宇宙大爆炸的原因是什么

2024年3月22日發(作者：不能忘卻的歷史)

宇宙大爆炸的原因是什么

宇宙大爆炸是現在最有名的理論之一，那么你知道宇宙大爆炸是

什么原因引起的嗎?小編就和大家分享宇宙大爆炸的原因，來欣賞一下

吧。

宇宙大爆炸的原因

整個宇宙最初聚集在一個“原始原子”中，后來發生了大爆炸，

碎片向四面八方散開，形成了我們的宇宙。美籍俄國天體物理學家伽

莫夫第一次將廣義相對論融入到宇宙理論中，提出了熱大爆炸宇宙學

模型：宇宙開始于高溫、高密度的原始物質，最初的溫度超過幾十億

度，隨著溫度的繼續下降，宇宙開始膨脹。

大爆炸理論是關于宇宙形成的最有影響的一種學說，大爆炸理論

誕生于20世紀20年代，在40年代得到補充和發展，但一直寂寂無

聞。 40年代美國天體物理學家伽莫夫等人正式提出了宇宙大爆炸理論。

該理論認為，宇宙在遙遠的過去曾處于一種極度高溫和極大密度的狀

態，這種狀態被形象地稱為“原始火球”。所謂原始火球也就是一個

無限小的點，現在的宇宙仍會繼續膨脹，也就是無限大，有可能宇宙

爆炸的能量散發到極限的時候，宇宙又會變成一個原始火焰即無限小

的點以后，火球爆炸，宇宙就開始膨脹，物質密度逐漸變稀，溫度也

逐漸降低，直到今天的狀態。這個理論能自然地說明河外天體的譜線

紅移現象，也能圓滿地解釋許多天體物理學問題。直到50年代，人們

才開始廣泛注意這個理論。

60年代，彭齊亞斯和威爾遜發現了宇宙大爆炸理論的新的有力證

據，他們發現了宇宙背景輻射，后來他們證實宇宙背景輻射是宇宙大

爆炸時留下的遺跡，從而為宇宙大爆炸理論提供了重要的依據。他們

也因此獲1978年諾貝爾物理學獎。

20世紀科學的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的體現。他對

于宇宙起源后10-43秒以來的宇宙演化圖景作了清晰的闡釋. 宇宙的起

源：最初是比原子還要小的奇點，然后是大爆炸，通過大爆炸的能量

形成了一些基本粒子，這些粒子在能量的作用下，逐漸形成了宇宙中

的各種物質。至此，大爆炸宇宙模型成為最有說服力的宇宙圖景理論。

然而，至今宇宙大爆炸理論仍然缺乏大量實驗的支持，而且我們尚不

知曉宇宙開始爆炸和爆炸前的圖景。

宇宙大爆炸歷史

大爆炸開始時 150-200 億年前，極小體積，極高密度，極高溫度。

大爆炸后10-43 秒宇宙從量子背景出現。

大爆炸后10-35 秒同一場分解為強力、電弱力和引力。

大爆炸后10-5秒 10 萬億度，質子和中子形成。

大爆炸后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，熱平衡態，體系急劇膨脹，溫度和密度不斷下降。

大爆炸后0.1 秒后 300億度，中子質子比從1.0 下降到0.61. 大爆

炸后1秒后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。

大爆炸后13.8秒后 30 億度，氘、氦類穩定原子核(化學元素)形

成。大爆炸后35分鐘后 3億度，核過程停止，尚不能形成中性原子。

大爆炸后30萬年后3000度，化學結合作用使中性原子形成，宇

宙主要成分為氣態物質，并逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣

體云塊，直至恒星和恒星系統。

宇宙大爆炸理論

大爆炸理論的建立基于了兩個基本假設：物理定律的普適性和宇

宙學原理。宇宙學原理是指在大尺度上宇宙是均勻且各向同性的。

這些觀點起初是作為先驗的公理被引入的，但現今已有相關研究

工作試圖對它們進行驗證。例如對第一個假設而言，已有實驗證實在

宇宙誕生以來的絕大多數時間內，精細結構常數的相對誤差值不會超

過10^-5。此外，通過對太陽系和雙星系統的觀測，廣義相對論已經

得到了非常精確的實驗驗證;而在更廣闊的宇宙學尺度上，大爆炸理論

在多個方面經驗性取得的成功也是對廣義相對論的有力支持。

假設從地球上看大尺度宇宙是各向同性的，宇宙學原理可以從一

個更簡單的哥白尼原理中導出。哥白尼原理是指不存在一個受偏好的

(或者說特別的)觀測者或觀測位置。根據對微波背景輻射的觀測，宇宙

學原理已經被證實在10^-5的量級上成立，而宇宙在大尺度上觀測到

的均勻性則在10%的量級。弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規主條

目：弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規和空間的度規膨脹 廣義相

對論采用度規來描述時空的幾何屬性，度規能夠給出時空中任意兩點

之間的間隔。這些點可以是恒星、星系或其他天體，它們在時空中的

位置可以用一個遍布整個時空的坐標卡或“網格”來說明。根據宇宙

學原理，在大尺度上度規應當是均勻且各向同性的，唯一符合這一要

求的度規叫做弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規(FLRW度規)。這

一度規包含一個含時的尺度因子，它描述了宇宙的尺寸如何隨著時間

變化，這使得我們可以選擇建立一個方便的坐標系即所謂共動坐標系。

在這個坐標系中網格隨著宇宙一起膨脹，從而僅由于宇宙膨脹而發生

運動的天體將被固定在網格的特定位置上。雖然這些共動天體兩者之

間的坐標距離(共動距離)保持不變，它們彼此間實際的物理距離是正比

于宇宙的尺度因子而膨脹的。

大爆炸的本質并不是物質的爆炸從而向外擴散至整個空曠的宇宙

空間，而是每一處的空間本身隨著時間的膨脹，從而兩個共動天體之

間的物理距離在不斷增長。由于FLRW度規假設了宇宙中物質和能量

的均勻分布，它只對宇宙在大尺度下的情形適用——對于像我們的星

系這樣局部的物質聚集情形，引力的束縛作用要遠大于空間度規膨脹

的影響，從而不能采用FLRW度規。

大爆炸時空的一個重要特點就是視界的存在：由于宇宙具有有限

的年齡，并且光具有有限的速度，從而可能存在某些過去的事件無法

通過光向我們傳遞信息。從這一分析可知，存在這樣一個極限或稱為

過去視界，只有在這個極限距離以內的事件才有可能被觀測到。另一

方面，由于空間在不斷膨脹，并且越遙遠的物體退行速度越大，從而

導致從我們這里發出的光有可能永遠也無法到達那里。從這一分析可

知，存在這樣一個極限或稱為未來視界，只有在這個極限距離以內的

事件才有可能被我們所影響。以上兩種視界的存在與否取決于描述我

們宇宙的FLRW模型的具體形式：我們現有對極早期宇宙的認知意味

著宇宙應當存在一個過去視界，不過在實驗中我們的觀測仍然被早期

宇宙對電磁波的不透明性所限制，這導致我們在過去視界因空間膨脹

而退行的情形下依然無法通過電磁波觀測到更久遠的事件。另一方面，

假如宇宙的膨脹一直加速下去，宇宙也會存在一個未來視界。