1932年勒梅特首次提出了現代宇宙大爆炸理論：整個宇宙最初聚集在一個“原始原子”中，後來發生了大爆炸，碎片向四面八方散開，形成了我們的宇宙。從此之後，大爆炸理論成為衆多科學家争論的焦點。宇宙大爆炸僅僅是一種學說，是根據天文觀測研究後得到的一種設想。下面就和趣聞解密小編去了解一下宇宙大爆炸之謎吧。

大約在150億年前，宇宙所有的物質都高度密集在一點，有着極高的溫度，因而發生了巨大的爆炸。大爆炸以後，物質開始向外大膨脹，就形成了今天我們看到的宇宙。大爆炸的整個過程是複雜的，現在隻能從理論研究的基礎上描繪過去遠古的宇宙發展史。在這150億年中先後誕生了星系團、星系、我們的銀河系、恒星、太陽系、行星、衛星等。現在我們看見的和看不見的一切天體和宇宙物質，形成了當今的宇宙形态，人類就是在這一宇宙演變中誕生的。宇宙大爆炸時間表從1948年伽莫夫建立熱大爆炸的觀念以來，通過幾十年的努力，宇宙學家們為我們勾畫出這樣一部宇宙曆史：

大爆炸開始時 約137億年前，極小體積，極高密度，極高溫度。大爆炸後0.01秒 1000億度，光子、電子、中微子為主，質子中子僅占10億分之一，熱平衡态，體系急劇膨脹，溫度和密度不斷下降。大爆炸後10^-43秒宇宙從量子背景出現。大爆炸後10^-35秒 引力分離，誇克、玻色子、輕子形成。大爆炸後0.1秒後 300億度，中子質子比從1.0下降到0.61。大爆炸後1秒後 100億度，中微子向外逃逸，正負電子湮沒反應出現，核力尚不足束縛中子和質子。

大爆炸後5-10秒 10億度，質子和中子形成。大爆炸後13.8秒後 30億度，氫、氦類穩定原子核（化學元素）形成。大爆炸後35分鐘後 3億度，原初核反應過程停止，尚不能形成中性原子。大爆炸後30萬年後 3000度，化學結合作用使中性原子形成，宇宙主要成分為氣态物質，并逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體雲塊，直至恒星和恒星系統。

宇宙大爆炸的觀測證據宇宙大爆炸理論最早也最直接的觀測證據包括從星系紅移觀測到的哈勃膨脹、對宇宙微波背景輻射的精細測量、宇宙間輕元素的豐度，而今大尺度結構和星系演化也成為了新的支持證據。這四種觀測證據有時被稱作“大爆炸理論的四大支柱”。

哈勃定律對遙遠星系和類星體的觀測表明這些天體存在紅移——從這些天體發出的電磁波波長會變長。通過觀測取得星體的頻譜，而構成天體的化學元素的原子與電磁波的相互作用對應着特定樣式的吸收和發射譜線，将兩者進行比對則可發現這些譜線都向波長更長的一端移動。這些紅移是均勻且各向同性的，也就是說在觀測者看來任意方向上的天體都會發生均勻分布的紅移。如果将這種紅移解釋為一種多普勒頻移，則可進而推知天體的退行速度。對于某些星系，它們到地球的距離可以通過宇宙距離尺度來估算出。如果将各個星系的退行速度和它們到地球的距離一一列出，則可發現兩者存在一個線性關系即哈勃定律：

v=HD,其中:v 是星系或其他遙遠天體的退行速度；D 是距天體的共動固有距離；H 是哈勃常數，根據WMAP最近的測量結果為70.1 ±1.3千米/秒/秒差距。

宇宙膨脹根據哈勃定律我們的宇宙圖景有兩種可能：或者我們正處于空間膨脹的正中央，從而所有的星系都在遠離我們——這與哥白尼原理相違背——或者宇宙的膨脹是各處都相同的。從廣義相對論推測出宇宙正在膨脹的假說是由亞曆山大·弗裡德曼和喬治·勒梅特分别在1922年和1927年各自提出的，都要早于哈勃在1929年所進行的實驗觀測和分析工作。宇宙膨脹的理論後來成為了弗裡德曼、勒梅特、羅伯遜、沃爾克等人建立大爆炸理論的基石。

