宇宙大爆炸论文

（1）何处是中心？（2）给我证据（3）宇宙的密码（4）宇宙的模样。

我们生活在一个浩瀚而神奇的宇宙之中，这里有无穷无尽的神秘地带等待着去探索，这里有颠覆常理的现象等待着去解释……

何处是中心

我们在宇宙中处于怎样的位置，宇宙有没有起源，如果有，它怎样起源呢？作为21世纪的人类，我们一直在不断的探索一个我们所向往的中心，但即使是伟人也需要站在巨人的肩膀上，不断的汲取才是进步的源泉。

一千多年前，托勒密创立“地心说”，认为地球是宇宙的中心。哥白尼起来反对他，认为太阳才是宇宙的中心。可后来的人们却发现，把太阳作为宇宙的中心，同样也有很多问题。伽利略的发现，牛顿的研究以及开普勒和多普勒的结论，都使人类认识到，太阳也不是宇宙的中心。这些伟大的科学家用毕生的精力为我们铺垫的通向真理的道路，那让我们跟随他们的足迹揭开宇宙神秘的面纱。

首先我们应该了解我们居住的地球本身的结构，地球的形状到底是怎样的、日月星辰之间相隔有多远，我们的邻居月球是如何运动的等等这些问题。公元前5世纪，爱琴海的萨摩斯岛上，有一位发明了几何学中勾股定理的数学天才毕达哥拉斯，他创造了自己的宙模型，从最完美的几何体的观点出发，他认为大地是球型的，而且所有天体都是球型的，它们的运动是匀速圆周运动。并认为地球是宇宙的中心，周围是空气和云，再往外是围绕地球做圆周运动的行星，如月亮、太阳等，再往外是恒星所在之处，最外面是永不熄灭的天火。但他并没说明地球有多大，日月星辰离地球有多远。最早算出地球大小的人是希腊天文学家埃拉托西尼，他通过测量两个地区之间的太阳高度角，并用几何的方法算出了地球的周长约是三万九千多千米（现在实测是四万千米，几乎相差无几了）。

下面我们来了解一下地球的天然卫星，月球。其实几何数学对月球到地球的距离的测量有很大的帮助。月球离地球有多远呢？出生于萨莫斯岛的阿利斯塔克提出，测量月食（当时希腊人已经猜测到，月食是因为地球走到太阳与月球之间而引起的）时掠过月面的地影与月球的相对大小，利用几何学方法，可以算出以地球直径为单位的地球至月球的距离。但是他没有得出具体的数据，但并不能否认他的工作对后来的科学家有很大的帮助，公元前150年，古希腊一位叫依巴谷的天文学家重复了这项工作，得出地球到月球距离是地球直径的三十倍，约等于三十八万公里，他还同时得出了地球与太阳的距离，相当于地月距离的19倍，当然这个精度与现在相比相差很多，但他的结果显示出太阳比地球要大得多。依巴谷认为，一个很大的天体不可能围绕一个小的天体来运行，这里又为日心说做了伏笔。

了解了地球的形状大小，那地球是怎样运动的呢？宇宙星辰之间是围绕什么在运动呢？宇宙何处是中心呢，是地球呢还是太阳。许多科学家探索过，猜想过，但即使是真理也有对错，在科学上没有对错而只有坚持不懈的探索精神。

公元140年，埃及的亚历山大城的希腊裔天文学家托勒密提出的理论认为，所有能观测到的行星都是围绕着地球做顺时针周周运行，并提出了本轮和均轮的概念来解释所观测到的行星的运动规则。然而到16世纪的时候，波兰天文学家尼古拉·哥白尼勇敢地站出来表达了相反的观点。他认为，宇宙没有托勒密所描述的那么复杂，是地球绕太阳，而不是太阳绕地球旋转。这一日心学说改写了托勒密延续千年的宇宙模型，开启了宇宙学革命性的一刻。 1609德国天文学家开普勒在年《新天文学》一书中宣布，他用丹麦天文学家第谷留下的精密

