期。通过观测Ia型超新星来测量宇宙的膨胀，对宇宙微波背景辐射温度涨落的测量，以及对星系之间相关函数的测量，科学家计算出宇宙的年龄大约为137。3 ±1。2亿年。这三个独立测算所得到的结果相符，从而为具体描述宇宙所包含物质比例的ΛCDM模型提供了有力证据。 关于大爆炸模型中极早期宇宙的相态问题，至今人们仍充满了猜测。在大多数常见的模型中，宇宙诞生初期是由均匀且各向同性的高密高温高压物质构成的，并在极早期发生了非常快速的膨胀和冷却。大约在膨胀进行到10^-37秒时，产生了一种相变使宇宙发生暴涨，在此期间宇宙的膨胀是呈指数增长的。当暴涨结束后，构成宇宙的物质包括夸克－胶子等离子体，以及其他所有基本粒子。此时的宇宙仍然非常炽热，以至于粒子都在做着相对论性的高速随机运动，而粒子－反粒子对在此期间也通过碰撞不断地创生和湮灭，从而宇宙中粒子和反粒子的数量是相等的（宇宙中的总重子数为零）。直到其后的某个时刻，一种未知的违反重子数守恒的反应过程出现，它使夸克和轻子的数量略微超过了反夸克和反轻子的数量——超出范围大约在三千万分之一的量级上，这一过程被称作重子数产生。这一机制导致了当今宇宙中物质相对于反物质的主导地位。 随着宇宙的膨胀和温度进一步的降低，粒子所具有的能量也普遍逐渐下降。当能量降低到1太电子伏特（1012eV）时产生了对称破缺，这一相变使基本粒子和基本相互作用形成了当今我们看到的样子。宇宙诞生的10^-11秒之后，大爆炸模型中猜测的成分就进一步减少了，因为此时的粒子能量已经降低到了高能物理实验所能企及的范围。10^-6秒之后，夸克和胶子结合形成了诸如质子和中子的重子族，由于夸克的数量要略高于反夸克，重子的数量也要略高于反重子。此时宇宙的温度已经降低到不足以产生新的质子－反质子对（类似地，也不能产生新的中子－反中子对），从而即刻导致了粒子和反粒子之间的质量湮灭，这使得原有的质子和中子仅有十亿分之一的数量保留下来，而对应的所有反粒子则全部湮灭。大约在1秒之后，电子和正电子之间也发生了类似的过程。经过这一系列的湮灭，剩余的质子、中子和电子的速度降低到相对论性以下，而此时的宇宙能量密度的主要贡献来自湮灭产生的大量光子（少部分来自中微子）。 在大爆炸发生的几分钟后，宇宙的温度降低到大约十亿开尔文的量级，密度降低到大约空气密度的水平。少数质子和所有中子结合，组成氘和氦的原子核，这个过程叫做太初核合成。而大多数质子没有与中子结合，形成了氢的原子核。随着宇宙的冷却，宇宙能量密度的主要来自静止质量产生的引力的贡献，并超过原先光子以辐射形式的能量密度。在大约37。9万年之后，电子和原子核结合成为原子（主要是氢原子），而物质通过脱耦发出辐射并在宇宙空间中相对自由的传播，这个辐射的残迹就形成了今天的宇宙微波背景辐射。 虽然宇宙在大尺度上物质几乎均一分布，但仍存在某些密度稍大的区域，因而在此后相当长的一段时间内这些区域内的物质通过引力作用吸引附近的物质，从而变得密度更大，并形成了气体云、恒星、星系等其他在今天的天文学上可观测的结构。这一过程的具体细节取决于宇宙中物质的形式和数量，其中形式可能有三种：冷暗物质、热暗物质和重子物质。来自WMAP的目前最佳观测结果表明，宇宙中占主导地位的物质形式是冷暗物质，而其他两种物质形式在宇宙中所占比例不超过18%。另一方面，对Ia型超新星和宇宙微波背景辐射的独立观测表明，当今的宇宙被一种被称作暗能量的未知能量形式主导着，暗能量被认为渗透到空间中的每一个角落。观测显示，当今宇宙的总能量密度中有72%的部分是以暗能量这一形式存在的。根据推测，在宇宙非常年轻时暗能量就已经存在，但此时的宇宙尺度很小而物质间彼此距离很近，因而在那时引力的效果显著从而减缓了宇宙的膨胀。但经过了几十上百亿年的膨胀，不断增长的暗能量开始让宇宙膨胀缓慢加速。表述暗能量的最简洁方法是在爱因斯坦引力场方程中添加所谓宇宙常数项，但这仍然无法回答暗能量的构成、形成机制等问题，以及与此伴随的一些更基础问题：例如关于它状态方程的细节，以及它与粒子物理学中标准模型的内在联系，这些未解决的问题仍然有待理论和实验观测的进一步研究。 