大爆炸理论

大爆炸理论（Big Bang‎）是天体物理学关于宇宙起源的理论。根据大爆炸理论，宇宙是在大约140亿年前由一个密度极大且温度极高的状态演变而来的。本理论产生于观测到的哈勃定律下星系远离的速度，同时根据广义相对论的弗里德曼模型，宇宙空间可能膨胀。延伸到过去，这些观测结果显示宇宙是从一个起始状态膨胀而来。在这个起始状态中，宇宙的物质和能量的温度和密度极高。至于在此之前发生了什么，广义相对论认为有一个引力奇点，但物理学家对此意见并不统一。

大爆炸一词在狭义上是指宇宙形成最初一段时间所经历的剧烈变化，这段时间通过计算大概在距今137亿（1.37 × 1010）年前；但在广义上指当今流行的揭示宇宙起源和膨胀的理论。这一理论的直接推论是我们今天所处的宇宙同昨天或者明天的宇宙不同。根据这一理论，乔治·伽莫夫在1948年预测了宇宙微波背景辐射的存在。1960年代，这一辐射被探测到，有力地支持了大爆炸理论，从而否定了另一个比较流行的稳恒态宇宙理论。

谁提出了大爆炸理论？
宇宙大爆炸理论是俄裔美国科学家伽莫夫在1948年提出来的。这个理论认为，宇宙开始是个高温致密的火球，它不断地向各个方向迅速膨胀。当温度和密度降低到一定程度，这个火球发生了剧烈的核聚变反应。随着温度和密度的降低，宇宙早期存在的微粒在引力作用下不断聚集，最后逐渐形成今天宇宙中的各种天体。

这一理论体系被称为“宇宙大爆炸模型”，与DNA双螺旋模型、地球板块模型、夸克模型一起，被认为是20世纪科学中最重要的四个模型。

大爆炸理论发展史
大爆炸理论是通过实验观测和理论推导发展的，在实验观测方面，1910年代，维斯特·斯里弗尔（Vesto Slipher）和卡尔·韦海姆·怀兹（Carl Wilhelm Wirtz）证实了大多数旋涡星云正在退离地球，不过他们并没有因此联想到这对宇宙学意味着什么，也不认为发现的星云其实是银河系外的其他星系。同时在理论上，爱因斯坦的广义相对论成功建立并推出没有稳定态宇宙。通过度量张量描述的宇宙不是膨胀就是收缩，爱因斯坦认为他自己解错了，并加入了一个宇宙学常数来进行改正。第一个不使用宇宙学常数，而真正认真将广义相对论运用到宇宙学中的是亚历山大·弗里德曼，他的方程所描述的宇宙称为Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker宇宙，时间是1922年。1927年，比利时天主教牧师勒梅特独立推导出Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker方程，并在螺旋星云后退现象的基础上提出了宇宙是从一个“初级原子”“爆炸”而来的—这就是后来所谓的大爆炸。

1929年，爱德文·哈勃为勒梅特的理论提供了实验条件。哈勃证明这些旋涡星云其实是星系，并通过观测造父变星测算出了他们的距离。他发现，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。根据宇宙学的原理，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。这一观点存在两种互相对立的可能性：一种是由勒梅特提出，盖莫夫支持和完善的大爆炸理论；另一种则是霍伊尔的稳恒态宇宙模型。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，从而宇宙基本不变化。其实这个理论的名称是出于霍伊尔的讽刺，他在1949年通过BBC广播节目形式传播的，论文《物质的特性》（The Nature of Things）发表于1950年。

之后的许多年，这两种理论并立，但观测事实开始支持一个演变于热密状态的宇宙。1965年宇宙微波背景辐射的发现使人们认为大爆炸理论是宇宙起源和演变最好的理论。1970年以前，很多宇宙学家认为宇宙可能在膨胀以前先收缩，这样可以避免从弗里德曼模型推出一个无限致密的“荒谬”的奇点。比较有代表性的是Richard Tolman的脉动宇宙模型（oscillating universe）。1960年代末，史蒂芬·霍金等人证明这个假设行不通，因为奇异点是爱因斯坦引力理论的直接和重要推论。之后大多数宇宙物理学家开始接受广义相对论所描述的宇宙在时间上是有限的。但是，由于对于量子引力规律缺乏认识，现在还不能断定这个奇异点到底是真正集合意义上的无限小点，还是物理收缩过程可以无限进行下去，从而间接达到宇宙在时间上无限。