大爆炸理論要求哈勃定律在任何情況下都成立，注意這裡v、D和H随着宇宙膨脹都在不斷變化（因此哈勃常數H實際是指“當前狀态下的哈勃常數”）。對于距離遠小于可觀測宇宙尺度的情形，哈勃紅移可以被理解為因退行速度v造成的多普勒頻移，但本質上哈勃紅移并不是真正的多普勒頻移，而是在光從遙遠星系發出而後被觀測者接收的這個時間間隔内，宇宙膨脹的結果。

天文學上觀測到的高度均勻分布且各向同性的紅移，以及其他很多觀測證據，都支持着宇宙在各個方向上看起來都相同這一宇宙學原理。2000年，人們通過測量宇宙微波背景輻射對遙遠天體系統的動力學所産生的影響，證實了哥白尼原理，即地球相對大尺度宇宙來說絕非宇宙的中心。早期宇宙來自大爆炸的微波背景輻射溫度要顯著高于當今的輻射餘溫，而幾十億年來微波背景輻射均勻降溫的事實隻能被解釋為宇宙空間正在進行着度規膨脹，并排除了我們較為接近一個特殊的爆炸中心的可能。

微波輻射在宇宙誕生的最初幾天裡，宇宙處于完全的熱平衡态，并伴随有光子的不斷吸收和發射，從而産生了一個黑體輻射的頻譜。其後随着宇宙的膨脹，溫度逐漸降低到光子不能繼續産生或湮滅，不過此時的高溫仍然足以使電子和原子核彼此分離。因而，此時的光子不斷地被這些自由電子“反射”，這一過程的本質是湯姆孫散射。由于這種散射的持續存在，早期宇宙對電磁波是不透明的。當溫度繼續降低到幾千開爾文時，電子和原子核開始結合成原子，這一過程在宇宙學中稱為複合。

由于光子被中性原子散射的幾率很小，當幾乎所有電子都與原子核發生複合之後，光子的電磁輻射與物質脫耦。這一時期大約發生在大爆炸後三十七萬九千年，被稱作“最終的散射”時期。這些光子構成了可以被今天人們觀測到的背景輻射，而觀測到的背景輻射的漲落圖樣正是這一時期的早期宇宙的直接寫照。随着宇宙的膨脹，光子的能量因紅移而随之降低，從而使光子落入了電磁波譜的微波頻段。微波背景輻射被認為在宇宙中的任何一點都可被觀測，并且在各個方向上都（幾乎）具有相同的能量密度。

1964年，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在使用貝爾實驗室的一台微波接收器進行診斷性測量時，意外發現了宇宙微波背景輻射的存在。他們的發現為微波背景輻射的相關預言提供了堅實的驗證——輻射被觀測到是各向同性的，并且對應的黑體輻射溫度為3K——并為大爆炸假說提供了有力的證據。彭齊亞斯和威爾遜為這項發現獲得了諾貝爾物理學獎。

1989年，NASA發射了宇宙背景探測者衛星（COBE），并在1990年取得初步測量結果，顯示大爆炸理論對微波背景輻射所做的預言和實驗觀測相符合。COBE測得的微波背景輻射餘溫為2。726K，并在1992年首次測量了微波背景輻射的漲落（各向異性），其結果顯示這種各向異性在十萬分之一的量級。約翰·馬瑟和喬治·斯穆特因領導了這項工作而獲得諾貝爾物理學獎。在接下來的十年間，微波背景輻射的各向異性被多個地面探測器以及氣球實驗進一步研究。2000年至2001年間，以毫米波段氣球觀天計劃為代表的多個實驗通過測量這種各向異性的典型角度大小，發現宇宙在空間上是近乎平直的。

2003年初，威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）給出了它的首次探測結果，其中包括了在當時人們所能獲得的最精确的某些宇宙學參數。航天器的探測結果還否定了某些具體的宇宙暴漲模型，但總體而言仍然符合廣義的暴漲理論。

