天文學(xué)家將數(shù)學(xué)模型與觀測(cè)相結(jié)合，以發(fā)展宇宙形成的可行理論。大爆炸理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)包括愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論以及基本粒子的標(biāo)準(zhǔn)理論。今天，美國(guó)航天局的航天器哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡等會(huì)繼續(xù)測(cè)量宇宙的膨脹情況。

▲空間度量擴(kuò)展的時(shí)間線，其中空間（包括假設(shè)的宇宙不可觀測(cè)部分）每次都由圓形截面表示。在左邊，指數(shù)式的膨脹發(fā)生在宇宙暴脹時(shí)期；在中間的是，宇宙加速膨脹（大小比例不按尺寸）的圖形。圖：NASA/WMAP Science Team

1 大爆炸理論

大爆炸理論是從已知的宇宙最早時(shí)期到隨后的大規(guī)模演化到我們現(xiàn)在的可觀測(cè)宇宙的一種主要宇宙學(xué)模型。

該模型描述了宇宙是從一個(gè)溫度和密度高得不可思議的一種初始狀態(tài)演化而來(lái)，我們觀測(cè)到的豐富的光元素，宇宙微波背景輻射（CMB, Cosmic microwave background radiation）以及大尺度結(jié)構(gòu)和哈勃定律都可以解釋這一點(diǎn)（星系距離地球越遠(yuǎn)，其遠(yuǎn)離地球的速度也就越快）。

如果使用目前已知的兩個(gè)基本假設(shè)：物理定律的普適性和宇宙學(xué)原理，我們可以將時(shí)間往后回溯。那么可以假設(shè)最開(kāi)始的狀態(tài)，在一個(gè)密度高得不可思議的狀態(tài)的有限時(shí)間之前，存在一個(gè)奇點(diǎn)，它通常與大爆炸有關(guān)。

目前物理學(xué)家們還不確定這是否意味著宇宙是從奇點(diǎn)開(kāi)始的，也許是當(dāng)前的知識(shí)還不足以描述當(dāng)時(shí)的宇宙狀態(tài)。天文學(xué)家利用哈勃望遠(yuǎn)鏡對(duì)宇宙膨脹率的詳細(xì)測(cè)量，我們得出了宇宙大爆炸發(fā)生在大約138億年前，這一數(shù)字被規(guī)定為宇宙的年齡。（后來(lái)，利用地面及哈勃望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹率不是一個(gè)定量，而是存在一個(gè)特殊的“暗能量”產(chǎn)生加速度膨脹，以此測(cè)定宇宙年齡為130億年至140億年。）

在宇宙最初的膨脹之后，宇宙的溫度開(kāi)始慢慢冷卻，直到其溫度低到可以形成亞原子粒子，然后形成一些簡(jiǎn)單的原子。這些原始元素（主要是氫元素，也含有其它的一些氦）組成的巨大云團(tuán)后來(lái)通過(guò)引力合并坍縮，并最終形成了早期的恒星和星系，這些恒星和星系的演化結(jié)果就是我們今天看到的宇宙。

除了這些以外，天文學(xué)家還觀察到了星系周?chē)滴镔|(zhì)導(dǎo)致的引力效應(yīng)。宇宙中的大部分物質(zhì)似乎都是以暗物質(zhì)的形式存在的，大爆炸理論和各種觀察似乎表明暗物質(zhì)并不是由傳統(tǒng)的重子物質(zhì)（質(zhì)子、中子和電子）構(gòu)成的，它究竟是由什么構(gòu)成的目前還尚不清楚。

▲藝術(shù)家繪制的威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP）采集數(shù)據(jù)的景象，圖：Tempshill

2 大爆炸理論和穩(wěn)態(tài)理論

自從1927年喬治·勒梅特（Georges Lema?tre）第一次注意到一個(gè)膨脹的宇宙可以追溯到一個(gè)起源的單點(diǎn)以來(lái)，科學(xué)家們就一直建立在宇宙膨脹的觀點(diǎn)之上。

科學(xué)界曾經(jīng)被劃分為兩種不同理論的支持者，即大爆炸理論和穩(wěn)態(tài)理論，但大量的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)都強(qiáng)烈支持大爆炸理論，這一理論現(xiàn)在已被普遍接受。

1929年，根據(jù)對(duì)星系紅移的分析，埃德溫哈勃得出了一種結(jié)論：星系正在遠(yuǎn)離地球！這一重要觀測(cè)證據(jù)與宇宙膨脹假說(shuō)非常一致。

1964年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射，這是支持大爆炸理論的關(guān)鍵性證據(jù)，因?yàn)樵摾碚擃A(yù)測(cè)了在大爆炸之前必定會(huì)存在充滿整個(gè)空間的宇宙背景輻射。

最近，對(duì)超新星紅移的測(cè)量表明，宇宙的膨脹正在加速，這一觀測(cè)讓我們意識(shí)到暗能量可能存在于宇宙空間的任意角落。

目前已知的自然物理定律可以用來(lái)詳細(xì)計(jì)算宇宙的特性，電腦的建模，可以讓宇宙回溯到極端密度和溫度高得無(wú)法想象的太初狀態(tài)。

（雖然在宇宙學(xué)中大爆炸模型已經(jīng)建立得相當(dāng)完善，在將來(lái)它仍然非常有可能被修正，例如對(duì)于宇宙誕生最早期的那一刻人們還幾乎一無(wú)所知。對(duì)于大爆炸后最初的幾分鐘，相關(guān)的觀測(cè)嚴(yán)重缺乏，最早期宇宙物質(zhì)——能量的實(shí)際形式很大程度上仍只是猜測(cè)。）

▲哈勃超深空?qǐng)雒枥L了遠(yuǎn)古時(shí)代的星系圖景，根據(jù)大爆炸理論，它們處于一個(gè)更年輕、更致密且更熾熱的宇宙。圖：NASA and the European Space Agency. Edited by Noodle snacks

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