宇宙大爆炸是一關(guān)于宇宙起源的學(xué)說(shuō)，是根據(jù)天文觀測(cè)研究后得到的一種設(shè)想。大約在138.17億年前（最新數(shù)據(jù)），宇宙所有的物質(zhì)都高度密集在一點(diǎn)，有著極高的溫度，因而發(fā)生了巨大的爆炸。大爆炸以后，物質(zhì)開始向外大膨脹，就形成了今天我們看到的宇宙。

理論起源　

比利時(shí)神父、物理學(xué)家喬治·勒梅特首先提出了關(guān)于宇宙起源的大爆炸理論，但他本人將其稱作“原生原子的假說(shuō)”。這一模型的框架基于愛因斯坦的廣義相對(duì)論，又在場(chǎng)方程的求解上作出了一定的簡(jiǎn)化。宇宙大爆炸一詞首先是由英國(guó)天文學(xué)家弗雷德·霍伊爾所采用的。霍伊爾是與大爆炸對(duì)立的宇宙學(xué)模型——穩(wěn)恒態(tài)理論的倡導(dǎo)者，他在1949年3月BBC的一次廣播節(jié)目中將勒梅特等人的理論稱作“這個(gè)大爆炸的觀點(diǎn)”。

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)

在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)方面，1912年維斯托·斯里弗爾首次測(cè)量了一個(gè)“旋渦星云”的多普勒頻移，其后他和卡爾·韋海姆·懷茲證實(shí)了絕大多數(shù)類似的星云都在退離地球。不過(guò)斯里弗爾并沒(méi)有因此聯(lián)想到這個(gè)觀測(cè)結(jié)果對(duì)宇宙學(xué)的意義，這也是由于在當(dāng)時(shí)，人們就這些“星云”是否是我們的銀河系之外的“島宇宙”這一問(wèn)題存在著高度爭(zhēng)議。

哈勃定律

1924年起，哈勃為勒梅特的理論提供了實(shí)驗(yàn)條件：他在威爾遜山天文臺(tái)利用口徑250厘米的胡克望遠(yuǎn)鏡費(fèi)心建造了一系列天文距離指示儀，這是宇宙距離尺度的前身。這些儀器使他能夠通過(guò)觀測(cè)星系的紅移量來(lái)推測(cè)星系與地球之間的距離。他在1929年發(fā)現(xiàn)，星系遠(yuǎn)離地球的速度同它們與地球之間的距離剛好成正比，這就是所謂哈勃定律。而勒梅特在理論推測(cè)，根據(jù)宇宙學(xué)原理當(dāng)觀測(cè)足夠大的空間時(shí)，沒(méi)有特殊方向和特殊點(diǎn)，因此哈勃定律說(shuō)明宇宙在膨脹。

二十世紀(jì)九十年代后期和二十一世紀(jì)初，望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的重大發(fā)展和如宇宙背景探測(cè)者（COBE）、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（HST）和威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP）等空間探測(cè)器收集到的大量數(shù)據(jù)使大爆炸理論又有了新的大突破。宇宙學(xué)家從而可以更為精確地測(cè)量大爆炸模型中的各種參數(shù)，并從中發(fā)現(xiàn)了很多意想不到的結(jié)果，比如宇宙的膨脹正在加速。

大爆炸年表

通過(guò)廣義相對(duì)論將宇宙的膨脹進(jìn)行時(shí)間反演，則可得出宇宙在過(guò)去有限的時(shí)間之前曾經(jīng)處于一個(gè)密度和溫度都無(wú)限高的狀態(tài)，稱之為奇點(diǎn)，奇點(diǎn)的存在意味著廣義相對(duì)論理論在這里不適用。而仍然存在爭(zhēng)論的問(wèn)題是，借助廣義相對(duì)論我們能在多大程度上理解接近奇點(diǎn)的物理學(xué)——可以肯定的是不會(huì)早于普朗克時(shí)期。宇宙極早期這一高溫高密的相態(tài)被稱作“大爆炸”，這被看作是我們宇宙的誕生時(shí)期。通過(guò)觀測(cè)Ia型超新星來(lái)測(cè)量宇宙的膨脹，對(duì)宇宙微波背景輻射溫度漲落的測(cè)量，以及對(duì)星系之間相關(guān)函數(shù)的測(cè)量，科學(xué)家計(jì)算出宇宙的年齡大約為137.3 ±1.2億年。這三個(gè)獨(dú)立測(cè)算所得到的結(jié)果相符，從而為具體描述宇宙所包含物質(zhì)比例的ΛCDM模型提供了有力證據(jù)。