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，例如大爆炸理论下星系如何产生，大爆炸时发生的物理过程，以及用大爆炸理论解释新观测结果等。90年代后期和二十一世纪初，由于望远镜技术的发展和人造探测器收集到大量数据，大爆炸理论又有了新的巨大突破。大爆炸时期宇宙的情况和数据可以计算得更加精确，并产生了很多意想不到的结果，比如宇宙的膨胀在加速。(参考：暗能量）

理论
大爆炸理论测算出宇宙的年龄是137±2亿年，这一计算是通过对Ia型超新星的观测，对宇宙背景辐射强度的测量，以及对星系相关函数的测量得出的。这三个独立测算所得到的结果一致，从而被认为是所谓更详细描述宇宙中星系性质的Lambda-CDM model的有力证据。早期的宇宙充满了同源同性的物质，其温度压强能量都极高。随着膨胀和冷却，宇宙物质经历了相变，这种相变与蒸气冷却时的凝结过程和水的凝固过程相似，不同之处在于前者发生在更基本的粒子层面上。

普朗克时期之后大约10 − 35秒，相转变引起宇宙产生指数级增长，称为暴胀。之后暴胀停止，此时宇宙的物质形式是夸克-胶子等离子体，这些物质的运动都符合相对论。宇宙继续在空间上膨胀，温度继续下降。在某一温度下，一种至今未知的所谓重子相变的相变产生，夸克和胶子组成重子，就是质子和中子，同时还在物质和反物质之间产生了不对称性，这种不对称性已经被实验证实。随着温度进一步降低，更多无对称的相变发生，形成了现在的基本粒子和基本相互作用。之后，一些质子和中子结合，组成氘和氦的原子核，这个过程叫做大爆炸核合成。随着宇宙的冷却，静止质量的能量密度以引力形式存在，并超过辐射形式的能量密度。在大约30万年之后，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，这就是今天的宇宙微波背景辐射。

随着时间的前进，在几乎是均匀分布的物质空间中，密度稍微大一点儿的区域通过引力作用吸引附近的物质，从而变得密度更大，并形成今天的气体云、恒星、星系和其他天文学观测到的结构。具体过程决定于宇宙物质的形式和数量，其中形式可能有三种：冷暗物质、热暗物质和重子物质。

证据
一般来说，大爆炸宇宙学理论有三个观测基础：

   1. 星系红移为基础的哈勃膨胀；
   2. 宇宙微波背景的细致测量；
   3. 轻物质丰度（参见大爆炸核合成（Big Bang nucleosynthesis））。

另外，观测到的宇宙大尺度结构的相关函数符合标准大爆炸理论。

（见右图“宇宙大爆炸的证据”）

疑点和反对意见
宇宙大爆炸理论在其发展的过程中产生了一些疑点和问题，其中有些随着观测和理论的不断完善得到了解决，而成为了历史，但也有一些问题至今没有圆满解决，诸如银晕尖点问题（Cuspy halo problem）、冷暗物质的矮星系问题（dwarf galaxy problem）等。有些人认为这些问题并不是大爆炸理论的致命问题，通过大爆炸理论的进一步发展可以得到解决。

大爆炸理论的主要疑点和问题有:

   1. 视野问题（horizon problem）；
   2. 均匀度问题（flatness problem）；
   3. 磁单极问题（Magnetic monopoles）；
   4. 重子不对称（Baryon asymmetry）；
   5. 球状星云的年龄（Globular cluster age）；
   6. 暗物质；
   7. 暗能量。

