宇宙大爆炸理论

宇宙大爆炸理论是关于宇宙膨胀的一种科学解释，其起源于埃德温·哈勃对其膨胀的发现。该理论由罗马天主教神父兼物理学家乔治·勒梅特于1927年提出，认为宇宙起源于一个高度致密和炽热的状态。勒梅特设想了一个时间回溯的过程，最终指向一个包含宇宙所有能量的单一量子态。

不同的宇宙学框架概述了可观测宇宙的发展，涵盖了轻元素的丰度、宇宙微波背景辐射以及大尺度宇宙结构的形成等方面。宇宙暴胀，即早期宇宙的快速空间膨胀，解释了宇宙整体的均匀性或平坦性问题。然而，目前仍缺乏一个被广泛接受的量子引力理论来描述宇宙大爆炸最初期的状况。

这些模型与哈勃-勒梅特定律一致，表明离地球更远的星系退行速度更快。将这种膨胀向过去推断，表明在大爆炸奇点之前存在一个集中的宇宙。1964年发现宇宙微波背景辐射，削弱了稳恒态模型的信誉，并为宇宙大爆炸理论提供了有力的证据。

经验证据强烈支持宇宙大爆炸理论，测量估计宇宙年龄为138亿年。然而，某些现象仍然难以解释。在初始膨胀之后，宇宙经历了一个冷却阶段，使得亚原子粒子的出现和原子的形成成为可能。不均匀的物质-反物质分布，即重子不对称性，仍然是一个未解之谜。原始元素形成了恒星和星系，天文学家探测到围绕星系存在的暗物质的引力效应。

观测表明，宇宙的大部分引力势能并非来自普通物质，并且宇宙的膨胀正在加速，这归因于一种未知的暗能量现象。

模型的特征

宇宙大爆炸模型提出的全面解释解决了各种观测现象，包括轻元素的丰度、宇宙微波背景（CMB）、大尺度结构以及哈勃定律。这些模型依赖于两个基本假设：物理定律在整个宇宙中是consistent的，并且遵循宇宙学原理。相对论包含了物理定律普适性的基本概念，而宇宙学原理则认为宇宙在大尺度上是均匀和各向同性的，意味着它在所有方向上都是均匀且相似的，与位置无关。

最初提出的这些假设，已经付出了努力来检验。例如，经验观测表明，在宇宙存在的绝大部分时间内，精细结构常数的最大偏差约为10^-5，这为物理定律的均匀性提供了证据。广义相对论也在太阳系和双星系统的尺度上经历了严格的检验。

从地球观测到的宇宙大尺度的各向同性，与宇宙学原理一致。该原理可以从基本的地心说原理推导出来，该原理认为不存在优先的或特殊的观察者或视角。CMB温度的观测已将宇宙学原理的精度提高到10^-5的水平，表明了均匀性。截至1995年，对宇宙在大尺度宇宙微波背景（CMB）视界上的评估表明，均匀性的限制约为10%。

• 视界

宇宙大爆炸时空的关​​键方面是粒子视界的存在。由于宇宙的年龄有限且光速有限，过去遥远的一些事件的光尚未到达地球。这造成了一个过去视界，限制了对最远天体的观测。反过来，随着空间膨胀和越来越远的天体以越来越快的速度退去，今天从地球发出的光可能永远无法追上这些遥远的天体，从而形成了一个未来视界，限制了我们未来可以影响的事件。这些视界的出现取决于描述我们宇宙的FLRW模型的细节。

我们对宇宙的理解，即使追溯到其早期，也暗示着过去视界的存在。然而，由于宇宙早期是不透明的，会出现实际的限制。因此，尽管视界延伸到太空，我们的视角也无法回溯到更早的时间。如果宇宙的膨胀持续加速，预计也会出现未来视界。

• 热化

在早期宇宙中，某些过程的发生速度不足以相对于宇宙的膨胀速率达到近似热力学平衡状态。相反，一些过程发生得足够快，以至于实现了热化。为了评估早期宇宙中的一个过程是否达到了热平衡，一个关键因素是过程速率（通常由粒子碰撞速率表示）与哈勃参数之比。比率越高，意味着在粒子被显著分开之前，它们有更多的时间进行热化。

