大爆炸理論是最被廣為接受的解釋宇宙起源和演化的宇宙學(xué)模型。該理論認(rèn)為，宇宙中所有的能量和時(shí)空最初都包含在一個密度無窮大、溫度無窮大、體積極小的奇點(diǎn)中。人們認(rèn)為，大約138億年前，這個超級熱、超級致密的微塵開始了一次大規(guī)模的膨脹。

這一事件通常被描述為大爆炸，盡管這實(shí)際上是空間本身的膨脹，而不是物質(zhì)以比光速更快的速度被拋向現(xiàn)有空間。然而，這確實(shí)釋放了大量的物質(zhì)和輻射。隨著這種能量的消散，亞原子粒子和原子產(chǎn)生了。經(jīng)過數(shù)百萬年的時(shí)間，引力最終將它們拉到一起，形成了恒星和星系，而空間本身一直在伸展——根據(jù)Hubble-Lema?tre的宇宙膨脹定律，今天仍然在繼續(xù)。

宇宙大爆炸理論得到了這一定律的支持，該定律指出，星系之間的距離隨著距離的增加而增加(星系遠(yuǎn)離地球的速度與它們之間的距離成正比)。天文學(xué)家知道這一點(diǎn)是因?yàn)樾窍蛋l(fā)出的光在可見光譜的末端有明顯的偏移，這種現(xiàn)象被稱為“星系紅移”。換句話說，星系越遠(yuǎn)，其光的紅移越多，移動的速度也越快。

宇宙大爆炸的證據(jù)和事實(shí)

我們之前說過，大爆炸理論在科學(xué)界有很高的認(rèn)可度。 首先，前面提到的Hubble-Lema?tre定律為宇宙大爆炸和宇宙膨脹的相關(guān)觀點(diǎn)提供了重要的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)。但還有其他原因。

宇宙微波背景輻射(CMBR)的存在就是其中之一。宇宙微波背景輻射是一種微波波段的電磁信號，與宇宙中的任何物體都沒有聯(lián)系(這就是為什么它被稱為“背景輻射”)。1964年，貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家阿諾·彭齊亞斯(Arno Penzias)和羅伯特·威爾遜(Robert Wilson)在測試一種用于衛(wèi)星通信的微波天線時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)了這種天線。這個微波輻射計(jì)不斷地探測到一種“多余的無線電噪聲”，這種噪聲在各個方向上都是均勻的，最終被發(fā)現(xiàn)來自銀河系之外。

1948年，喬治·伽莫夫、拉爾夫·阿爾弗和羅伯特·赫爾曼研究了宇宙大爆炸中輕元素的核合成。他們的理論認(rèn)為，為了使這一過程發(fā)生，宇宙必須非常熱，而由于不斷膨脹，可能會有這種極端熱的殘留物以微波波長的形式存在。阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在貝爾電話實(shí)驗(yàn)室觀察到的結(jié)果被認(rèn)為是產(chǎn)生宇宙的膨脹過程的余熱。

另一個證據(jù)是，宇宙中氦、氫、氘、氚、鋰和其他微量元素的數(shù)量與理論中假設(shè)的大爆炸發(fā)生時(shí)的數(shù)量完全相同。換句話說，大爆炸理論預(yù)測，由于奇點(diǎn)的“爆炸”，這些化學(xué)元素應(yīng)該會被發(fā)現(xiàn)得特別多，而科學(xué)家已經(jīng)找到了它。例如，該理論指出，如果發(fā)生了大爆炸，宇宙中氦的含量將達(dá)到25%左右。事實(shí)上，氦占宇宙原子的25%。

根據(jù)模擬，星系的形成和演化也可以被認(rèn)為是大爆炸理論的證據(jù)，主要是因?yàn)樗鼈冊诖笮徒Y(jié)構(gòu)中組織自己的方式，比如星團(tuán)和超星團(tuán)。還有其他的證據(jù)，但太空紅移、宇宙微波背景輻射(CMBR)、大量的輕元素和星系演化的觀測被科學(xué)家稱為“大爆炸的四大支柱”。

關(guān)于宇宙起源的其他理論

沒有與宇宙大爆炸相矛盾的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)。但就像所有理論一樣，大爆炸理論并不完美，天文學(xué)家對宇宙的誕生提出了其它解釋。

其中一種是穩(wěn)態(tài)模型，該模型通過假設(shè)物質(zhì)的永恒創(chuàng)造、隨著時(shí)間的推移保持其密度來解釋宇宙的膨脹。在這個模型中，宇宙是永恒和無限的。它沒有開始，沒有結(jié)束，也沒有演化。它之所以會改變，是因?yàn)橛钪娴某掷m(xù)膨脹總是在產(chǎn)生新的物質(zhì)(尤其是氫)，而新的物質(zhì)又會產(chǎn)生新的恒星。

