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大爆炸理论（Big Bang）是宇宙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（数学上同插值相反）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。科学家假象的爆炸瞬间：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·盖莫夫在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。大爆炸模型：该模型能统一地说明以下几个观测事实： a）理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短，即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。 b）观测到河外天体有系统性的谱线红移，而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。 c）在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。 d）根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。发展历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-Lema?tre-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-Lema?tre-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，并通过观测仙王座δ的星体测算出了他们之间的距离。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。其实这个理论的提出是出于讽刺勒梅特的大爆炸理论的，最开始是在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子热密状态的宇宙。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。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（同时也具有其他粒子，例如可能含有最近实验发现的夸克-胶子液体），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，物质不再依照相对论理论运动，而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 4. 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。知识附录：哈勃定理：河外星系的视向退行速度与距离成正比，即距离越远，视向速度越大。这个速度——距离关系在1929年由美国天文学家哈勃发现，称为哈勃定律或哈勃效应。在宇宙学研究中，哈勃定律成为宇宙膨胀理论的基础。但哈勃定律中的速度和距离均是间接观测得到的量。速度——距离关系和速度——视星等关系，是建立在观测红移——视星等关系及一些理论假设前提上的。哈勃定律原来由对正常星系观测而得，现已应用到类星体或其他特殊星系上。哈勃定律通常被用来推算遥远星系的距离。宇宙微波背景辐射：宇宙微波背景辐射（又称3K背景辐射）是一种充满整个宇宙的电磁辐射。特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同。频率属于微波范围。美国天文学家证实宇宙大爆炸“等离子汤”理论宇宙大爆炸之后一微秒，新诞生的宇宙只有数公里直径大小，所有的物质以一种特殊的状态存在。构成物质的基本粒子-夸克和电子在这个浓稠的极高温度的等离子汤中自由漂浮。随着宇宙的扩大并冷却，夸克结合在一起形成质子和中子这些现在广泛存在的粒子。以上是科学家对宇宙诞生之初的假设。为了验证这个假设，世界各地的粒子加速器小组争相重建这种原始的被称为“夸克-胶子等离子体”的原始浓汤。 2000年，日内瓦CERN的物理学家们声称通过铅离子的碰撞看到了这种等离子体存在的迹象。但并没有说服每个人，并且在研究人员对试验结果进行探究之前试验被关闭。现在美国纽约Brookhaven国家试验室相对论重离子碰撞器（Relativistic Heavy Ion Collider，RHIC）的研究人员通过金离子碰撞试验证实了这个悬而未决的科学假设。喷射淬灭这里的科学家们通过将金离子加速到假设制造夸克-胶子等离子体所学能量的10倍以上，让金离子相互碰撞。在2001年的最近一次试验当中，RHIC的四个探测器（STAR、PHENIX、BRAHMS以及PHOBOS ）均观测到了称之为“喷射淬灭”特有想象。通常，两个离子相撞会弹射出两个向相反方向运动的粒子，正如撞球的效果一样。但在这项金离子碰撞试验中，探测器有时候只能监测到一个粒子。这与自由夸克汤的假设相吻合。如果碰撞发生在等离子场的边缘区域，其中一个粒子会被打散，另外一个粒子被等离子区所吞没。但理论学家需要证实丢失的喷射（jet）与金原子核的高能量相关而不是其他新物质。为了证实这个想法，研究人员再次进行试验，而试验中采用金离子与较小的氘离子碰撞。虽然金离子的能量与此前试验中的能量相同，但由于氘离子的能量偏小，总能量不足以形成夸克-胶子等离子体。新物理学试验结果分析表明，从所有的探测器中均没有发现喷射抑制现象。这说明“喷射淬灭”的原因是夸克-胶子等离子体而不是金离子本身的原因。由此，研究小组自信的人为他们的金-金离子碰撞试验第一次产生了夸克-胶子等离子体。这种情况下很难想象金-金离子碰撞仅仅是极高温度下普通物质的气态形式。这被研究者称之为属于新物理学。研究人员还希望通过更多的试验来验证自己的结论。他们还计划实施较低能量的碰撞试验，并希望通过这样的试验记录普通物质向夸克-胶子等离子体转化的过程。图片说明：原始汤-在高温高压下物质破裂成夸克和电子。物理学家们认为宇宙大爆炸之初物质就处于这种状态。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。哈勃发回新照片宇宙大爆炸理论遭质疑 “哈勃”太空望远镜本次拍摄到了一些宇宙深处的星体，这些星体大概形成于宇宙诞生后的5 亿年内（约130 亿年前）。然而，这些星体的数量却远远少于科学家们原来的估计。哈勃拍摄的这些照片可以说明以下二点：要么大爆炸发生后恒星物质的形成并没有科学家们原来设想的那么积极，这并不符合现阶段通行的理论；要么当时的物理环境与现在的截然不同。由安德鲁。邦克博士领导的英国科学家小组在对哈勃拍摄的照片研究后得出了上述令人吃惊的结论。目前，安德鲁- 邦克博士要求美国宇航局继续利用“哈勃”望远镜并对其进行升级来进行更深入的研究，以便于解开上述这些迷惑。根据许多科学家数十年来一贯支持的大爆炸理论，我们的宇宙大约诞生于140 亿年前。按照该理论的解释，宇宙形成于140 亿年前一个体积极小且密度极大的物质的爆炸，爆炸发生后喷发出物质微粒和能量，也正是从那时起才开始产生了时间和空间、质量和能量。在大爆炸发生前，既没有物质，也没有能量，当然也没有生命。近年来，大爆炸理论已经不止一次地遭受科学家们的种种怀疑。

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