观测资料，发现行星是沿着椭圆轨道围绕太阳运动，从而打破了天体必须做匀速圆周运动的传统观点，并彻底消除了托勒密体系中的本轮和均轮。1609年底，意大利物理学家伽利略，用一台放大率三十二倍的望远镜开始观测天体，他发现在木星周围有四个暗弱的星体在围绕着它运转（也就是后来我们称的伽利略卫星），这彻底宣告了托勒密地心体系的终结，因为人类第一次发现了有天体围绕不是地球的行星在运行。

既然日心说已被证实，但有一个问题还没解决：究竟是什么原因维持着这些天体的运动？开普勒曾经猜想也许是磁力，这个时候，牛顿终于出场了，这就是我们高中物理都学过的"万有引力"：一个大质量的物体，才可以把一个较小的物体吸引到自身上来，所以，苹果才会从树上落下来。也是"万有引力"使得人能够站在移动的地球上。"万有引力"让宇宙中所有的行星保持运动，宇宙也因此而永恒不变。

科学工作不可能到此而至，日心说只是一大进步，我们仍然有很多的疑问不明白，既然可以通过几何的方法测出地月距离，而且拥有了更加先进的天文望远镜，我们能否通过各种天文现象测出地球与太阳之间的距离吗？日心说能否满足我们的科学家呢?

1772年，法国天文学家潘格雷在分析了1769年金星凌日时各国天文学家的全部观测资料后，得出太阳与地球的距离为1.5亿公里。这时人们开始在想能否测量恒星到地球的距离呢。其实伽利略早就提出了测量恒星到地球距离的方法：由于地球围绕着太阳运转，如果把地球围绕着太阳运转的轨道两端作为观测点，看看两点上所观测到的恒星的位移，这就是三角测量，就可计算出来。我们现在知道织女星离我们有26 光年，也就是说织女星发现的光要过26年后，才能到达地球，这么远的距离，曾经在我们的思想中几乎没有概念。

1845年，爱尔兰中部的第3代罗斯伯爵威廉·帕森斯，建造了一架口径1.8288米，重达10吨的当时世界上最大和倍率最高的望远镜。用这架望远镜，帕森斯伯爵看到了有史以来人类所没有见过的旋涡星系。天文学家们后来了解到，这个旋涡星系的距离为2100万光年，远远超出了银河系10万光年的范围。

看来太阳在广阔的银河系面前真的很渺小，我们不免有些失望，但科学就是这样，总给人惊喜也给人失落。1880年前后，哈金斯对太阳光谱中构成谱线的化学元素进行分析，发现太阳和恒星的光谱线中，都有着清晰的氢和氦的特征线。太阳和恒星主要是由氢和氦构成的。太阳只不过是一颗普通的恒星。我们这时应该明白，地球不是宇宙的中心，太阳也同样不是宇宙的中心。

给我证据

宇宙是怎样产生的呢？我们先不急于讨论这个，你也许听说过相对论这个词语，但是他对部分人来说太难以理解了，试想一下，如果我们的世界不是牛顿所设想的那样建立在经典物理学上，一切物理规律都失效，那真正的宇宙世界会多么的神奇、多么让人不可思议。天才爱因斯坦也承认宇宙来源于一次大爆炸，这个结论如何得出呢，让我们用最专注的目光聚焦于这伟大理论的发展历程。

19xx年，阿尔伯特·爱因斯坦，发表了一篇关于运动物质中电磁现象的论文，狭义相对论由此诞生；10年之后，他又提出了广义相对论。20世纪以前的物理学建立在牛顿绝对时空观的基础上：时间永恒地均匀流逝，空间是不动的舞台，两者相互独立并且不受物质的影响。爱因斯坦的革命性发现是：时间和空间是不可分割的统一体，时空告诉物质如何运动，而物质告诉时空如何弯曲。在爱因斯坦的理论中，每个物体会对周围的时空产生影响，它们在时空中造成凹陷或扭曲，一个物体经过另一个物体的旁边，路径就会受到扭曲而偏向，这就好像是物质互相吸引一样。我们将广义相对论通俗话来说，时空就像一个表面上由网格标记的橡胶膜，放在橡胶膜上的重物看成是恒星或整个星系，网格代表时间和空间，重物的质量越大，空间和时间凹陷的程度也越深，那些从附近经过的东西，也就越难逃脱坠落在这个 2

