宇宙學(xué)是對(duì)宇宙的研究。其亦研究人類在宇宙中的位置。
雖然宇宙學(xué)這個(gè)詞是最近才有的，但人們對(duì)宇宙的研究已經(jīng)有很長(zhǎng)的一段歷史了，古希臘的克羅狄斯·托勒密是宇宙學(xué)已知的最早先驅(qū)。現(xiàn)代宇宙學(xué)是數(shù)學(xué)和物理的代名詞，早已摒棄宗教和純哲學(xué)概念，借助大型物理實(shí)驗(yàn)和超級(jí)望遠(yuǎn)鏡，依托現(xiàn)代天文學(xué)，數(shù)學(xué)研究宇宙深層次的原理。
概念
沿革
該詞最早由德國(guó)沃爾弗使用。格奧爾格·威廉·弗里德里希·黑格爾認(rèn)為宇宙論的研究包括世界的偶然性、必然性、永恒性、有限性、規(guī)律性、人的自由和惡的起源。
馬克思主義哲學(xué)從唯物主義出發(fā)，其認(rèn)為宇宙論的問(wèn)題均由哲學(xué)世界觀決定，沒(méi)有單獨(dú)的宇宙論。
宇宙論與本體論的區(qū)別在于：宇宙論探求這個(gè)世界什么是真實(shí)的，而本體論則探求對(duì)任何世界都有效的關(guān)系與原則。
美國(guó)航空航天局（NASA）協(xié)同國(guó)際伙伴建造的賈科莫。詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡將能觀察太空約2億年的景象。如耗資6億美元的開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡于2009年3月發(fā)射升空，是世界上首個(gè)專門(mén)用于搜尋太陽(yáng)系外類地行星的航天器。美國(guó)國(guó)家航空暨太空總署（NASA）協(xié)同國(guó)際伙伴建造的詹姆斯。韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將能觀察太空約2億年的景象。為了研究宇宙學(xué)，宇航局需要一個(gè)更為強(qiáng)大的觀測(cè)設(shè)備，讓自己回到宇宙誕生之初。這個(gè)觀測(cè)設(shè)備便是詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，將于2018年發(fā)射升空。
現(xiàn)代宇宙學(xué)模型
現(xiàn)代宇宙學(xué)的先驅(qū)代表人物是斯蒂芬·霍金。霍金在《大設(shè)計(jì)》中開(kāi)篇說(shuō)明“哲學(xué)已死”，否認(rèn)了純哲學(xué)和宗教可以解釋自然，這也表明各大宗教只是古代精神世界探索未知，追求解脫的體系，而非客觀真理。
霍金在書(shū)中完全否定了“雅威”創(chuàng)造宇宙一說(shuō)。在《時(shí)間簡(jiǎn)史》中，霍金對(duì)于宗教的態(tài)度相對(duì)比較模糊，而《大設(shè)計(jì)》在開(kāi)篇宣布“哲學(xué)已死”之后，也對(duì)“上帝”的存在作出了自己毫無(wú)保留的判斷。霍金的結(jié)論，宇宙不是“上帝”創(chuàng)造的，很明確地寫(xiě)道：“宇宙創(chuàng)造過(guò)程中，“上帝”沒(méi)有位置。沒(méi)有必要借助“上帝”來(lái)為宇宙按下啟動(dòng)鍵。”斯蒂芬·霍金認(rèn)為支持“宇宙大爆炸”理論的物理學(xué)定律向傳統(tǒng)宗教信仰發(fā)起了挑戰(zhàn)，“由于存在萬(wàn)有引力等定律，因此宇宙能夠，而且將是從無(wú)到有自己創(chuàng)造了自己。自然發(fā)生說(shuō)是有物而非無(wú)物存在的原因，這是宇宙和人類存在的原因。沒(méi)必要借助“上帝”引燃藍(lán)色導(dǎo)火線，讓宇宙誕生。” ? 《大設(shè)計(jì)》是霍金在《時(shí)間簡(jiǎn)史》之后的最重要的著作，它凝結(jié)了霍金20多年來(lái)對(duì)科學(xué)和哲學(xué)的思考成果。
在該書(shū)其他著作中霍金推崇利用數(shù)學(xué)和物理手段尋找一個(gè)大一統(tǒng)理論，并且證明“宇宙是偶然誕生的，不需要雅威”，“宇宙的數(shù)學(xué)模型是有限無(wú)界”。