所有在暴涨时期以后的宇宙演化，都可以用宇宙学中的ΛCDM模型来非常精确地描述，这一模型来自广义相对论和量子力学各自独立的框架。如前所述，目前还没有广泛支持的模型能够描述大爆炸后大约10^-15秒之内的宇宙，一般认为需要一个统合广义相对论和量子力学的量子引力理论来突破这一难题。如何才能理解这一极早期宇宙的物理图景是当今物理学的最大未解决问题之一。　粒子及物质形成过程　宇宙最开始，没有物质只有能量，大爆炸后物质由能量转换而来（质能转换E=mcc），当代粒子物理学告诉我们，在足够高的温度下（称为“阈温”），物质粒子可以由光子的碰撞产生出来。下面是宇宙物质进化的详细过程： 时标-10^-43秒 宇宙从量子背景出现。 时标-10^-35秒 同一场分解为强力、电弱力和引力。 时标-10^-5秒 10万亿开，质子和中子形成。 时标0.0001秒，温度达几十万亿开，大于强子和轻子的阈温，光子碰撞产生正反强子和正反轻子，同时其中也有湮灭成光子。在达到平衡状态时，粒子总数大致与光子总数相等，未经湮灭的强子破碎为“夸克”，此时夸克处于没有任何相护作用的“渐进自由状态”。宇宙中的粒子品种有：正反夸克，正反电子，正反中微子。最后，有十亿分之一的正粒子存留下来 时标0.01秒温度1000亿开，小于强子阈温大于轻子阈温。光子产生强子的反应已经停止，强子不再破碎为夸克，质子中子各占一半，但由于正反质子正反中子不断湮灭，强子数量减少。中子与质子不断相互转化，到1.09秒时，温度100亿开，质子：中子=76：24 时标13.82秒，温度小于30亿开，物质被创造的任务完成。中子衰变现象出现，衰变成质子加电子加反中微子。这时质子：中子=83：17 时标3分46秒，温度9亿开，反粒子全部湮灭，光子：物质粒子=10亿：1，中子不再衰变，质子：中子=87：13（一直到现在）；这时出现了一个非常重要的演化：由2个质子和2个中子生成1个氦原子核，中子因受核力约束而保存下来。宇宙进入核合成时代。（如果没有氦核产生，中子将全部衰变，也没有以后其它的原子核） 时标30万—70万年，温度4000—3000开，能量和物质处于热平衡状态。开始出现稳定的氢氦原子核，宇宙进入复合时代。在后期宇宙逐步转变为以物质为主的时代。（光子随着温度的降低而可以自由穿行，即今天的3开宇宙背景辐射！） 时标4亿—5亿年，温度100开。物质粒子开始凝聚，引力逐渐增大，度过“黑暗时代”后，第一批恒星星系形成。 随着第一批恒星的形成，原子在恒星的内部发生了核聚变反应，进而出现了氦，碳、氧、镁，铁等元素原子核。核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。 （值得注意的是，不同质量的恒星能引发的核聚变程度不同，太阳主要为氢—氦聚变，重一点的会引发碳—氧—镁聚变，再重的会引发下一轮聚变。总的顺序简略依次为：氢—氦—碳—氧—镁—硅—铁。但无论恒星多重，最终的聚变结果只能是铁，恒星内部不能产生比铁更重的原子核！） 凡是元素周期表上有的(除人造元素外)，都是在恒星大炼炉里形成的，铁以后的原子核，只能在超爆中产生。　基本假设　大爆炸理论的建立基于了两个基本假设：物理定律的普适性和宇宙学原理。宇宙学原理是指在大尺度上宇宙是均匀且各向同性的。 这些观点起初是作为先验的公理被引入的，但现今已有相关研究工作试图对它们进行验证。例如对第一个假设而言，已有实验证实在宇宙诞生以来的绝大多数时间内，精细结构常数的相对误差值不会超过10^-5。此外，通过对太阳系和双星系统的观测，广义相对论已经得到了非常精确的实验验证；而在更广阔的宇宙学尺度上，大爆炸理论在多个方面经验性取得的成功也是对广义相对论的有力支持。 假设从地球上看大尺度宇宙是各向同性的，宇宙学原理可以从一个更简单的哥白尼原理中导出。哥白尼原理是指不存在一个受偏好的（或者说特别的）观测者或观测位置。根据对微波背景辐射的观测，宇宙学原理已经被证实在10^-5的量级上成立，而宇宙在大尺度上观测到的均匀性则在10%的量级。