大质量物体上的命运。可为什么时间和空间会是弯曲的呢？我们可以通过下面的事例来解释：

古希腊的时候，数学家欧几里德，发展了一套几何学理论，也就是我们初中学过的几何，其中的第五公设，可以推出三角形的三个内角之和为180度，于是我们就把符合欧几里德这套几何学的空间叫做平直空间。

19世纪初，德国数学家高斯、匈牙利数学家鲍耶、俄国数学家罗巴切夫斯基等人提出了非欧几何的概念，他们认识到，除了平直空间以外，没有第5公设的非平直空间在逻辑上是可能的，三角形的内角之和未必是180度，如在球面上画一个三角形，其内角和是大于180度的。所以空间是会发生弯曲的。

爱因斯坦利用非欧几何里在19xx年提出了一个宇宙模型。这个模型的空间部分是一个球面，弯曲的空间使得宇宙看起来是有限的，因此可以避免引力变成无限大的问题。但是爱因斯坦发现，和牛顿的宇宙一样，这个模型里的物质也很难保持静止不动，于是爱因斯坦就在他的广义相对论方程当中加入一个表示斥力的一项：宇宙学常数。但是这个常数却遭到了数位科学家的质疑，19xx年，爱因斯坦访问威尔逊山天文台，哈勃是主人，勒梅特也赶到加州和他们见面。他们推心置腹的讨论了各自的观点，最终的说法，认为宇宙是从一个原始原子开始，不断分裂膨胀而成的，就如同一颗小小的橡果，长大成为一棵参天的橡树那样，这就是宇宙大爆炸理论的由来，同时爱因斯坦承认引进"宇宙学常数"是他一生最大的失误。

但是，剑桥大学的数学家弗里德·霍伊尔却反对宇宙起源于一次大爆炸的说法 ，他提出了一个尖锐的问题：如果宇宙起始于一次大爆炸，在那种高温高热状态下所产生的辐射，一定会在太空中留下某种痕迹，即使是在大爆炸已经过去了140亿年的今天，也应该能找到哪怕一丁点儿辐射痕迹的残留。可问题是，这个痕迹能找到吗?

宇宙的密码

科学需要用事实来证明，那上文提到的那个痕迹能找到吗？

在霍依尔提出"如果大爆炸真的发生过，请问爆炸所遗留下来的痕迹在哪里"的质疑以后，伽莫夫和他的学生就在研究这个问题。伽莫夫和他的学生们坚信，高热爆炸产生的辐射，即使是在100多亿年后的今天，也不会完全消失。假如我们烧一堆篝火，或者我们进行一次爆炸，这个当中会产一些光，这个光子呢就会向各个方向飞去，以后我们就再也没有机会看到这些光子。但是假如宇宙深处的外星人，他们正好朝这个方向看，他们是有机会能够看到这些光的。由于宇宙大爆炸是处处都在进行，所以我们朝任何一个方向看去，都应该能看到大爆炸产生的这个光；但由于宇宙的膨胀，这些光的能量降低了，波长也变长了，现在处于微波波段，温度是这个绝对温度的几K，但是我们用仪器应该是能探测到。

正是由于知道了这一点，伽莫夫才对找到大爆炸遗留的辐射充满信心。巧合往往会促成研究上的重大发现，当时美国贝尔实验室建立了一座用于卫星通信试验的，高灵敏度微波天线，卫星通信实验结束以后，贝尔实验室的两位科学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊；当他们对它先进行严格的测试和校准的过程中发现老有一种多余的噪声。不管把天线对着哪个方向，烦人的噪声总是挥之不去，即使把天线指向太空，噪声依然存在。

排除各种干扰因素他们都无法找到噪声的根源。到第二年，他们快要绝望的时候，彭齐亚斯偶然和同行伯克聊起此事，伯克说：他的一位朋友，曾听过普林斯顿大学一位叫皮伯斯的学者作过的一个报告，谈到他们也在进行类似的工作。伯克告诉彭齐亚斯，他们发现的奇怪噪声，可能正是普林斯顿大学狄基小组正在寻找的东西。于是彭齐亚斯赶紧给狄基打去电话。当罗伯特·威尔逊和彭齐亚斯看到狄基教授带去的仪器和记录时，他们终于明白，那个推论中的宇宙大爆炸的痕迹，被他们无意中发现了。