斯蒂芬·霍金在演講中說(shuō)道：宇宙起源的問(wèn)題有點(diǎn)像這個(gè)古老的問(wèn)題：先有雞呢，還是先有蛋。換句話說(shuō)，即是何物創(chuàng)生宇宙，又是何物創(chuàng)生該物呢？也許宇宙，或者創(chuàng)生它的東西已經(jīng)存在了無(wú)限久的時(shí)間，并不需要被創(chuàng)生。直到不久之前，科學(xué)家們還一直試圖回避這樣的問(wèn)題，覺(jué)得它們與其說(shuō)是屬于科學(xué)，不如說(shuō)是屬于形而上學(xué)或宗教的問(wèn)題，然而，人們?cè)谶^(guò)去幾年發(fā)現(xiàn)，科學(xué)定律甚至在宇宙的開(kāi)端也是成立的。在那種情形下，宇宙可以是自足的，并由科學(xué)定律所完全確定。奇點(diǎn)相當(dāng)于宇宙的邊界，而宇宙若無(wú)邊界，則無(wú)奇點(diǎn)，宇宙是一個(gè)四維球面，完全自足自洽。
1983年詹姆·哈特爾和我提出，宇宙的狀態(tài)應(yīng)由對(duì)一定種類歷史的求和給出。這類歷史由沒(méi)有奇性的，而且具有有限尺度卻沒(méi)有邊界或邊緣的彎曲空間組成。它們像是地球的表面，只不過(guò)多了兩維。地球的表面具有有限的面積，它不具有任何奇性、邊界或邊緣。我曾經(jīng)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)這一點(diǎn)。我作過(guò)環(huán)球旅行，而沒(méi)有落到外面去。
哈特爾和我所做的設(shè)想可以被重新表達(dá)成：宇宙的邊界條件是它沒(méi)有邊界。只有當(dāng)宇宙處于這個(gè)無(wú)邊界狀態(tài)時(shí)，科學(xué)定律自身才能確定每種可能歷史的概率。因此，只有在這種情形下，已知的定律才會(huì)確定宇宙應(yīng)如何運(yùn)行。如果宇宙處于任何其他的狀態(tài)，則歷史求和中的彎曲空間的種類就要包括具有奇性的空間。人們必須求助于已知科學(xué)定律以外的某種原理，才能確定這種奇性歷史的概率。這種原理就會(huì)是外在于我們宇宙的某種東西。我們不能從我們宇宙之中將其推導(dǎo)出來(lái)。而另一方面，如果宇宙是處于無(wú)邊界狀態(tài)，在原則上，我們就能在不確定性原理容忍的限制之仙完全確定宇宙應(yīng)如何運(yùn)行。
物理學(xué)家吳忠超評(píng)論：無(wú)邊界量子宇宙學(xué)已經(jīng)把“造物主”或“雅威”從宇宙創(chuàng)生的場(chǎng)景中祛除，而這新方法在某種意義上又將我們推上萬(wàn)物之靈的寶座。從M理論迄今作為終極理論的唯一合格候選者到宇宙的存在和創(chuàng)生，人類已經(jīng)如此清晰地理解宇宙和我們的存在，這真正是理性的勝利。事實(shí)上，任何文化創(chuàng)造，無(wú)論是藝術(shù)的還是科學(xué)的，恐怕都不及理解我們自身存在這個(gè)命題偉大。
歷史沿革
在過(guò)往，希臘哲學(xué)家認(rèn)為天是一個(gè)天球，當(dāng)中的機(jī)械原理，就成為了現(xiàn)時(shí)天體力學(xué)的內(nèi)容。在當(dāng)時(shí)，阿里斯塔克斯、亞里士多德及克羅狄斯·托勒密曾提出過(guò)幾個(gè)不同的天體學(xué)理論，當(dāng)中以托勒密用來(lái)解說(shuō)天體運(yùn)作的地心說(shuō)被廣為接受，直到16世紀(jì)時(shí)為尼古拉·哥白尼所推翻，并得到約翰尼斯·開(kāi)普勒及伽利略·伽利萊等人提出的新日心說(shuō)理論所取代。這事件成為了宇宙物理學(xué)的一個(gè)最著名的認(rèn)識(shí)論斷裂（epistemological rupture）的例子。
