宇宙科普一：大爆炸理论简史

呆瓜科普发布时间: 10-1622:25学者,科学领域创作者

中国民间神话传说认为宇宙初期是一片混沌，是盘古抡起大斧头将混沌劈开，随后逐渐形成天地及其其他物质。其他古文明则认为，宇宙是由神创造。然而随着科学水平的进步，人类对宇宙起源的研究逐渐步入正轨，其中大爆炸理论为大多数人所接受。

大爆炸理论由美国物理学家伽莫夫于1946年正式提出，他认为宇宙由大约150亿年前发生的一次大爆炸所形成。起初人们对该理论嗤之以鼻，甚至到现在仍然有不少科学家持有反对意见。然而随着哈勃定律、宇宙微波背景辐射、红移现象、原初引力波、黑洞等现象的发现，为宇宙大爆炸理论提供了有力证据支持。大爆炸经过了很多阶段才形成如今的宇宙。

1.大爆炸开始期

时间T=0，约150亿年前，量子不确定性使宇宙之初以空间、时间和能量的超致密混合形式而存在。那时的宇宙是一个体积无限小，密度无限大，温度无限高，时空曲率无限大的点，称为奇点。空间和时间诞生于某种超时空（假真空）。

2.普朗克时期

时间T=10（-43次方）秒，受量子物理定律支配，空间和时间以模糊的实体存在。宇宙密度非常大，可能超过每立方厘米10（94次方）克，此时期宇宙中的四种基本力，即引力、强弱相互作用力、电磁力等统一为一种力（超力）。在普朗克时期结束时，发生了第1次宇宙相变，引力从超力中分离出来成为一个独立的实体，从此出现了空间和时间。物理学家对普朗克时期的宇宙知之甚少，仍在寻找一个大统一理论，因为还没有任何物理理论能够描述宇宙在这个阶段内经历的事情。

3.暴胀时期

时间T=10（-35次方）秒，宇宙经历了第2次相变。此时引力和强相互作用力从超力中分离出来，只有电磁力和弱相互作用力仍束缚在一起，合称为弱电力。这个阶段形成夸克、波色子，轻子。这种相变被认为导致了暴胀，也就是空间的超速膨胀，这阻止了胚胎宇宙的重新塌缩，并最终形成了星系。

4.辐射和物质形成期

时间T=10（-32次方）秒，爆炸的相变期结束了，驱动爆炸的能量被转移到弥漫在宇宙中的大量希格斯粒子上。此时，这些粒子中有许多仍在衰减并随着辐射释放能量。由于前期的迅速爆炸，使得宇宙大幅降温，这种能量释放相当于给宇宙再加热。重新加热后不久，辐射过程中能量自发衰变为物质和反物质的亚原子粒子。这些粒子和反粒子中的大多数只是简单的重新组合和湮灭，重新变回辐射状态。此衰变过程中，每10亿个反物质粒子对应着10亿个物质粒子再加1个物质粒子。因此这个过程结束后只剩下少量的物质，这些物质构成了宇宙的组成部分。

5.电弱相变期

时间T=10（-10次方）秒，质子和中子及其反粒子形成，玻色子、中微子、电子、夸克以及胶子稳定下来。宇宙变得足够冷，电弱相互作用分解为电磁相互作用和弱相互作用。四种自然力：引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力作为不同的实体单独存在。

6.前原子粒子形成时期

时间T=0.0001秒，夸克是在暴胀后不久形成的粒子，在此时期聚集在一起形成我们更为熟悉的质子和中子，而质子和中子是构成原子核的基本元素。

7.氢原子核合成时期

时间T=100秒，大爆炸火球的温度下降到足以让质子和中子结合在一起，而不会被辐射再次撕裂，此时形成了最轻的化学元素氢、氦和少量锂的原子核。

8.原子形成时期

时间T=500000年，此阶段温度足够低，原子核在最初的100秒内产生，质子捕获电子后形成第1个完整的原子。在此之前，电子一直在不停的散射辐射，但是当所有的电子都突然被束缚在原子中，这个过程就停止了，这就是为什么宇宙历史上的这一时期有时被称为“最后的散射”。辐射随后在毫无阻碍的空间中自由穿梭。如今射电天文学家把这种辐射看作是宇宙微波背景，它相当于一种保存完好的宇宙诞生50万年后的化石遗迹。

9.星系形成时期

时间T=10亿年，大爆炸后50万年到10亿年之间，宇宙处于所谓的黑暗时期。辐射能量已经下降到肉眼可见的程度以下，而物质还没有凝聚成恒星和星系。此时的宇宙是一片荒凉，黑暗和空旷之地。然而，大约10亿年之后，在引力的作用下产生了第1代恒星和星系。宇宙诞生后，950万年时产生的第一缕“光”。起初出现了一些微弱的闪光，慢慢地其他的星光也如同涓涓细流汇聚成洪水般，然后整个宇宙在这一瞬间被耀眼的星光照亮。

10.光明时代

时间T=138亿年，此时宇宙仍处于恒星纪元，即恒星时代，也称为光明时代，这一时期将在持续大约10万亿年。

大爆炸理论还有很多不足，遭到很多质疑和挑战，但这其实也是一种鞭策，反而促进了它的发展，尽管科学家们至今还没有完全理解宇宙的历史，但对于其一些常见的疑问有了一些简单的答案。