时间线

根据宇宙大爆炸模型，早期宇宙极其炽热和致密，随后经历了膨胀和冷却。

• 奇点

利用广义相对论回溯宇宙膨胀至过去，可以预测在过去的一个有限时刻存在无限的密度和温度，即引力奇点。这种奇怪的行为表明，广义相对论本身不足以描述这种极端情况下的物理定律。仅依赖广义相对论的模型无法完全推向奇点。一些提议，如涌现宇宙模型，建议用另一个宇宙学时期来取代奇点。或者，另一种观点认为，特定宇宙大爆炸模型所预见的初始奇点，存在于实际大爆炸发生之前。这个原始奇点有时被称为“大爆炸”，尽管这个词也可以表示宇宙一个更普遍的高温高密度早期阶段。无论哪种情况，“大爆炸”作为一个事件，通常被俗称为我们宇宙的“诞生”。它代表了宇宙被证实进入一个物理定律（特别是广义相对论和粒子物理标准模型）有效的阶段的那一过去时刻。根据利用Ia型超新星的膨胀测量和宇宙微波背景的温度变化计算，自该特定事件发生以来，宇宙的年龄约为138亿年。

尽管当时密度极高——超过了通常与黑洞形成相关的密度——宇宙并未坍缩成一个奇点。通常用于描述引力坍缩的常规计算和约束，通常基于尺寸相对恒定的物体（如恒星），不适用于大爆炸的快速膨胀空间。没有立即坍缩成多个黑洞，表明早期宇宙的物质是均匀分布的，密度梯度最小。

• 暴胀与重子生成

宇宙大爆炸的早期阶段是推测的主题，因为缺乏天文数据。在流行的模型中，宇宙最初均匀且各向同性地充满了极高的能量密度，伴随着巨大的温度和压力，经历快速膨胀和冷却。在膨胀的初始阶段，即最初的10^-43秒内，被称为普朗克时期，其基本特征是四种基本力——电磁力、强核力、弱核力以及引力——的统一。在此期间，宇宙的特征尺度为普朗克长度（1.6×10^-35米），温度约为10^32摄氏度，这挑战了传统的粒子概念。对这一时期的全面理解，有待量子引力理论的发展。

在10^-43秒时，普朗克时期进入了大统一时期，标志着引力与其他力的分离，因为宇宙的温度下降。在大约10^-37秒的膨胀过程中，一个相变触发了宇宙暴胀，导致指数级增长，不受光速限制，并且温度急剧下降。暴胀的概念通过确保物质和能量密度非常接近平坦宇宙所需的临界密度来解决平坦性问题。这有助于防止由引力引起的整体几何曲率。在暴胀期间被冻结的量子涨落被放大成种子，为宇宙大尺度结构的后期形成奠定了基础。

在大约10^-36秒时，开始了强相互作用时期，标志着强核力与其他力的分离。这次分离只留下了统一的电磁力和弱核力。局部暴胀在大约10^-33到10^-32秒之间停止，可观测宇宙的体积至少膨胀了10^78倍。之后发生了再加热，将宇宙加热到有利于产生夸克-胶子等离子体和其他所有基本粒子的温度。在如此高的温度下，粒子的运动达到了相对论速度，并且粒子-反粒子对在碰撞中不断产生和湮灭。

在这个过程中，在某个阶段，一个称为重子生成（baryogenesis）的事件打破了重子数守恒，导致夸克和轻子相对于反夸克和反轻子略有盈余——大约每3000万个粒子中有一个。这种不对称性导致了当前宇宙中物质相对于反物质的普遍存在。

• 冷却

随着宇宙的持续膨胀，密度和温度都下降了，导致单个粒子的平均能量降低。经历了对称性破缺的相变，塑造了物理基本力和基本粒子特征的当前状态。电磁力和弱核力在大约10^-12秒时分离。

在大约10^-11秒时，由于粒子能量达到了粒子加速器可达到的值，情况变得不那么推测性了。在大约10^-6秒时，夸克和胶子结合，形成了重子，如质子和中子。夸克相对于反夸克的微小过量导致了重子相对于反重子的过量。此时的温度不再支持产生新的质子-反质子或中子-反中子对，导致质量湮灭，只剩下原始物质粒子中的10^-8没有反粒子。大约1秒后，电子和正电子也发生了类似的过程。在这些湮灭之后，剩余的质子、中子和电子停止了相对论运动。此时，宇宙的能量密度主要由光子组成，中微子贡献很小。