宇宙的未来
在发现暗能量之前，宇宙学家认为宇宙有两种未来。如果宇宙物质密度超过临界密度，宇宙会在膨胀到最大体积之后收缩，在收缩过程中，宇宙的密度和温度都会再次升高，最后终结于同爆炸开始相似的状态——一个致密致热的小球。或者如果宇宙物质密度等于或者小于临界密度，膨胀会逐渐减速，但永远不会停止。造星运动会随宇宙密度减小而逐渐停止，而宇宙的温度会趋近于绝对零度。黑洞被气化，宇宙的熵会增加到极点，再也不会有有组织的能量形式产生，这叫做热寂说。如果质子衰变存在，宇宙最后甚至连氢原子这种最基本最多的重子物质都会消失，而只剩下辐射。

但现在在发现宇宙加速膨胀之后，人们有了新的推测：现今可观测的宇宙将离开我们的事件视界而同我们失去联系，最终结果还不清楚。Lambda-CDM model宇宙模型认为宇宙的暗能量以宇宙常数形式存在，并提出只有诸如星系等重力支配系统的物质会聚集，从而同样推出宇宙膨胀和冷却到最后将是热寂说。对暗能量的其他解释，例如幻影能量理论（phantom energy）则认为星系群甚至星系都会在大分离过程中被“撕”开。

哲学和宗教意义
哲学上，有一些对大爆炸理论诠释完全主观和超越科学。一些诠释企图解释大爆炸的原因(第一因)，被自然主义的哲学家批评为现代的世界起源神话。一些人相信大爆炸理论支持传统的世界起源观点，譬如在创世记所载的，另一些人认为所有大爆炸理论都与传统观点不合。

大爆炸理论本身是纯粹的科学理论，不与宗教关连。一些基本教义派的诠释与大爆炸理论所描述的宇宙历史不相符合，但较接近于自由派的诠释则没有冲突。

以下是不同宗教对大爆炸理论的诠释：

道教的《道德经》中有“道生一，一生二，二生三，三生万物。万物负阴而抱阳，冲气以为和”（42章）的语句。这可以解释为“道”即宇宙，开始于“一”个奇异点，之后生出正反物质（“二”），从而产生了构成万物的质子、电子和中子。 万物都是由于正反粒子相互作用而通过大爆炸的形式产生的。

佛教中宇宙的概念没有起始点与终点。但是大爆炸理论并不与其观念相矛盾，因为在大爆炸理论基础上可以假设一个永恒的宇宙（或宇宙之外的永恒），例如不少禅宗哲学家对脉动宇宙特别感兴趣。佛教认为任何事物包括宇宙都有成、住、坏、空四个阶段，并且循环不息。在《地藏菩萨本愿经》的“观众生业缘品第三”描述地狱的存在状态时说：“此界坏时寄生他界。他界次坏转寄他方。他方坏时展转相寄。此界成后还复而来。”可以理解为宇宙的数量不只一个，而每一个都在经历大爆炸、膨胀、热寂以及收缩的过程。

一些伊斯兰教学者认为《可兰经》关于宇宙起源问题的内容与大爆炸理论相符合：“不相信的人不是看到在我们分开天堂和地球之前，它们是相连并一起被创造出来吗？”（Do not the unbelievers see that the heavens and the earth were joined together as one unit of creation, before We clove them asunder?）（21章30节）而且可兰经还描述了一个膨胀的宇宙：“我们用能力建造天堂，我们也正在扩大它。”（The heaven, We have built it with power. And verily, We are expanding it）（51章47节）。在可兰经里还发现有同宇宙大收缩以及脉动宇宙相符合的经文：“如同我们开始创造天堂一样，当有一天我们像卷起书卷一样卷起天堂的时候，我们会再造它。这是一个承诺，一定会这样的。”（On the day when We will roll up the heavens like the rolling up of the scroll for writings, as We originated the first creation, (so) We shall reproduce it; a promise (binding on Us); surely We will bring it about.）（21章104节）

一些基督教教会，包括罗马天主教教会已经接受大爆炸理论，把它作为哲学上宇宙起源的一种描述。庇护十二世教皇对推广大爆炸理论很热心，尽管当时的理论并不完善。