此外，WMAP還證實了有一片“中微子海”彌散于整個宇宙，這清晰地說明了最早的一批恒星誕生時曾經用了約五億年的時間才形成所謂宇宙霧，從而開始在原本黑暗的宇宙中發光。2009年5月，普朗克衛星作為用于測量微波背景各向異性的新一代探測器發射升空，它被寄希望于能夠對微波背景的各向異性進行更精确的測量，除此之外還有很多基于地面探測器和氣球的觀測實驗也在進行中。

原始物質豐度采用大爆炸模型可以計算氦-4、氦-3、氘和锂-7等輕元素相對普通氫元素在宇宙中所占含量的比例。所有這些輕元素的豐度都取決于一個參數，即早期宇宙中輻射（光子）與物質（重子）的比例，而這個參數的計算與微波背景輻射漲落的具體細節無關。大爆炸理論所推測的輕元素比例（注意這裡是元素的總質量之比而非數量之比）大約為：氦-4/氫= 0。25，氘/氫= 10^-3，氦-3/氫= 10^-4，锂-7/氫= 10^-7。

将實際測量到的各種輕元素豐度和從光子重子比例推算出的理論值兩者比較，可以發現至少是粗略符合。其中理論值和測量值符合最好的是氘元素，氦-4的理論值和測量值接近但仍有差别，锂-7則是差了兩倍，即對于後兩種元素的情形存在着明顯的系統随機誤差。盡管如此，大爆炸核合成理論所預言的輕元素豐度與實際觀測可以認為是基本符合，這是對大爆炸理論的強有力支持。

因為到目前為止還沒有第二種理論能夠很好地解釋并給出這些輕元素的相對豐度，而從大爆炸理論所預言的宇宙中可被“調控”的氦元素含量也不可能超出或低于現有豐度的20%至30%。事實上很多觀測也沒有除大爆炸以外的理論可以解釋，例如為什麼早期宇宙（即在恒星形成之前，從而對物質的研究可以排除恒星核合成的影響）中氦的豐度要高于氘，而氘的含量又要高于氦-3，而且比例又是常數。

星系演變對星系和類星體的分類和分布的詳細觀測為大爆炸理論提供了強有力的支持證據。理論和觀測結果共同顯示，最初的一批星系和類星體誕生于大爆炸後十億年，從那以後更大的結構如星系團和超星系團開始形成。由于恒星族群不斷衰老和演化，我們所觀測到的距離遙遠的星系和那些距離較近的星系非常不同。

此外，即使距離上相近，相對較晚形成的星系也和那些在大爆炸之後較早形成的星系存在較大差異。這些觀測結果都和宇宙的穩恒态理論強烈抵觸，而對恒星形成、星系和類星體分布以及大尺度結構的觀測則通過大爆炸理論對宇宙結構形成的計算模拟結果符合得很好，從而使大爆炸理論的細節更趨完善。

其他證據人們通過對哈勃膨脹以及對微波背景輻射的觀測，分别估算出了宇宙的年齡。雖然這兩個結果彼此曾經存在一些矛盾和争議，但最終還是取得了相當程度上的一緻：兩者都認為宇宙的年齡要稍大于最老的恒星的年齡。兩者的測量方法都是将恒星演化理論應用到球狀星團上，并用放射性定年法測定每一顆第二星族恒星的年齡。

大爆炸理論預言了微波背景輻射的溫度在過去曾經比現在要高，而對于位于高紅移區域（即距離很遠）的氣體雲，通過觀測它們對溫度敏感的發射譜線已經證實了這個預言。這個預言也意味着星系團中蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應的強度與紅移并不直接相關；這一點從目前觀測來看應該是近似正确，然而由于蘇尼亞耶夫－澤爾多維奇效應的強度還和星系團的本身性質直接關聯，并且星系團的性質在宇宙學的時間尺度上會發生根本的變化，因而導緻無法精确檢驗這個猜想的正确性。