極早期

關(guān)于大爆炸模型中極早期宇宙的相態(tài)問(wèn)題，至今（2012年）人們?nèi)猿錆M了猜測(cè)。在大多數(shù)常見的模型中，宇宙誕生初期是由均勻且各向同性的高密高溫高壓物質(zhì)構(gòu)成的，并在極早期發(fā)生了非?？焖俚呐蛎浐屠鋮s。大約在膨脹進(jìn)行到10^-37秒時(shí)，產(chǎn)生了一種相變使宇宙發(fā)生暴漲，在此期間宇宙的膨脹是呈指數(shù)增長(zhǎng)的。當(dāng)暴漲結(jié)束后，構(gòu)成宇宙的物質(zhì)包括夸克－膠子等離子體，以及其他所有基本粒子。此時(shí)的宇宙仍然非常熾熱，以至于粒子都在做著相對(duì)論性的高速隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，而粒子－反粒子對(duì)在此期間也通過(guò)碰撞不斷地創(chuàng)生和湮滅，從而宇宙中粒子和反粒子的數(shù)量是相等的（宇宙中的總重子數(shù)為零）。直到其后的某個(gè)時(shí)刻，一種未知的違反重子數(shù)守恒的反應(yīng)過(guò)程出現(xiàn)，它使夸克和輕子的數(shù)量略微超過(guò)了反夸克和反輕子的數(shù)量——超出范圍大約在三千萬(wàn)分之一的量級(jí)上，這一過(guò)程被稱作重子數(shù)產(chǎn)生。這一機(jī)制導(dǎo)致了當(dāng)今宇宙中物質(zhì)相對(duì)于反物質(zhì)的主導(dǎo)地位。


大爆炸發(fā)生的幾分鐘后

在大爆炸發(fā)生的幾分鐘后，宇宙的溫度降低到大約十億開爾文的量級(jí)，密度降低到大約空氣密度的水平。少數(shù)質(zhì)子和所有中子結(jié)合，組成氘和氦的原子核，這個(gè)過(guò)程叫做太初核合成。而大多數(shù)質(zhì)子沒(méi)有與中子結(jié)合，形成了氫的原子核。隨著宇宙的冷卻，宇宙能量密度的主要來(lái)自靜止質(zhì)量產(chǎn)生的引力的貢獻(xiàn)，并超過(guò)原先光子以輻射形式的能量密度。在大約37.9萬(wàn)年之后，電子和原子核結(jié)合成為原子，而物質(zhì)通過(guò)脫耦發(fā)出輻射并在宇宙空間中相對(duì)自由的傳播，這個(gè)輻射的殘跡就形成了今天的宇宙微波背景輻射。

雖然宇宙在大尺度上物質(zhì)幾乎均一分布，但仍存在某些密度稍大的區(qū)域，因而在此后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)這些區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)通過(guò)引力作用吸引附近的物質(zhì)，從而變得密度更大，并形成了氣體云、恒星、星系等其他在今天的天文學(xué)上可觀測(cè)的結(jié)構(gòu)。這一過(guò)程的具體細(xì)節(jié)取決于宇宙中物質(zhì)的形式和數(shù)量，其中形式可能有三種：冷暗物質(zhì)、熱暗物質(zhì)和重子物質(zhì)。來(lái)自WMAP的目前最佳觀測(cè)結(jié)果表明，宇宙中占主導(dǎo)地位的物質(zhì)形式是冷暗物質(zhì)，而其他兩種物質(zhì)形式在宇宙中所占比例不超過(guò)18%。

當(dāng)今的宇宙被一種被稱作暗能量的未知能量形式主導(dǎo)著，暗能量被認(rèn)為滲透到空間中的每一個(gè)角落。觀測(cè)顯示，當(dāng)今宇宙的總能量密度中有72%的部分是以暗能量這一形式存在的。根據(jù)推測(cè)，在宇宙非常年輕時(shí)暗能量就已經(jīng)存在，但此時(shí)的宇宙尺度很小而物質(zhì)間彼此距離很近，因而在那時(shí)引力的效果顯著從而減緩了宇宙的膨脹。但經(jīng)過(guò)了幾十上百億年的膨脹，不斷增長(zhǎng)的暗能量開始讓宇宙膨脹緩慢加速。表述暗能量的最簡(jiǎn)潔方法是在愛因斯坦引力場(chǎng)方程中添加所謂宇宙常數(shù)項(xiàng)，但這仍然無(wú)法回答暗能量的構(gòu)成、形成機(jī)制等問(wèn)題，以及與此伴隨的一些更基礎(chǔ)問(wèn)題：例如關(guān)于它狀態(tài)方程的細(xì)節(jié)，以及它與粒子物理學(xué)中標(biāo)準(zhǔn)模型的內(nèi)在聯(lián)系，這些未解決的問(wèn)題仍然有待理論和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的進(jìn)一步研究。暗能量。對(duì)Ia型超新星紅移－星等之間關(guān)系的測(cè)量揭示了宇宙自現(xiàn)有年齡的一半時(shí)，它的膨脹開始加速。如要解釋這種加速膨脹，廣義相對(duì)論要求宇宙中的大部分能量都具有一個(gè)能夠提供負(fù)壓的因子，即所謂“暗能量”。