隨著艾薩克·牛頓及其于1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》的出現(xiàn)，長(zhǎng)久以來(lái)有關(guān)天體的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題終于被解決了。牛頓為開(kāi)普勒定律的機(jī)制提供了物理上的解釋，而他的萬(wàn)有引力定律使過(guò)往難以解釋的各種奇特天文現(xiàn)象，例如行星逆行的現(xiàn)象，都可以透過(guò)行星間的引力相互作用而解釋。牛頓的天體學(xué)理論與先前的理論在根本上最大的分別，在于哥白尼原則只提出地球在宇宙里沒(méi)有特殊地位，而牛頓卻更進(jìn)一步的指出：不論是天體和地球，兩者皆遵守著相同的物理法則，這一點(diǎn)在宇宙物理學(xué)的進(jìn)展來(lái)說(shuō)是很重要的。
近代發(fā)展
大爆炸理論
不同的宇宙學(xué)原理導(dǎo)致迥然不同的宇宙圖景。尼古拉·哥白尼宇宙學(xué)原理是大爆炸理論的基礎(chǔ)。的確，大爆炸理論實(shí)際上先于宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)。如果要求宇宙處處均勻各向同性，我們就唯一地得出大爆炸宇宙論。實(shí)際上有兩種不同的大爆炸宇宙論模型。按第一種模型，宇宙將永遠(yuǎn)膨脹下去。按第二種模型，宇宙最后將重新收縮。在這兩種模型中，使宇宙趨向再收縮的引力都是由初始爆炸的力抗衡著，后者在永遠(yuǎn)膨脹的模型中相對(duì)較強(qiáng)，而在注定要再收縮的模型中相對(duì)較弱。
按照大爆炸理論，宇宙學(xué)原理，后者要求宇宙在一切時(shí)期顯示出相同的面貌。建立穩(wěn)恒態(tài)宇宙論就是為了滿足完美宇宙學(xué)原理的要求。這種理論是1948年由海爾曼·邦迪、托馬斯·哥爾德和弗雷得·霍依耳引入的。它假設(shè)物質(zhì)不斷地以準(zhǔn)確的速率產(chǎn)生出來(lái)恰好維持宇宙中各處相同的平均物質(zhì)密度，從而預(yù)言宇宙在一切時(shí)代都具有相同的面貌。穩(wěn)恒態(tài)理論（至少它的初始形式）是一個(gè)非常大膽的理論。大爆炸理論最薄弱的一環(huán)，即初始創(chuàng)生的時(shí)刻被暴露出來(lái)了。既然大爆炸理論可以斷言宇宙是在遙遠(yuǎn)而有限的過(guò)去一瞬間創(chuàng)生的，那為什么不能同樣合理地?cái)嘌匀魏螘r(shí)刻任何地方都在發(fā)生創(chuàng)造呢？
穩(wěn)恒態(tài)宇宙論被否定
觀測(cè)證據(jù)是任何理論最嚴(yán)格的仲裁者，它終于否定了穩(wěn)恒態(tài)宇宙論的這個(gè)大膽斷言。在1950年，由于進(jìn)行了更精巧更有鑒別力的天文觀測(cè)，穩(wěn)恒態(tài)理論的提倡者逐漸修改了它的形式。因?yàn)檫@個(gè)理論變得越來(lái)越牽強(qiáng)，只剩下一些最固執(zhí)的支持者還相信它。最后，穩(wěn)恒態(tài)宇宙論在1965年被宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)推翻了，這一發(fā)現(xiàn)為宇宙早期的熾熱階段提供了不容置辯的證據(jù)。穩(wěn)恒態(tài)宇宙論只不過(guò)是在現(xiàn)代宇宙論發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)有相當(dāng)歷史意義的插曲而已。
雖然人們一直敦促穩(wěn)恒態(tài)理論的提出者同意宇宙膨脹開(kāi)始于百億年前的一瞬，但是關(guān)于早期宇宙行為的無(wú)數(shù)種可能的宇宙模型仍然具有活力。哥白尼宇宙學(xué)原理只能用可觀測(cè)的宇宙來(lái)評(píng)判，而大爆炸理論對(duì)后者提供了極好的描述。不過(guò)，在宇宙還很年輕的早期，我們可以想象一種宇宙論和標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型的均勻各向同性膨脹非常不同。這種膨脹是各向異性的：在某個(gè)優(yōu)先的方向上迅速膨脹而同時(shí)在另外的方向上坍縮。或者，宇宙也可能是非常不均勻的；在較密的區(qū)域可以發(fā)生局部的坍縮而形成黑洞。我們沒(méi)有科學(xué)上的理由偏愛(ài)簡(jiǎn)單而規(guī)則的大爆炸模型而討厭宇宙可能有較離奇的開(kāi)端。這兩種可能性同我們的物理規(guī)律都不矛盾，而天文觀測(cè)也還不能鑒別它們。