"宇宙微波背景辐射"也就是大爆炸痕迹的发现，以确凿的证据证明了，宇宙的确曾经处 3

于与今天完全不同的高温高密状态，这是继哈勃发现宇宙膨胀之后，宇宙学研究上的又一个重大突破。

宇宙微波背景辐射被发现的时候，斯蒂芬·霍金正在剑桥攻读博士学位，很可能是这件事情促成了他选择大爆炸和爱因斯坦的相对论作为博士论文的研究主题。他受牛津大学数学教授罗杰·彭洛斯的启发，决定从爱因斯坦的相对论入手，看看它对宇宙还能预示些什么。 霍金从彭洛斯教授的数学方面的研究结果得到启发，提出黑洞实际上就是一个大爆炸的过程，由此就形成了霍金从数学角度来研究爱因斯坦方程所得到的结果，并且非常有力的支持了大爆炸理论。然而，大爆炸的理论并非就此完美无缺，它仍然还有一些问题需要解决。

宇宙的模样

问题一直在继续，我们相信宇宙的模样一定能够被人类发现。爱因斯坦曾认为宇宙空间是球型的，弗里德曼则提出过双曲型的宇宙，介于两者之间的是平直空间。我们生活的宇宙究竟是哪一种几何形状呢？

我们先来了解一下临界密度的概念，根据爱因斯坦的广义相对论方程，定义出了临界密度的概念。如果宇宙空间中物质的平均密度等于临界密度，那么宇宙空间就是我们所熟悉的平直空间，如果大于临界密度，宇宙空间就是封闭的球形，如果小于临界密度，宇宙空间就应该是开放的双曲形。临界密度的数值是非常小的，狄基认为，这里有个奇怪之处，这意味着在大爆炸后的一秒钟，宇宙物质密度与临界密度相差不超过一百万亿分之一，否则今天的宇宙密度就会远远偏离临界密度。这个奇怪的现象狄基他自己也无法回答。在听了狄基的报告后不久，古思开始和华裔物理学家戴自海合作，研究宇宙大爆炸中磁单极产生的问题。（注：磁单极子是理论物理学弦理论中指一些仅带有北极或南极单一磁极的磁性物质，它们的磁感线分布类似于点电荷的电场线分布）

古思意识到，为了解决磁单极问题而提出的暴胀理论，其实也可以解决狄基的宇宙几何问题：如此剧烈的膨胀会把原来弯曲的空间拉直，这就好像我们用力拉一块褶皱的橡皮膜可以把它拉平一样。因此，如果在宇宙的极早期发生过一次暴胀，那么我们可观测的这部分宇宙几何就非常接近平直空间了。

当古思提出他的暴胀理论的时候，科学家们早已发现，宇宙中还存在着一种神秘的不发光的物质，即：暗物质。19xx年，加州理工学院的第一位从事天体物理研究的学者瑞士籍的弗里兹·兹威基教授，研究了星系团内星系的运动，首次提出了暗物质存在的可能性： 星系团内德星系理论上是不能产生很大的引力而使成百上千的星系被自身所束缚，它们的运动速度与引力必须达成平衡，引力越强，运动速度越快。一定还存在着其他我们看不见的物质，兹威基把它称之为暗物质。暗物质存在的直观证据是引力透镜现象。当遥远星系发出的光经过一个星系团附近的时候，光线会被星系团的引力所偏折，星系团就好像是一个透镜。我们朝这个方向望去，就会看到光弧、甚至同一个星系的几个不同的像。

虽然至今仍没有真正探测到暗物质，但通过各种途径我们得到的测量结果是：普通物质加上暗物质，总量只占临界密度的百分之二十到三十，并不像暴胀理论预言的那样达到临界密度。问题出在哪儿了？是观测结果有徧差，还是在现有理论里遗漏了什么？