穩(wěn)態(tài)模型在20世紀(jì)50年代首次受到挑戰(zhàn)，當(dāng)時(shí)射電星系在如此遙遠(yuǎn)的距離被發(fā)現(xiàn)，處于這樣的狀態(tài)，它們不符合穩(wěn)態(tài)模型。在大爆炸的宇宙中，由于光的傳播時(shí)間，天文學(xué)家可以看到遙遠(yuǎn)的星系過去的樣子; 因此，遙遠(yuǎn)的星系應(yīng)該比鄰近的星系更密集地聚集在一起。在穩(wěn)態(tài)模型下，你會期望在任何地方(以及任何時(shí)間)都能發(fā)現(xiàn)相同的星系平均密度——但事實(shí)上，遠(yuǎn)距離的射電星系比近處的要多。這表明宇宙隨著時(shí)間的推移而改變。

穩(wěn)態(tài)模型隨著大爆炸理論的其他支柱被發(fā)現(xiàn)而衰落，特別是在類星體和宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)之后，穩(wěn)態(tài)模型在20世紀(jì)60年代被大爆炸理論所取代。

另一種選擇是永恒膨脹。這一理論認(rèn)為，大爆炸之后發(fā)生的膨脹從未停止，即使是現(xiàn)在，新的宇宙正在形成，可能具有不同的物理定律。

還有一種振蕩模型，認(rèn)為宇宙中會有無窮無盡的大爆炸，然后是重新開始循環(huán)的大撞擊。這個理論也有很多變化。

還有其它更深奧的理論來自弦理論和量子引力，比如全息理論，它認(rèn)為宇宙是一個投影到三維空間的二維全息圖。

大爆炸時(shí)間線

根據(jù)大爆炸理論，宇宙可以分為幾個發(fā)展階段。

首先，有一個初始奇點(diǎn)，在那里，宇宙的所有能量和時(shí)空都被“困”在一個密度極高的熱斑中。在這一點(diǎn)上，宇宙理論上的跨度只有10^-35米(1個普朗克長度)，溫度超過10^32°C(普朗克溫度)。量子漲落導(dǎo)致了一段超熱宇宙膨脹期，這被認(rèn)為是宇宙超快指數(shù)膨脹的開始。

宇宙膨脹也建立了宇宙的初始性質(zhì)。正是在這些階段，夸克結(jié)合形成強(qiáng)子、電子和質(zhì)子，碰撞形成中子和中微子，中子和中微子重新形成新的質(zhì)子-電子對，等等。

隨著宇宙進(jìn)一步冷卻，質(zhì)子和中子被束縛在氫、氦和鋰等元素的輕原子核中。這被稱為大爆炸核合成(BBN)，發(fā)生在大爆炸后大約10秒到20分鐘之間。宇宙微波背景輻射中的中性原子和光子產(chǎn)生于稍晚一些的“重組”時(shí)期。

大約20分鐘后，宇宙的溫度和密度下降到核聚變無法繼續(xù)的程度。

隨著宇宙的溫度和密度持續(xù)下降，電離的氫原子和氦原子捕獲電子，形成中性原子。隨著電子與原子結(jié)合，宇宙最終變得透明。與此同時(shí)，光子在與電子和質(zhì)子的相互作用中被釋放出來，可以自由移動。我們可以在宇宙微波背景輻射中探測到這些光子。

然后，有一個時(shí)期通常被稱為“黑暗時(shí)代”，因?yàn)樵谶@個時(shí)期，第一個原子已經(jīng)形成，但它們還沒有合并成恒星。雖然光子存在，但沒有恒星發(fā)出可見光。它一直保持這樣，直到第一批恒星形成，大約在大爆炸后4億年。這一時(shí)期也稱為再電離。

此時(shí)，密度較大的氣體區(qū)域在自身重力作用下坍縮，密度和溫度高到足以引發(fā)氫原子之間的核聚變反應(yīng)，形成恒星和星系。這顆恒星發(fā)射出的紫外線重新電離了周圍的中性氫氣，使宇宙變得對紫外線透明。

大的恒星都是短命的，隨著時(shí)間的推移，小的恒星形成了，而大尺度的天體結(jié)構(gòu)坍縮形成了星系、星團(tuán)和超星團(tuán)。

然后我們到了現(xiàn)在這個時(shí)代，宇宙在加速膨脹，在這個宇宙加速的時(shí)期，更多遙遠(yuǎn)的星系在更快地后退。根據(jù)一些計(jì)算，我們大約在50億年前進(jìn)入了這個時(shí)期，我們真的不知道未來它會把我們帶到哪里。

現(xiàn)在是時(shí)候討論宇宙的最終命運(yùn)了。一些理論包括大收縮理論，它認(rèn)為宇宙最終會收縮并重新坍縮; 還有大反彈，認(rèn)為在這次“收縮”之后，將會有另一次大爆炸，這意味著宇宙是周期性的，大爆炸可能不是宇宙的誕生，而是一個新周期的開始。

然而，大多數(shù)觀測表明，宇宙的膨脹將永遠(yuǎn)持續(xù)下去。問題是宇宙在膨脹的過程中會持續(xù)冷卻，所以它最終可能會達(dá)到一種熱力學(xué)平衡狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，沒有足夠的能量來維持熵贈的過程。換句話說，沒有更多的能量可以從宇宙中提取。這被稱為宇宙熱寂或大凍結(jié)。