盡管有無(wú)數(shù)種可能的開(kāi)端，我們還可求助于人擇原理為宇宙挑出唯一的過(guò)去。按照這條原理必須承認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型。因?yàn)榧偃粲钪嬉砸环N極不規(guī)則的方式演化，即不會(huì)有生命及人類進(jìn)化出現(xiàn)了，其無(wú)法承載所有物理定律。所有那些餃子宇宙論經(jīng)過(guò)充分長(zhǎng)的時(shí)間以后，多半都會(huì)發(fā)展得不利于生命的存在。只有從無(wú)數(shù)種選擇中挑選出來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型才能提供適合生命演化的環(huán)境。
否認(rèn)人擇原理的宇宙學(xué)者滿足于宇宙的混沌起源。顯然，這樣的宇宙反推回去要花無(wú)窮長(zhǎng)的時(shí)間，因此人們可以認(rèn)為這種觀點(diǎn)只具有學(xué)院式意義。相反，求助于人擇原理的宇宙學(xué)者選擇一種從初始至無(wú)窮永遠(yuǎn)保持簡(jiǎn)單的宇宙。選均勻的宇宙還是選早期混沌的宇宙，取開(kāi)模型還是取閉模型，這乃是現(xiàn)代宇宙論面臨的主要抉擇。
作用
宇宙論是研究宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)和演化的學(xué)科。當(dāng)我們巡視遙遠(yuǎn)的太空深處時(shí)，也就是在沿著時(shí)間上溯。我們所看到的那些最遠(yuǎn)的星系，它是很久很久以前當(dāng)它們發(fā)出的光開(kāi)始其漫長(zhǎng)的太空旅行時(shí)的面貌。既然龐大的星系都曾經(jīng)是年輕的，故宇宙結(jié)構(gòu)如何產(chǎn)生的問(wèn)題就同宇宙論不可分割地聯(lián)系在一起。研究宇宙中可觀測(cè)的結(jié)構(gòu)（從巨大的星系團(tuán)到太陽(yáng)系）的起源屬于天體演化學(xué)的領(lǐng)域。有待查明的根本問(wèn)題包括：宇宙是何時(shí)和怎樣發(fā)端的，星系是如何形成并獲得我們觀測(cè)到的形態(tài)及尺度分布的，恒星是如何誕生的，行星和生命是如何演化的，等等。
用例
僅僅在20年前，人們還沒(méi)有什么把握來(lái)回答宇宙論和天體演化學(xué)的這些根本問(wèn)題。我們對(duì)于遙遠(yuǎn)宇宙和早期宇宙的知識(shí)是如此貧乏，以至于好些很不相同的宇宙學(xué)理論似乎都可以解釋觀測(cè)資料。然而天文學(xué)家們作出了有關(guān)宇宙本性的激動(dòng)人心的新發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)提供了壓倒優(yōu)勢(shì)的證據(jù)支持一種宇宙學(xué)理論，即大爆炸理論。今天，人們正是在這個(gè)理論的框架內(nèi)探索著宇宙論和天體演化學(xué)的根本問(wèn)題。
盡管大爆炸理論還不能對(duì)所有的重大問(wèn)題作出回答，可它卻為我們勾畫(huà)出了一幅宇宙演化的大致輪廓。在下面幾章中，我們將描述那些為大爆炸理論提供了證據(jù)的發(fā)現(xiàn)，并將追溯宇宙從最初時(shí)刻以來(lái)的演化。可以看到，當(dāng)我們?cè)噲D回答宇宙論和天體演化學(xué)的某些基本問(wèn)題時(shí)，新的問(wèn)題和爭(zhēng)議又會(huì)不可避免地出現(xiàn)。我們理論的許多細(xì)節(jié)仍然是不確定的。在這種情況下，我們可以描述一些可供選擇的假說(shuō)，并指出一些方向留待進(jìn)一步的研究來(lái)判明。因此，我們的討論既包含了宇宙本身的過(guò)去和未來(lái)，也包含著人類為理解它所作努力的歷史和前景。
宇宙學(xué)原理