19xx年12月29日，一批来自美国、意大利等国家的科学家，在南极放飞了一个高灵敏度的氦气球,气球升入35公里的高空，在大气环流的作用下，围绕南极点飞行了11天后，在离放飞点不足50公里的地方成功降落，气球上携带着最新研制的微波背景辐射探测装置，科学家们对这次飞行观测收集的数据进行了近两年的分析，观测的结果表明，宇宙的几何正如暴胀理论预言的那样，完全是平直的。

20xx年6月30日，美国航空航天局的MAP卫星发射升空。卫星被送到距离地球一百多万公里的拉格朗日点上，在这里，太阳、地球、卫星始终在一条线上。卫星背向太阳和地球 4

缓缓扫描着天空，收集着来自宇宙深处的数据。20xx年，WMAP第一年观测的数据发表了，观测结果的精度大大提高，与气球的实验结果也非常一致。我们终于知道，宇宙空间是平直的，暴胀理论得到了初步的证实。同时，宇宙的年龄和大尺度结构问题在这个理论框架内也得到了完满的解决。

我们终于可以得出一个确切的答案，宇宙是在大约140亿年前由一次大爆炸所产生，其中30%是物质，70%是我们还不知道究竟是什么的暗能量，而在宇宙中由星星所组成的星系它们分布并不均匀。此外还有一点，就是宇宙空间是平直的，它还在膨胀着 ……

20xx年10月6日

石家庄经济学院

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第二篇：宇宙大爆炸

（Carl Wilhelm Wirtz）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，19xx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。19xx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。19xx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。19xx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。19xx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。

19xx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19xx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（最早由弗里德曼提出，后来的主要推广者是阿尔伯特·爱因斯坦和理查德·托尔曼）、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，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19xx年3月的一期BBC广播节目《物质的特性》（The Nature of Things）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。19xx年，宇宙微波背景辐射的发现和确认更使绝大多数物理学家都相信：大爆炸是能描述宇宙起源和演化最好的理论。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，例如大爆炸理论的框架下星系如何产生，早期和极早期宇宙的物理定律，以及用大爆炸理论解释新观测结果等。 二十世纪九十年代后期和二十一世纪初，望远镜技术的重大发展和如宇宙背景探测者（COBE）、哈勃太空望远镜（HST）和威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）等空间探测器收集到的大量数据使大爆炸理论又有了新的大突破。宇宙学家从而可以更为精确地测量大爆炸模型中的各种参数，并从中发现了很多意想不到的结果，比如宇宙的膨胀正在加速。

编辑本段宇宙大爆炸理论验证了古代思想家直觉

宇宙大爆炸理论告诉我们，宇宙大爆炸伊始，宇宙间只有能量。这验证了古代思想家们的直觉。古希腊哲学家柏拉图提出“从一发散”；中国古代《道德经》中认为“一生二，二生三，三生万物。”这个“一”就是能量。其后，能量凝聚成基本粒子。就此，宇宙的演化开始了：能量→基本粒子→原子、分子→无机界→生物界→人类 编辑本段介绍

大爆炸年表

通过广义相对论将宇宙的膨胀进行时间反演，则可得出宇宙在过去有限的时间之前曾经处于一个密度和温度都无限高的状态，称之为奇点，奇点的存在意味着广义相对论理论在这里不适用。而仍然存在争论的问题是，借助广义相对论我们能在多大程度上理解接近奇点的物理学——可以肯定的是不会早于普朗克时期。宇宙极早期这一高温高密的相态被称作“大爆炸”，这被看作是我们宇宙的诞生时期。通过观测Ia型超新星来测量宇宙的膨胀，对宇宙微波背景辐射温度涨落的测量，以及对星系之间相关函数的测量，科学家计算出宇宙的年龄大约为137.3 ±1.2亿年。这三个独立测算所得到的结果相符，从而为具体描述宇宙所包含物质比例的ΛCDM模型提供了有力证据。

