宇宙大爆炸理论宇宙大爆炸,简称大爆炸(英文：Big Bang

宇宙大爆炸理论宇宙大爆炸，简称大爆炸（英文：Big Bang

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爆炸理论。宇宙大爆炸。简称大爆炸。是描述宇宙诞生初始条件及其后续演化的宇宙学模型。

这一模型得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。宇宙学家通常所指的大爆炸观点为：宇宙是在过去有限的时间之前。由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的。并经过不断的膨胀与繁衍到达今天的状态。

中文名,爆炸理论。作用,宇宙诞生及其后续演化宇宙学模型。发展,宇宙结构的实验观测和理论推导。

定义和起源。比利时天主教神父。物理学家乔治·勒梅特首先提出了关于宇宙起源的大爆炸理论。

但他本人将其称作“原生原子的假说”。这一模型的框架基于了爱因斯坦的广义相对论。并在场方程的求解上作出了一定的简化。描述这一模型的场方程由苏联物理学家亚历山大·弗里德曼于1922年将广义相对论应用在流体上给出。1929年。美国物理学家埃德温·哈勃通过观测发现从地球到达遥远星系的距离正比于这些星系的红移。这一膨胀宇宙的观点也在1927年被勒梅特在理论上通过求解弗里德曼方程而提出。

这个解后来被称作弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规。哈勃的观测表明。所有遥远的星系和星团在视线速度上都在远离我们这一观察点。并且距离越远退行视速度越大。如果当前星系和星团间彼此的距离在不断增大。则说明它们在过去的距离曾经很近。从这一观点物理学家进一步推测：在过去宇宙曾经处于一个极高密度且极高温度的状态。在类似条件下大型粒子加速器上所进行的实验结果则有力地支持了这一理

论。然而。由于当前技术原因粒子加速器所能达到的高能范围还十分有限。

因而到目前为止。还没有证据能够直接或间接描述膨胀初始的极短时间内的宇宙状态。从而。大爆炸理论还无法对宇宙的初始状态作出任何描述和解释。事实上它所能描述并解释的是初始状态之后宇宙的演化图景。当前所观测到的宇宙中轻元素的丰度。和理论所预言的宇宙早期快速膨胀并冷却过程中最初的几分钟内。通过核反应所形成的这些元素的理论丰度值非常接近。定性并定量描述宇宙早期形成的轻元素的丰度的理论被称作太初核合成。大爆炸一词首先是由英国天文学家弗雷德·霍伊尔所采用的。

霍伊尔是与大爆炸对立的宇宙学模型——稳恒态理论的倡导者。他在1949年3月BBC的一次广播节目中将勒梅特等人的理论称作“这个大爆炸的观点”。虽然有很多通俗轶事记录霍伊尔这样讲是出于讽刺。但霍伊尔本人明确否认了

这一点。他声称这只是为了着重说明这两个模型的显著不同之处。霍伊尔后来为恒星核合成的研究作出了重要贡献。这是恒星内部通过核反应从轻元素制造出某些重元素的途径。1964年宇宙微波背景辐射的发现是支持大爆炸确实曾经发生的重要证据。

特别是当测得其频谱从而绘制出它的黑体辐射曲线之后。大多数科学家都开始相信大爆炸理论了。。

动机和发展。大爆炸理论是通过对宇宙结构的实验观测和理论推导发展而来的。

在实验观测方面。1912年维斯托·斯里弗尔首次测量了一个“旋涡星云”的多普勒频移。其后他和卡尔·韦海姆·怀兹证实了绝大多数类似的星云都在退离地球。不过斯里弗尔并没有因此联想到这个观测结果对宇宙学的意义。这也是由于在当时。人们就这些“星云”是否是我们的银河系之外的“岛宇宙”这一问题存在着高度争议。在理论研究方面。1917

年爱因斯坦将广义相对论理论应用到整个宇宙。

发表了标志着物理宇宙学建立的论文《根据广义相对论对宇宙学所做的考察》。然而从广义相对论出发建立的宇宙模型不是静态的。这和当时相信静态宇宙的主流观点并不符合。爱因斯坦为此在场方程中加入了一个宇宙学常数来进行修正。1922年。苏联宇宙学家。数学家亚历山大·弗里德曼假设了宇宙在大尺度上的均匀和各向同性。利用引力场方程推导出描述空间上均一且各向同性的弗里德曼方程。并且在这一组方程中宇宙学常数是可以消掉的。

通过选取合适的状态方程。从弗里德曼方程得到的宇宙模型是在膨胀的。1924年。埃德温·哈勃对最近的“旋涡星云”距地球的距离进行了测量。其结果证实了它们在银河系之外。本质是其他的星系。1927年。比利时物理学家。天主教牧师乔治·勒梅特在不了解弗里德曼工作的情况下独立提出了星云后退现象

的原因是宇宙的膨胀。1931年勒梅特进一步指出。宇宙正在进行的膨胀意味着它在时间反演上会发生坍缩。这种情形会一直发生下去直到它不能再坍缩为止。

此时宇宙中的所有质量都会集中到一个几何尺寸很小的“原生原子”上。时间和空间的结构就是从这个“原生原子”产生的。1924年起。哈勃为勒梅特的理论提供了实验条件：他在威尔逊山天文台利用口径250厘米的胡克望远镜费心建造了一系列天文距离指示仪。这是宇宙距离尺度的前身。这些仪器使他能够通过观测星系的红移量来推测星系到地球的距离。他在1929年发现。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。

而勒梅特在理论推测。根据宇宙学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。二十世纪三十年代。还出现了一些尝试解释哈勃所观测到现象的非主

流宇宙模型。例如米尔恩宇宙。振荡宇宙。弗里茨·兹威基的衰减光子假说。第二次世界大战以后。宇宙膨胀的观点引出了两种互相对立的可能理论：一种理论是由勒梅特提出。乔治·伽莫夫支持和完善的大爆炸理论。伽莫夫提出了太初核合成理论。而他的同事拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼则理论上预言了宇宙微波背景辐射的存在。

另一种理论则是英国天文学家弗雷德·霍伊尔等人提出的稳恒态宇宙模型。在稳恒态宇宙模型里。宇宙大爆炸理论新物质在星系远离留下的空间中不断产生。从而宇宙在任何时候看上去都基本不变化。具有讽刺意味的是。大爆炸理论的名称却是来自霍伊尔提到勒梅特的理论时所用的称呼。他在1949年3月的一期BBC广播节目《物质的特性》中将勒梅特等人的理论称作“这个大爆炸的观点”。之后的许多年。这两种理论并立。但射电源计数等一系列观测证据使天平逐渐向大爆炸理论倾斜。