膨胀几分钟后，当温度约为十亿开尔文，物质密度与地球大气层的当前密度相似时，中子与质子结合。这个过程被称为大爆炸核合成（BBN），导致了氘和氦原子核的形成。然而，很大一部分质子保持未结合状态，以氢原子核的形式存在。

随着宇宙进一步冷却，物质的静止能量密度在引力上开始超过光子辐射的能量密度。在大约379,000年后，电子和原子核结合形成原子，主要是氢，它们能够发射辐射。这种持久的辐射，称为宇宙微波背景，以极小的阻碍传播到太空。

• 结构形成

在很长一段时间内，最初均匀分布的物质中密度稍高的区域通过引力吸引，导致密度增加。这个过程导致了气体云、恒星、星系以及今天其他可观测的宇宙结构的形成。宇宙的演化取决于其所含物质的数量和性质。物质有四种主要类别：冷暗物质（CDM）、温暗物质、热暗物质和重子物质。基于高精度测量，特别是来自威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的数据，与Lambda-冷暗物质（Lambda-CDM）模型非常吻合，假设存在冷暗物质。温暗物质因早期再电离而被排除。根据该模型，冷暗物质约占宇宙物质/能量的23%，而重子物质约占4.6%。

在一个包含作为中微子形式的热暗物质的“扩展模型”中，估计的“物理重子密度”（Ωbℎ2）约为0.023。重要的是不要将其与“重子密度”（Ωb）混淆，后者表示为总物质/能量密度的分数，约0.046。冷暗物质（Ωcℎ2）的相应密度约为0.11，中微子（Ωvℎ2）的估计密度低于0.0062。

• 宇宙加速

来自Ia型超新星和宇宙微波背景（CMB）的观测突显了一种被称为暗能量的神秘能量实体在当代宇宙中的主导作用。暗能量约占宇宙总能量密度的73%。暗能量似乎均匀地填充了所有空间。在宇宙的早期阶段，暗能量可能起到了作用，但当一切都更接近时占主导地位的引力最初减缓了膨胀。经过数十亿年的演变，随着物质密度相对于暗能量密度减小，宇宙的膨胀开始加速。

暗能量最简单的形式，在爱因斯坦广义相对论的场方程中用一个宇宙学常数项表示。然而，其构成和根本机制仍然未知。目前的调查致力于理解状态方程以及暗能量与粒子物理标准模型的关系。这涉及使用观测数据和理论方法。

暴胀时期之后的宇宙发展可以用Lambda-CDM宇宙学模型精确描述，该模型协调了量子力学和广义相对论的不同框架。然而，没有容易检验的模型能提供关于大爆炸后约10^-15秒之前情况的见解。理解宇宙历史的这个最早时期仍然是物理学中最重大的未解问题之一。

宇宙大爆炸理论被证明了吗？

在科学中做出确切的陈述是困难的；相反，我们可以断言有强有力的证据支持宇宙大爆炸理论。科学结论是基于证据的，虽然数学家可以证明定理，但科学家只能说证据有力地支持一个理论，并始终承认低于100%的置信度。

为了回应一个相关问题，可以肯定地说，所有收集到的观测证据都与宇宙大爆炸理论的预测一致。支持该理论的三个关键观测是：

1. 哈勃定律表明，远离我们的物体正以与其距离成比例的速度远离我们。这表明了一个所有方向上的均匀膨胀情景，暗示着宇宙中的一切曾经都处于更近的距离。
2. 宇宙微波背景辐射（CMB）的特征为早期宇宙中从电离气体（等离子体）转变为中性气体提供了证据。这种转变表明存在一个初始的炽热致密状态，随着宇宙膨胀而冷却。这种转变发生在宇宙大爆炸开始后大约40万年。
3. 轻元素的比例（He-4、He-3、Li-7和氘）为我们提供了关于大爆炸后最初几分钟内发生的大爆炸核合成（BBN）时期的见解。这些元素丰度表明，宇宙在这一早期时期非常炽热和致密，这与宇宙微波背景（CMB）形成时期的条件不同，后者在温度和密度方面相对标准。BBN期间的温度大约是CMB形成期间温度的百万倍。