宇宙大爆炸的疑點當今的科學家在宇宙學問題上都普遍更青睐大爆炸模型，不過在曆史上科學界曾經分成兩派，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。在宇宙學的整個發展史中，科學界曾經不斷争論着哪個宇宙學模型能夠最符合地描述宇宙學的觀測結果（參見動機和發展一節），大爆炸理論的一些問題也因此浮出水面。在當今的科學界，支持大爆炸理論是壓倒性的共識，因此這些曾經提出的問題很多都已經成為了曆史，人們為此不斷修正和完善大爆炸理論以及獲取更佳的觀測結果，從而一一獲得了這些問題的解釋。

大爆炸的核心觀點——包括度規膨脹、早期高溫态、氦元素形成、星系形成——都是從獨立于任何宇宙學模型的實際觀測中推論出的，這些實際觀測包括輕元素的豐度、宇宙微波背景輻射、大尺度結構、Ia型超新星的哈勃圖等。而大爆炸理論發展至今，它的正确性和精确性有賴于很多奇特的物理現象，這些物理現象或者還沒有在地面實驗中觀測到，或者還沒被納入粒子物理學的标準模型中。

在這些現象中，暗物質是當前各個實驗室所研究的最為活躍的主題。雖然暗物質理論中至今仍然存在一些未得到解決的細節和疑點，諸如星系暈尖點問題和冷暗物質的矮星系問題，但這些疑點的解決隻需将來對理論做出進一步的修正，而不會對暗物質這一解釋産生颠覆性的影響。暗能量是科學界另一高度關注的領域，但至今仍然不清楚将來是否有可能直接對暗能量進行觀測。

另一方面，大爆炸模型中的兩個重要概念：暴漲和重子數産生，在某種意義上仍然被認為是具有猜測性質的。它們雖然能夠解釋早期宇宙的重要性質，卻可以被其他解釋所替代而不影響大爆炸理論本身。如何找到這些觀測現象的正确解釋仍然是當今物理學最大的未解決問題之一。

視界問題

視界問題來源于任何信息的傳遞速度不可能超過光速的前提。對于一個存在有限時間的宇宙而言，這個前提決定了兩個具有因果聯系的時空區域之間的間隔具有一個上界，這個上界被稱作粒子視界。從這個意義上看，所觀測到的微波背景輻射的各向同性與這個推論存在矛盾：如果早期宇宙直到“最終的散射”時期之前一直都被物質或輻射主導，那時的粒子視界将隻對應着天空中大約2度的範圍，從而無法解釋為何在一個如此廣的範圍内都具有相同的輻射溫度以及如此相似的物理性質。

對于這一看似矛盾之處，暴漲理論給出了解決方案，它指出在宇宙誕生極早期（早于重子數産生）的一段時間内，宇宙被均勻且各向同性的能量标量場主導着。在暴漲過程中，宇宙空間發生了指數膨脹，而粒子視界的膨脹速度要遠比原先預想的要快，從而導緻現在處于可觀測宇宙兩端的區域完全處于彼此的粒子視界中。從而，現今觀測到的微波背景輻射在大尺度上的各向同性是由于在暴漲發生之前，這些區域彼此是相互接觸而具有因果聯系的。

根據海森堡的不确定性原理，在暴漲時期宇宙中存着微小的量子熱漲落，随着暴漲這些漲落被放大到宇觀尺度，這就成為了當今宇宙中所有結構的種子。暴漲理論預言這些原初漲落基本上具有尺度不變性并滿足高斯分布，這已經通過測量微波背景輻射得到了精确的證實。如果暴漲的确發生過，宇宙空間中的大片區域将因指數膨脹而完全處于我們可觀測的視界範圍以外。

平坦性問題平坦性問題是一個與弗裡德曼－勒梅特－羅伯遜－沃爾克度規相關的觀測問題。取決于宇宙的總能量密度是否大于、小于或等于臨界密度，宇宙的空間曲率可以是正的、負的或為零的。當宇宙的能量密度等于臨界密度時，宇宙空間被認為是平坦的。然而問題在于，任何一個偏離臨界密度的微小擾動都會随着時間逐漸放大，但至今觀測到的宇宙仍然是非常平坦的。