关于大爆炸模型中极早期宇宙的相态问题，至今人们仍充满了猜测。在大多数常见的模型中，宇宙诞生初期是由均匀且各向同性的高密高温高压物质构成的，并在极早期发生了非常快速的膨胀和冷却。大约在膨胀进行到10^-37秒时，产生了一种相变使宇宙发生暴涨，在此期间宇宙的膨胀是呈指数增长的。当暴涨结束后，构成宇宙的物质包括夸克－胶子等离子体，以及其他所有基本粒子。此时的宇宙仍然非常炽热，以至于粒子都在做着相对论性的高速随机运动，而粒子－反粒子对在此期间也通过碰撞不断地创生和湮灭，从而宇宙中粒子和反粒子的数量是相等的（宇宙中的总重子数为零）。直到其后的某个时刻，一种未知的违反重子数守恒的反应过程出现，它使夸克和轻子的数量略微超过了反夸克和反轻子的数量——超出范围大约在三千万分之一的量级上，这一过程被称作重子数产生。这一机制导致了当今宇宙中物质相对于反物质的主导地位。

随着宇宙的膨胀和温度进一步的降低，粒子所具有的能量也普遍逐渐下降。当能量降低到1太电子伏特（1012eV）时产生了对称破缺，这一相变使基本粒子和基本相互作用形成了当今我们看到的样子。宇宙诞生的10^-11秒之后，大爆炸模型中猜测的成分就进一步减少了，因为此时的粒子能量已经降低到了高能物理实验所能企及的范围。10^-6秒之后，夸克和胶子结合形成了诸如质子和中子的重子族，由于夸克的数量要略高于反夸克，重子的数量也要略高于反重子。此时宇宙的温度已经降低到不足以产生新的质子－反质子对（类似地，也不能产生新的中子－反中子对），从而即刻导致了粒子和反粒子之间的质量湮灭，这使得原有的质子和中子仅有十亿分之一的数量保留下来，而对应的所有反粒子则全部湮灭。大约在1秒之后，电子和正电子之间也发生了类似的过程。经过这一系列的湮灭，剩余的质子、中子和电子的速度降低到相对论性以下，而此时的宇宙能量密度的主要贡献来自湮灭产生的大量光子（少部分来自中微子）。

在大爆炸发生的几分钟后，宇宙的温度降低到大约十亿开尔文的量级，密度降低到大约空气密度的水平。少数质子和所有中子结合，组成氘和氦的原子核，这个过程

叫做太初核合成。而大多数质子没有与中子结合，形成了氢的原子核。随着宇宙的冷却，宇宙能量密度的主要来自静止质量产生的引力的贡献，并超过原先光子以辐射形式的能量密度。在大约37.9万年之后，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，这个辐射的残迹就形成了今天的宇宙微波背景辐射。

虽然宇宙在大尺度上物质几乎均一分布，但仍存在某些密度稍大的区域，因而在此后相当长的一段时间内这些区域内的物质通过引力作用吸引附近的物质，从而变得密度更大，并形成了气体云、恒星、星系等其他在今天的天文学上可观测的结构。这一过程的具体细节取决于宇宙中物质的形式和数量，其中形式可能有三种：冷暗物质、热暗物质和重子物质。来自WMAP的目前最佳观测结果表明，宇宙中占主导地位的物质形式是冷暗物质，而其他两种物质形式在宇宙中所占比例不超过18%。另一方面，对Ia型超新星和宇宙微波背景辐射的独立观测表明，当今的宇宙被一种被称作暗能量的未知能量形式主导着，暗能量被认为渗透到空间中的每一个角落。观测显示，当今宇宙的总能量密度中有72%的部分是以暗能量这一形式存在的。根据推测，在宇宙非常年轻时暗能量就已经存在，但此时的宇宙尺度很小而物质间彼此距离很近，因而在那时引力的效果显著从而减缓了宇宙的膨胀。但经过了几十上百亿年的膨胀，不断增长的暗能量开始让宇宙膨胀缓慢加速。表述暗能量的最简洁方法是在爱因斯坦引力场方程中添加所谓宇宙常数项，但这仍然无法回答暗能量的构成、形成机制等问题，以及与此伴随的一些更基础问题：例如关于它状态方程的细节，以及它与粒子物理学中标准模型的内在联系，这些未解决的问题仍然有待理论和实验观测的进一步研究。