暴漲時(shí)期以后

所有在暴漲時(shí)期以后的宇宙演化，都可以用宇宙學(xué)中的ΛCDM模型來(lái)非常精確地描述，這一模型來(lái)自廣義相對(duì)論和量子力學(xué)各自獨(dú)立的框架。如前所述，目前還沒(méi)有廣泛支持的模型能夠描述大爆炸后大約10^-15秒之內(nèi)的宇宙，一般認(rèn)為需要一個(gè)統(tǒng)合廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的量子引力理論來(lái)突破這一難題。如何才能理解這一極早期宇宙的物理圖景是當(dāng)今物理學(xué)的最大未解決問(wèn)題之一。

視界

宇宙大爆炸時(shí)空的一個(gè)重要特點(diǎn)就是視界的存在：由于宇宙具有有限的年齡，并且光具有有限的速度，從而可能存在某些過(guò)去的事件無(wú)法通過(guò)光向我們傳遞信息。從這一分析可知，存在這樣一個(gè)極限或稱為過(guò)去視界，只有在這個(gè)極限距離以內(nèi)的事件才有可能被觀測(cè)到。另一方面，由于空間在不斷膨脹，并且越遙遠(yuǎn)的物體退行速度越大，從而導(dǎo)致從我們這里發(fā)出的光有可能永遠(yuǎn)也無(wú)法到達(dá)那里。從這一分析可知，存在這樣一個(gè)極限或稱為未來(lái)視界，只有在這個(gè)極限距離以內(nèi)的事件才有可能被我們所影響。假如宇宙的膨脹一直加速下去，宇宙也會(huì)存在一個(gè)未來(lái)視界。

宇宙的未來(lái)

在發(fā)現(xiàn)暗能量之前，宇宙學(xué)家認(rèn)為宇宙的未來(lái)存在有兩種圖景：如果宇宙能量密度超過(guò)臨界密度，宇宙會(huì)在膨脹到最大體積之后坍縮，在坍縮過(guò)程中，宇宙的密度和溫度都會(huì)再次升高，最后終結(jié)于同爆炸開始相似的狀態(tài)——即大擠壓；相反，如果宇宙能量密度等于或者小于臨界密度，膨脹會(huì)逐漸減速，但永遠(yuǎn)不會(huì)停止。恒星形成會(huì)因各個(gè)星系中的星際氣體都被逐漸消耗而最終停止；恒星演化最終導(dǎo)致只剩下白矮星、中子星和黑洞。相當(dāng)緩慢地，這些致密星體彼此的碰撞會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量聚集而陸續(xù)產(chǎn)生更大的黑洞。宇宙的平均溫度會(huì)漸近地趨于絕對(duì)零度，從而達(dá)到所謂大凍結(jié)。此外，倘若質(zhì)子真像標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的那樣是不穩(wěn)定的，重子物質(zhì)最終也會(huì)全部消失，宇宙中只留下輻射和黑洞，而最終黑洞也會(huì)因霍金輻射而全部蒸發(fā)。宇宙的熵會(huì)增加到極點(diǎn)，以致于再也不會(huì)有自組織的能量形式產(chǎn)生，最終宇宙達(dá)到熱寂狀態(tài)。

現(xiàn)代觀測(cè)發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹之后，人們意識(shí)到現(xiàn)今可觀測(cè)的宇宙越來(lái)越多的部分將膨脹到我們的事件視界以外而同我們失去聯(lián)系，這一效應(yīng)的最終結(jié)果還不清楚。在ΛCDM模型中，暗能量以宇宙學(xué)常數(shù)的形式存在，這個(gè)理論認(rèn)為只有諸如星系等引力束縛系統(tǒng)的物質(zhì)會(huì)聚集，并隨著宇宙的膨脹和冷卻它們也會(huì)到達(dá)熱寂。對(duì)暗能量的其他解釋，例如幻影能量理論則認(rèn)為最終星系群、恒星、行星、原子、原子核以及所有物質(zhì)都會(huì)在一直持續(xù)下去的膨脹中被撕開，即所謂大撕裂。

動(dòng)態(tài)模擬圖

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