如果假設空間曲率偏離平坦所經的時間尺度為普朗克時間即10^-43秒，經過幾十億年的演化宇宙将會進入熱寂或大擠壓狀态，這一矛盾從而需要一個解釋。事實上，即使是在太初核合成時期，宇宙的能量密度也必須在偏離臨界密度不超過10^-14倍的範圍内，否則将不會形成像我們今天看到的這樣。

暴漲理論對此給出的解釋為，暴漲時期空間膨脹的速度如此之快，以至于能夠将産生的任何微小曲率都抹平。現在普遍認為暴漲導緻了現今宇宙空間的高度平坦性，并且其能量密度非常接近臨界密度值。

磁單極子問題關于磁單極子的反對意見源于二十世紀七十年代末，大統一理論預言了空間中的拓撲缺陷将表現為磁單極子，這種缺陷在早期高溫宇宙中應當大量産生，從而導緻現今磁單極子的密度應當遠大于所能觀測到的結果。而非常難以理解的是，至今為止人們從未觀測到任何磁單極子。解決這一矛盾的理論仍然是暴漲，與抹平空間中的曲率相類似，空間呈指數暴漲也消除了所有拓撲缺陷。

值得一提的是，外爾曲率假說作為暴漲理論的替代理論，同樣能夠解釋視界問題、平坦性問題和磁單極子問題。

重子不對稱性至今人們還不理解為什麼宇宙中的物質要比反物質多：大爆炸理論認為高溫的早期宇宙處在統計平衡态，具有同樣數量的重子和反重子；然而觀測表明，即使是在非常遙遠的地方，宇宙仍然幾乎由物質構成。産生這種不對稱性的未知過程稱作重子數産生，而重子數産生的條件是所謂Sakharov條件必須滿足。這些條件包括存在一種過程破壞重子數守恒、電荷共轭不變性和電荷共轭－空間反演不變性必須被破壞、宇宙偏離熱平衡态。這三個條件在标準模型的框架内都可得到滿足，然而标準模型所預言的此種效應在數量上太小，不足以完全解釋重子不對稱性的由來。

球狀星團年齡二十世紀九十年代中期，人們發現對球狀星團的觀測結果與大爆炸理論出現矛盾：，人們進行了和球狀星團的星族觀測相符的計算機模拟，其結果顯示這些球狀星團的年齡竟然高達150億年，這與大爆炸理論所預言的宇宙的年齡為137億年嚴重不符。九十年代後期，更完善的計算機模拟考慮了恒星風引起的質量損失效應，這一矛盾也基本得到了解決：最新得出的球狀星團年齡要比原先的結果小很多。雖然人們還不确定這種方法測定的球狀星團年齡到底有多精确，但已經明确的是它們無疑是宇宙中最古老的天體之一。

暗物質二十世紀七十至八十年代進行的多種觀測顯示，宇宙中可見的物質含量不足以解釋所觀測到的星系内部以及星系之間彼此産生的引力強度。這就導緻了科學家猜測宇宙中有含量多達90%的物質都屬于不會輻射電磁波也不會與普通重子物質相互作用的暗物質。另一方面，若假設宇宙中的大多數物質都是普通重子物質，所得出的一些預言也和觀測結果強烈矛盾。例如，如果不假設暗物質的存在，将難以解釋為何宇宙中氘的實際含量要比理論上預計的低很多。盡管暗物質這一概念在剛提出時還存在争議，但有多種觀測都顯示了它的存在，包括微波背景輻射的各向異性、星系團的速度彌散、大尺度結構的分布、對引力透鏡的研究、對星系團的X射線觀測等。

如要證實暗物質的存在，需要借助它與其他物質的引力相互作用，但至今還沒有在實驗室中發現構成暗物質的粒子。至今物理學家已經提出了多種粒子物理學理論來試圖解釋暗物質，同時實驗上也存在多個直接實驗觀測暗物質的探測計劃。

