宇宙大爆炸的原因是什么

2024年3月22日发(作者：不能忘却的历史)

宇宙大爆炸的原因是什么

宇宙大爆炸是现在最有名的理论之一，那么你知道宇宙大爆炸是

什么原因引起的吗?小编就和大家分享宇宙大爆炸的原因，来欣赏一下

吧。

宇宙大爆炸的原因

整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，

碎片向四面八方散开，形成了我们的宇宙。美籍俄国天体物理学家伽

莫夫第一次将广义相对论融入到宇宙理论中，提出了热大爆炸宇宙学

模型：宇宙开始于高温、高密度的原始物质，最初的温度超过几十亿

度，随着温度的继续下降，宇宙开始膨胀。

大爆炸理论是关于宇宙形成的最有影响的一种学说，大爆炸理论

诞生于20世纪20年代，在40年代得到补充和发展，但一直寂寂无

闻。 40年代美国天体物理学家伽莫夫等人正式提出了宇宙大爆炸理论。

该理论认为，宇宙在遥远的过去曾处于一种极度高温和极大密度的状

态，这种状态被形象地称为“原始火球”。所谓原始火球也就是一个

无限小的点，现在的宇宙仍会继续膨胀，也就是无限大，有可能宇宙

爆炸的能量散发到极限的时候，宇宙又会变成一个原始火焰即无限小

的点以后，火球爆炸，宇宙就开始膨胀，物质密度逐渐变稀，温度也

逐渐降低，直到今天的状态。这个理论能自然地说明河外天体的谱线

红移现象，也能圆满地解释许多天体物理学问题。直到50年代，人们

才开始广泛注意这个理论。

60年代，彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙大爆炸理论的新的有力证

据，他们发现了宇宙背景辐射，后来他们证实宇宙背景辐射是宇宙大

爆炸时留下的遗迹，从而为宇宙大爆炸理论提供了重要的依据。他们

也因此获1978年诺贝尔物理学奖。

20世纪科学的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的体现。他对

于宇宙起源后10-43秒以来的宇宙演化图景作了清晰的阐释. 宇宙的起

源：最初是比原子还要小的奇点，然后是大爆炸，通过大爆炸的能量

形成了一些基本粒子，这些粒子在能量的作用下，逐渐形成了宇宙中

的各种物质。至此，大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。

然而，至今宇宙大爆炸理论仍然缺乏大量实验的支持，而且我们尚不

知晓宇宙开始爆炸和爆炸前的图景。

宇宙大爆炸历史

大爆炸开始时 150-200 亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。

大爆炸后10-43 秒宇宙从量子背景出现。

大爆炸后10-35 秒同一场分解为强力、电弱力和引力。

大爆炸后10-5秒 10 万亿度，质子和中子形成。

大爆炸后0.01秒 1000 亿度，光子、电子、中微子为主，质子中

子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。

大爆炸后0.1 秒后 300亿度，中子质子比从1.0 下降到0.61. 大爆

炸后1秒后100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核

力尚不足束缚中子和质子。

大爆炸后13.8秒后 30 亿度，氘、氦类稳定原子核(化学元素)形

成。大爆炸后35分钟后 3亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。

大爆炸后30万年后3000度，化学结合作用使中性原子形成，宇

宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气

体云块，直至恒星和恒星系统。

宇宙大爆炸理论

大爆炸理论的建立基于了两个基本假设：物理定律的普适性和宇

宙学原理。宇宙学原理是指在大尺度上宇宙是均匀且各向同性的。

这些观点起初是作为先验的公理被引入的，但现今已有相关研究

工作试图对它们进行验证。例如对第一个假设而言，已有实验证实在

宇宙诞生以来的绝大多数时间内，精细结构常数的相对误差值不会超

过10^-5。此外，通过对太阳系和双星系统的观测，广义相对论已经

得到了非常精确的实验验证;而在更广阔的宇宙学尺度上，大爆炸理论

在多个方面经验性取得的成功也是对广义相对论的有力支持。

假设从地球上看大尺度宇宙是各向同性的，宇宙学原理可以从一

个更简单的哥白尼原理中导出。哥白尼原理是指不存在一个受偏好的

(或者说特别的)观测者或观测位置。根据对微波背景辐射的观测，宇宙

学原理已经被证实在10^-5的量级上成立，而宇宙在大尺度上观测到

的均匀性则在10%的量级。弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规主条

目：弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规和空间的度规膨胀 广义相

对论采用度规来描述时空的几何属性，度规能够给出时空中任意两点

之间的间隔。这些点可以是恒星、星系或其他天体，它们在时空中的

位置可以用一个遍布整个时空的坐标卡或“网格”来说明。根据宇宙

学原理，在大尺度上度规应当是均匀且各向同性的，唯一符合这一要

求的度规叫做弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规(FLRW度规)。这

一度规包含一个含时的尺度因子，它描述了宇宙的尺寸如何随着时间

变化，这使得我们可以选择建立一个方便的坐标系即所谓共动坐标系。

在这个坐标系中网格随着宇宙一起膨胀，从而仅由于宇宙膨胀而发生

运动的天体将被固定在网格的特定位置上。虽然这些共动天体两者之

间的坐标距离(共动距离)保持不变，它们彼此间实际的物理距离是正比

于宇宙的尺度因子而膨胀的。

大爆炸的本质并不是物质的爆炸从而向外扩散至整个空旷的宇宙

空间，而是每一处的空间本身随着时间的膨胀，从而两个共动天体之

间的物理距离在不断增长。由于FLRW度规假设了宇宙中物质和能量

的均匀分布，它只对宇宙在大尺度下的情形适用——对于像我们的星

系这样局部的物质聚集情形，引力的束缚作用要远大于空间度规膨胀

的影响，从而不能采用FLRW度规。

大爆炸时空的一个重要特点就是视界的存在：由于宇宙具有有限

的年龄，并且光具有有限的速度，从而可能存在某些过去的事件无法

通过光向我们传递信息。从这一分析可知，存在这样一个极限或称为

过去视界，只有在这个极限距离以内的事件才有可能被观测到。另一

方面，由于空间在不断膨胀，并且越遥远的物体退行速度越大，从而

导致从我们这里发出的光有可能永远也无法到达那里。从这一分析可

知，存在这样一个极限或称为未来视界，只有在这个极限距离以内的

事件才有可能被我们所影响。以上两种视界的存在与否取决于描述我

们宇宙的FLRW模型的具体形式：我们现有对极早期宇宙的认知意味

着宇宙应当存在一个过去视界，不过在实验中我们的观测仍然被早期

宇宙对电磁波的不透明性所限制，这导致我们在过去视界因空间膨胀

而退行的情形下依然无法通过电磁波观测到更久远的事件。另一方面，

假如宇宙的膨胀一直加速下去，宇宙也会存在一个未来视界。