所有在暴涨时期以后的宇宙演化，都可以用宇宙学中的ΛCDM模型来非常精确地描述，这一模型来自广义相对论和量子力学各自独立的框架。如前所述，目前还没有广泛支持的模型能够描述大爆炸后大约10^-15秒之内的宇宙，一般认为需要一个统合广义相对论和量子力学的量子引力理论来突破这一难题。如何才能理解这一极早期宇宙的物理图景是当今物理学的最大未解决问题之一。

粒子及各物质元素形成过程

宇宙最开始，没有物质只有能量，大爆炸后物质由能量转换而来（质能转换E=mcc），当代粒子物理学告诉我们，在足够高的温度下（称为“阈温”），物质粒子可以由光子的碰撞产生出来。下面是宇宙物质进化的详细过程：

宇宙诞生第1/10000秒（时标），温度达几十万亿开，大于强子和轻子的阈温，光子碰撞产生正反强子和正反轻子，同时其中也有湮灭成光子。在达到平衡状态时，粒子总数大致于光子总数相等，未经湮灭的强子破碎为“夸克”，此时夸克处于没有任何相护作用的“渐进自由状态”。宇宙中的粒子品种有：正反夸克，正反电子，正反中微子。最后，有十亿分之一的正粒子存留下来

时标0.01秒温度1000亿开，小于强子阈温大于轻子阈温。光子产生强子的反应已经停止，强子不再破碎为夸克，质子中子各占一半，但由于正反质子正反中子不断湮灭，强子数量减少。中子与质子不断相护转化，到1.09秒时，温度100亿开，质子：中子=76：24

时标13.82秒，温度小于30亿开，物质被创造的任务完成。中子衰变现象出现，衰变成质子加电子加反中微子。这时质子：中子=83：17

时标3分46秒，温度9亿开，反粒子全部湮灭，光子：物质粒子=10亿：1，中子不再衰变，质子：中子=87：13（一直到现在）；这时出现了一个非常重要的演化：由

2个质子和2个中子生成1个氦原子核，中子因受核力约束而保存下来。宇宙进入核合成时代。（如果没有氦核产生，中子将全部衰变，也没有以后其它的原子核）

时标30万—70万年，温度4000—3000开，能量和物质处于热平衡状态。开始出现稳定的氢氦原子核，宇宙进入复合时代。在后期宇宙逐步转变为以物质为主的时代。（光子随着温度的降低而可以自由穿行，即今天的3开宇宙背景辐射！）

时标4亿—5亿年，温度100开。物质粒子开始凝聚，引力逐渐增大，度过“黑暗时代”后，第一批恒星星系形成。

随着第一批恒星的形成，原子在恒星的内部发生了核聚变反应，进而出现了氦，碳、氧、镁，铁等元素原子核。核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。

（值得注意的是，不同质量的恒星能引发的核聚变程度不同，太阳主要为氢—氦聚变，重一点的会引发碳—氧—镁聚变，再重的会引发下一轮聚变。总的顺序简略依次为：氢—氦—碳—氧—镁—硅—铁。但无论恒星多重，最终的聚变结果只能是铁，恒星内部不能产生比铁更重的原子核！）

凡是元素周期表上有的(除人造元素外)，都是在恒星大炼炉里形成的，铁以后的原子核，只能在超爆中产生。

基本假设

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。

FLRW规度

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。 哈勃定律和宇宙膨胀

对遥远星系和类星体的观测表明这些天体存在红移——从这些天体发出的电磁波波长会变长。通过观测取得星体的频谱，而构成天体的化学元素的原子与电磁波的相互作用对应着特定样式的吸收和发射谱线，将两者进行比对则可发现这些谱线都向波长更长的一端移动。这些红移是均匀且各向同性的，也就是说在观测者看来任意方向上的天体都会发生均匀分布的红移。如果将这种红移解释为一种多普勒频移，则可进而推知天体的退行速度。对于某些星系，它们到地球的距离可以通过宇宙距离尺度来估算出。如果将各个星系的退行速度和它们到地球的距离一一列出，则可发现两者存在一个线性关系即哈勃定律：

v=HD

其中

v 是星系或其他遥远天体的退行速度

D 是距天体的共动固有距离

H 是哈勃常数，根据WMAP最近的测量结果为70.1 ±1.3 千米/秒/秒差距 根据哈勃定律我们的宇宙图景有两种可能：或者我们正处于空间膨胀的正中央，从而所有的星系都在远离我们——这与哥白尼原理相违背——或者宇宙的膨胀是各处都相同的。从广义相对论推测出宇宙正在膨胀的假说是由亚历山大·弗里德曼和乔治·勒梅特分别在19xx年和19xx年各自提出的，都要早于哈勃在19xx年所进行的实验观测和分析工作。宇宙膨胀的理论后来成为了弗里德曼、勒梅特、罗伯逊、沃尔克等人建立大爆炸理论的基石。