暗能量對Ia型超新星紅移－星等之間關系的測量揭示了宇宙自現有年齡的一半時，它的膨脹開始加速。如要解釋這種加速膨脹，廣義相對論要求宇宙中的大部分能量都具有一個能夠提供負壓的因子，即所謂“暗能量”。有其他若幹證據顯示暗能量确實存在：對微波背景輻射的測量顯示宇宙空間是近乎平直的，從而宇宙的能量密度需要非常接近臨界密度；然而通過引力彙聚對宇宙質量密度的測量表明，宇宙的能量密度隻有臨界密度的30%左右。由于暗能量并不像普通質量那樣發生正常的引力彙聚，它是對那部分“丢失”的能量密度的最好解釋。

此外有兩種對宇宙總曲率的幾何測量結果也要求了暗能量的存在，一種借助了引力透鏡的頻率，另一種則是利用大尺度結構的特征圖樣作為量天尺。負壓是真空能量的一種性質，但暗能量的本性到底是什麼仍然是大爆炸理論的最大謎團之一。

目前提出的用于解釋暗能量的候選者包括宇宙學常數和第五元素。2008年WMAP團隊給出了結合宇宙微波背景輻射和其他觀測數據的結果，顯示當今的宇宙含有72%的暗能量、23%的暗物質、4。6%的常規物質和少于1%的中微子。其中常規物質的能量密度随着宇宙的膨脹逐漸減少，而暗能量的能量密度卻（幾乎）保持不變。從而宇宙過去含有的常規物質比例比現在要高，而在未來暗能量的比例則會進一步升高。

在ΛCDM這一當前大爆炸理論的最佳模型中，暗能量被解釋為廣義相對論中的宇宙學常數。然而，基于廣義相對論并能夠合理解釋暗能量的宇宙學常數值，即使與基于量子引力觀點的不成熟估算值比起來仍然令人驚訝地小。在宇宙學常數以及其他解釋暗能量的替代理論之間做出比較和選擇是當前大爆炸研究領域中活躍的課題之一。

大爆炸宇宙的未來在發現暗能量之前，宇宙學家認為宇宙的未來存在有兩種圖景：如果宇宙能量密度超過臨界密度，宇宙會在膨脹到最大體積之後坍縮，在坍縮過程中，宇宙的密度和溫度都會再次升高，最後終結于同爆炸開始相似的狀态——即大擠壓；相反，如果宇宙能量密度等于或者小于臨界密度，膨脹會逐漸減速，但永遠不會停止。

恒星形成會因各個星系中的星際氣體都被逐漸消耗而最終停止；恒星演化最終導緻隻剩下白矮星、中子星和黑洞。相當緩慢地，這些緻密星體彼此的碰撞會導緻質量聚集而陸續産生更大的黑洞。宇宙的平均溫度會漸近地趨于絕對零度，從而達到所謂大凍結。此外，倘若質子真像标準模型預言的那樣是不穩定的，重子物質最終也會全部消失，宇宙中隻留下輻射和黑洞，而最終黑洞也會因霍金輻射而全部蒸發。宇宙的熵會增加到極點，以緻于再也不會有自組織的能量形式産生，最終宇宙達到熱寂狀态。

現代觀測發現宇宙加速膨脹之後，人們意識到現今可觀測的宇宙越來越多的部分将膨脹到我們的事件視界以外而同我們失去聯系，這一效應的最終結果還不清楚。在ΛCDM模型中，暗能量以宇宙學常數的形式存在，這個理論認為隻有諸如星系等引力束縛系統的物質會聚集，并随着宇宙的膨脹和冷卻它們也會到達熱寂。對暗能量的其他解釋，例如幻影能量理論則認為最終星系群、恒星、行星、原子、原子核以及所有物質都會在一直持續下去的膨脹中被撕開，即所謂大撕裂。

關于宇宙誕生的其他理論雖然在宇宙學中大爆炸模型已經建立得相當完善，在将來它仍然非常有可能被修正，例如對于宇宙誕生最早期的那一刻人們還幾乎一無所知。彭羅斯－霍金奇點定理表明，在宇宙時間的開端必然存在一個奇點。但是，這些理論都是在廣義相對論正确的前提下才成立，而廣義相對論在宇宙達到普朗克溫度之前必須失效，而一個可能存在的量子引力理論則有希望避免産生奇點。