物理学中的问题与相关问题

宇宙大爆炸模型的发展产生了几个谜团和问题，其中一些已经解决，而另一些仍然存在。诸如视界、磁单极子和平坦性问题等某些问题的解决方案，通常涉及暴胀理论。然而，暴胀宇宙的细节仍未解决，并且存在异议，包括一些理论的创始人也反对其有效性。宇宙学家和天体物理学家仍在密切研究宇宙大爆炸概念的这些神秘方面。

• 重子不对称性

宇宙中物质普遍存在于反物质之上的原因尚不清楚。通常认为，在早期、极热的宇宙阶段，它处于统计平衡状态，重子和反重子数量相等。然而，观测表明，宇宙即使在其最遥远的地方，也主要由普通物质组成，而不是反物质。为了解决这种不对称性，提出了重子生成（baryogenesis）的假说。为了使这种现象发生，必须满足萨哈罗夫条件。这些条件包括重子数不守恒、C对称性（电荷共轭对称性）和CP对称性（电荷共轭宇称对称性）的破坏，以及偏离热力学平衡。虽然这些条件在标准模型中存在，但它们的作用不足以完全解释现有的重子不对称性。

• 暗能量

Ia型超新星的红移-星等关系观测表明，宇宙膨胀的加速大约始于其当前年龄的中点。为了解释这种加速，广义相对论暗示存在一个具有显著负压的组成部分，称为“暗能量”。

尽管存在推测，暗能量解决了几个问题。宇宙微波背景的观测表明宇宙在空间上几乎是平坦的，根据广义相对论，这意味着质量/能量的临界密度几乎是精确的。然而，引力聚类的测量表明，宇宙的质量密度约为临界密度的30%。暗能量被认为具有非聚集行为，是解释这种“缺失”能量密度的主要原因。

真空能被认为具有负压的特性，但暗能量的真实性质和存在仍然是宇宙大爆炸的重大谜团之一。WMAP团队在2008年报告的结果与一个由73%暗能量、23%暗物质、4.6%普通物质和不到1%中微子组成的宇宙一致。理论框架表明，随着宇宙膨胀，物质的能量密度下降，而暗能量密度保持相对稳定。因此，物质在过去构成了宇宙总能量的更大比例，但预计在遥远的未来，随着暗能量的支配地位越来越强，这一贡献将下降。

• 暗物质

在20世纪70年代和80年代，观测表明，在星系内部和星系之间的观测到的引力无法仅由可见物质来解释。这种不一致促使人们提出，宇宙中高达90%的物质是暗物质，它缺乏光度，并且不与常规重子物质相互作用。宇宙主要由普通物质组成的假设也导致了与观测不符的预测，例如当前的不均匀分布和较低的氘含量。尽管暗物质的存在一直是一个争论的话题，但多项观测为其存在提供了支持。这些观测包括宇宙微波背景的各向异性、星系团的速度、大尺度结构的分布、引力透镜以及星系团的X射线测量。

暗物质的存在是通过其对其他物质的引力效应间接推断出来的，因为在实验室中没有直接观测到暗物质粒子。已经提出了许多粒子物理学候选暗物质，并且正在进行直接探测项目。

• 磁单极子

在20世纪70年代后期，对磁单极子的反对意见出现，这是由于大统一理论（GUTs）的预测，该理论预计空间中存在拓扑缺陷，特别是磁单极子。这些单极子被预期在大爆炸早期的高温宇宙中被大量产生，导致密度远高于观测到的，因为从未发现过这种单极子。然而，宇宙暴胀通过消除可观测宇宙中的所有点缺陷来解决这个问题，就像它在几何上实现了平坦性一样。

结论

宇宙大爆炸理论在理解我们宇宙的历史发展中发挥了重要作用，但在当前背景下，它在解释宇宙的起源方面存在局限性。量子物理学的引入促使科学家重新评估这一理论。此外，该理论难以解释宇宙膨胀的最终极限，这导致一些当代研究人员提出了“大挤压”的概念，即宇宙在达到某个点后收缩，类似于向上抛出的球，最终返回地球。