大爆炸理论要求哈勃定律在任何情况下都成立，注意这里v、D和H随着宇宙膨胀都在不断变化（因此哈勃常数H实际是指“当前状态下的哈勃常数”）。对于距离远小于可观测宇宙尺度的情形，哈勃红移可以被理解为因退行速度v造成的多普勒频移，但本质上哈勃红移并不是真正的多普勒频移，而是在光从遥远星系发出而后被观测者接收的这个时间间隔内，宇宙膨胀的结果。

天文学上观测到的高度均匀分布且各向同性的红移，以及其他很多观测证据，都支持着宇宙在各个方向上看起来都相同这一宇宙学原理。20xx年，人们通过测量宇宙微波背景辐射对遥远天体系统的动力学所产生的影响，证实了哥白尼原理，即地球相对大尺度宇宙来说绝非宇宙的中心。早期宇宙来自大爆炸的微波背景辐射温度要显著高于当今的辐射余温，而几十亿年来微波背景辐射均匀降温的事实只能被解释为宇宙空间正在进行着度规膨胀，并排除了我们较为接近一个特殊的爆炸中心的可能。 编辑本段大爆炸宇宙的未来

在发现暗能量之前，宇宙学家认为宇宙的未来存在有两种图景：如果宇宙能量密度超过临界密度，宇宙会在膨胀到最大体积之后坍缩，在坍缩过程中，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——即大挤压；相反，如果宇宙能量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。恒星形成会因各个星系中的星际气体都被逐渐消耗而最终停止；恒星演化最终导致只剩下白矮星、中子星和黑洞。相当缓慢地，这些致密星体彼此的碰撞会导致质量聚集而陆续产生更

大的黑洞。宇宙的平均温度会渐近地趋于绝对零度，从而达到所谓大冻结。此外，倘若质子真像标准模型预言的那样是不稳定的，重子物质最终也会全部消失，宇宙中只留下辐射和黑洞，而最终黑洞也会因霍金辐射而全部蒸发。宇宙的熵会增加到极点，以致于再也不会有自组织的能量形式产生，最终宇宙达到热寂状态。

现代观测发现宇宙加速膨胀之后，人们意识到现今可观测的宇宙越来越多的部分将膨胀到我们的事件视界以外而同我们失去联系，这一效应的最终结果还不清楚。在ΛCDM模型中，暗能量以宇宙学常数的形式存在，这个理论认为只有诸如星系等引力束缚系统的物质会聚集，并随着宇宙的膨胀和冷却它们也会到达热寂。对暗能量的其他解释，例如幻影能量理论则认为最终星系群、恒星、行星、原子、原子核以及所有物质都会在一直持续下去的膨胀中被撕开，即所谓大撕裂。

简 介：仰望星空，多么美好的一个词。140亿年前，天地混沌。大爆炸产生万物，我们的宇宙诞生了。科学界就是这么解释，宇宙诞生那一刻的。然而新一代的宇宙学家们开始质疑，关于宇宙的起源，关于我们对宇宙的一些基本了解，是不是真的正确。本片从宇宙学标准模型讲起，从暴胀理论，到暗物质及寻找暗物质的研究，到暗能量，及暗流的理论。最后会得出怎样的结论呢？

节目介绍：140亿年前，一个大爆炸诞生了我们的宇宙，随着温度的冷却，能量转化为物质，恒星、星系产生，宇宙开始变成我们现在看到的样子。 以上就是关于我们的宇宙的“标准模型”。 这个“标准模型”能解释宇宙的绝大部分现象，但是可惜，不是全部。 本片列举了一些传统“标准模型”无法解释的天文、物理现象，以及相关的理论。