作為開(kāi)始，我們要介紹一些形成任何科學(xué)的宇宙理論基礎(chǔ)的原理。
宇宙觀
自古以來(lái)，人類就不愿放棄我們?cè)谟钪胬锲鹬行淖饔玫南敕āＯ仁翘岢隽说匦挠钪嬗^，放棄地心宇宙觀以后又提出了日心宇宙觀。直到20世紀(jì)人們才認(rèn)識(shí)到，我們的太陽(yáng)不過(guò)是處在一個(gè)普普通通星系邊沿的一顆普普通通的恒星。我們的星系是一個(gè)大星系團(tuán)外部的一個(gè)松散星系群的一員。甚至這個(gè)星系團(tuán)（即本星系團(tuán)）同我們?cè)?a href="/hebeideji/7893440430145174678.html">宇宙中其他地方看到的真正巨大的星系團(tuán)相比，也只不過(guò)是一個(gè)毫不出眾的角色而已。我們?cè)谟钪嬷械牡匚豢梢哉f(shuō)是平凡到了極點(diǎn)。
這種用最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)得來(lái)的知識(shí)，給宇宙學(xué)者留下了一個(gè)棘手的難題。我們的觀測(cè)是從宇宙中的一個(gè)特殊位置進(jìn)行的，而建立一個(gè)宇宙學(xué)理論卻要求一般地了解整個(gè)宇宙中物質(zhì)的性質(zhì)和分布。宇宙學(xué)者需要擺脫這種令人遺憾的限制，他們的辦法是假設(shè)一個(gè)普適原理，這個(gè)原理要求宇宙在我們附近的部分同極遙遠(yuǎn)的區(qū)域相比沒(méi)有什么差別。有很強(qiáng)的哲學(xué)理由來(lái)為這種普適原理辯護(hù)。舉個(gè)例來(lái)說(shuō)，物理學(xué)規(guī)律在全宇宙中應(yīng)當(dāng)是同樣的；因?yàn)槿舨蝗绱耍瑢?shí)驗(yàn)就會(huì)不可重復(fù)，而我們的物理規(guī)律就會(huì)不成其為規(guī)律了。一個(gè)更強(qiáng)的要求是，大宇宙應(yīng)當(dāng)盡可能地簡(jiǎn)單。用可以容許的最簡(jiǎn)單模型來(lái)解釋現(xiàn)象，這是物理學(xué)前進(jìn)的自然方式。不過(guò)，宇宙學(xué)原理也有一些不同的說(shuō)法。
1543年，尼古拉·哥白尼提出地球可能不是宇宙的中心。哥白尼學(xué)說(shuō)的邏輯推廣是應(yīng)將我們的銀河系從任何優(yōu)越的空間位置挪走。于是我們得到了近代宇宙論的重要基石，即哥白尼宇宙學(xué)原理。這個(gè)原理說(shuō)，我們?cè)谟钪婵臻g中并不處于特別優(yōu)越的位置。人們研究了天文底片上的大量星系以后發(fā)現(xiàn)，它們的出現(xiàn)頻率在不同方向上是頗為相似的。這一跡象表明，宇宙是局域各向同性的，從地球上看來(lái)，宇宙在不同方向上顯示出相同的面貌。（從中心看一個(gè)球是各向同性的，而看一個(gè)雞蛋就不然了。）哥白尼原理要求，宇宙在空間任何一點(diǎn)周圍都是各向同性的。矩的反射應(yīng)足以驗(yàn)證，點(diǎn)點(diǎn)各向同性要求宇宙在空間上也必須均勻。因?yàn)椋绻钪媸欠蔷鶆虻模敲此荒茉谀承┨囟ㄎ恢蒙巷@示出各向同性。
推廣
某些宇宙學(xué)者曾試圖把宇宙學(xué)原理推廣到包括沿時(shí)間不變的概念。根據(jù)這個(gè)原理，至少在最大的尺度上宇宙是永恒不變的。于是，完美宇宙學(xué)原理說(shuō)，從空間和時(shí)間中的任何一點(diǎn)看去，宇宙都呈現(xiàn)出相似的面貌。由這個(gè)假設(shè)導(dǎo)出的穩(wěn)恒態(tài)宇宙論已被觀測(cè)排除。因而，宇宙學(xué)者一般只接受宇宙學(xué)原理的較弱的形式，而我們也樂(lè)于承認(rèn)，宇宙在空間（而不是時(shí)間）中是近似均勻且各向同性的。
原理