特点、疑点和问题

当今的科学家在宇宙学问题上都普遍更青睐大爆炸模型，不过在历史上科学界曾经分成两派，一派是大爆炸模型的支持者，另一派是其他替代宇宙模型的支持者。在宇宙学的整个发展史中，科学界曾经不断争论着哪个宇宙学模型能够最符合地描述宇宙学的观测结果（参见动机和发展一节），大爆炸理论的一些问题也因此浮出水面。在当今的科学界，支持大爆炸理论是压倒性的共识，因此这些曾经提出的问题很多都已经成为了历史，人们为此不断修正和完善大爆炸理论以及获取更佳的观测结果，从而一一获得了这些问题的解释。 大爆炸的核心观点——包括度规膨胀、早期高温态、氦元素形成、星系形成——都是从独立于任何宇宙学模型的实际观测中推论出的，这些实际观测包括轻元素的丰度、宇宙微波背景辐射、大尺度结构、Ia型超新星的哈勃图等。而大爆炸理论发展至今，它的正确性和精确性有赖于很多奇特的物理现象，这些物理现象或者还没有在地面实验中观测到，或者还没被纳入粒子物理学的标准模型中。在这些现象中，暗物质是当前各个实验室所研究的最为活跃的主题。虽然暗物质理论中至今仍然存在一些未得到解决的细节和疑点，诸如星系晕尖点问题和冷暗物质的矮星系问题，但这些疑点的解决只需将来对理论做出进一步的修正，而不会对暗物质这一解释产生颠覆性的影响。暗能量是科学界另一高度关注的领域，但至今仍然不清楚将来是否有可能直接对暗能量进行观测。 另一方面，大爆炸模型中的两个重要概念：暴涨和重子数产生，在某种意义上仍然被认为是具有猜测性质的。它们虽然能够解释早期宇宙的重要性质，却可以被其他解释所替代而不影响大爆炸理论本身。如何找到这些观测现象的正确解释仍然是当今物理学最大的未解决问题之一。　视界问题　视界问题来源于任何信息的传递速度不可能超过光速的前提。对于一个存在有限时间的宇宙而言，这个前提决定了两个具有因果联系的时空区域之间的间隔具有一个上界，这个上界被称作粒子视界。从这个意义上看，所观测到的微波背景辐射的各向同性与这个推论存在矛盾：如果早期宇宙直到“最终的散射”时期之前一直都被物质或辐射主导，那时的粒子视界将只对应着天空中大约2度的范围，从而无法解释为何在一个如此广的范围内都具有相同的辐射温度以及如此相似的物理性质。对于这一看似矛盾之处，暴涨理论给出了解决方案，它指出在宇宙诞生极早期（早于重子数产生）的一段时间内，宇宙被均匀且各向同性的能量标量场主导着。在暴涨过程中，宇宙空间发生了指数膨胀，而粒子视界的膨胀速度要远比原先预想的要快，从而导致现在处于可观测宇宙两端的区域完全处于彼此的粒子视界中。从而，现今观测到的微波背景辐射在大尺度上的各向同性是由于在暴涨发生之前，这些区域彼此是相互接触而具有因果联系的。 根据海森堡的不确定性原理，在暴涨时期宇宙中存着微小的量子热涨落，随着暴涨这些涨落被放大到宇观尺度，这就成为了当今宇宙中所有结构的种子。暴涨理论预言这些原初涨落基本上具有尺度不变性并满足高斯分布，这已经通过测量微波背景辐射得到了精确的证实。如果暴涨的确发生过，宇宙空间中的大片区域将因指数膨胀而完全处于我们可观测的视界范围以外。

不同的声音

同样一个论据，有时可以得到不同结论。 在相对论不断争论的100年里，我们发现太空不是真空，空气、玻璃、水这些决定光速的物质，确实就是光介质，因而光与声音一样，成为没有特殊性的波。从声音试验我们知道，声波越长衰减越慢，经过远距离传输后，就只剩下长波。光的红移现象，正好符合这个原理。所以离地球越远，红移越厉害，成为必然。用这个论据证明宇宙膨胀，难道大家认为地球是宇宙的中心？否则这个模型怎么刚好是离地球越远红移越厉害？而不是离爆炸中心越远，运动越快？这个爆炸模型应该的结果是在地球距爆炸中心外侧的星体，速度比距爆炸中心内侧的星体快！