為了完備起見(jiàn)，我們還得談?wù)?a href="/hebeideji/2689088152567753449.html">人擇原理。這個(gè)原理采取的觀點(diǎn)同完美宇宙學(xué)原理正好相反，宣稱人類是在一個(gè)特定時(shí)期觀察著宇宙的，盡管宇宙從空間任何點(diǎn)看去顯得一樣。假設(shè)這個(gè)特定時(shí)期是因?yàn)樾枰a(chǎn)生那些有利于生命演化的特殊條件，比方說(shuō)，宇宙比現(xiàn)在熾熱得多或稠密得多，星系就不能形成；假如引力的強(qiáng)度和我們的觀測(cè)值大不相同，行星系統(tǒng)就不能形成，或不適合于我們所知的生命形式存在。現(xiàn)已查明，地球的年齡和天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的最老恒星或星系的年齡相仿（頂多差4倍），這畢竟是一個(gè)驚人的符合。人擇原理用“許可”來(lái)解釋這種相似性。宇宙本來(lái)可以比它實(shí)際的情形不規(guī)則和無(wú)序得多。人擇宇宙學(xué)原理斷言，若是那樣的話，各種條件就不能容許生命存在了。因此，作為觀察者，我們是生活在一個(gè)非常特殊的宇宙中，并且這個(gè)宇宙必須是均勻各向同性的。“人工選擇”是一個(gè)非常基本的論據(jù)，因?yàn)樗噲D對(duì)尼古拉·哥白尼宇宙學(xué)原理作出解釋，而后者幾乎是所有有生命力的宇宙論的核心。
大爆炸理論
哈勃定律
大爆炸宇宙論認(rèn)為：宇宙是由一個(gè)致密熾熱的奇點(diǎn)于150億年前一次大爆炸后膨脹形成的。1929年，美國(guó)天文學(xué)家愛(ài)德文·哈勃提出星系的紅移量與星系間的距離成正比的哈勃定律，并推導(dǎo)出星系都在互相遠(yuǎn)離的宇宙膨脹說(shuō)。宇宙并非永恒存在而是從虛無(wú)創(chuàng)生的思想在西方文化中可以說(shuō)是根深蒂固。雖然希臘哲學(xué)家曾經(jīng)考慮過(guò)永恒宇宙的可能性，但是，所有西方主要的宗教一直堅(jiān)持認(rèn)為宇宙是雅威在過(guò)去某個(gè)特定時(shí)刻創(chuàng)造的。像歷史學(xué)家一樣，宇宙學(xué)家意識(shí)到開(kāi)啟未來(lái)的鑰匙在于過(guò)去。
早在1929年，埃德溫·哈勃作出了一個(gè)具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，即不管你往哪個(gè)方向看，遠(yuǎn)處的星系正急速地遠(yuǎn)離我們而去。換言之，宇宙正在不斷膨脹。這意味著，在早先星體相互之間更加靠近。事實(shí)上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時(shí)刻，它們剛好在同一地方，所以愛(ài)德文·哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在一個(gè)叫做大爆炸的時(shí)刻，當(dāng)時(shí)宇宙無(wú)限緊密。
1950年前后，伽莫夫第一個(gè)建立了熱大爆炸的觀念。這個(gè)創(chuàng)生宇宙的大爆炸不是習(xí)見(jiàn)于地球上發(fā)生在一個(gè)確定的點(diǎn)，然后向四周的空氣傳播開(kāi)去的那種爆炸，而是一種在各處同時(shí)發(fā)生，從一開(kāi)始就充滿整個(gè)空間的那種爆炸，爆炸中每一個(gè)粒子都離開(kāi)其他每一個(gè)粒子飛奔。事實(shí)上應(yīng)該理解為空間的急劇膨脹。"整個(gè)空間"可以指的是整個(gè)無(wú)限的宇宙，或者指的是一個(gè)就像球面一樣能彎曲地回到原來(lái)位置的有限宇宙。根據(jù)大爆炸宇宙論，甚早期的宇宙是一大片由微觀粒子構(gòu)成的均勻氣體，溫度極高，密度極大，且以很大的速率膨脹著。這些氣體在熱平衡下有均勻的溫度。這統(tǒng)一的溫度是當(dāng)時(shí)宇宙狀態(tài)的重要標(biāo)志，因而稱宇宙溫度。氣體的絕熱膨脹將使溫度降低，使得原子核、原子乃至恒星系統(tǒng)得以相繼出現(xiàn)。
宇宙歷史
從1948年伽莫夫建立熱大爆炸的觀念以來(lái)，通過(guò)幾十年的努力，宇宙學(xué)家們?yōu)槲覀児串?huà)出這樣一部宇宙歷史：
大爆炸開(kāi)始時(shí)：
150－200億年前，極小體積，極高密度，極高溫度。
大爆炸后：
10-43秒 宇宙從量子背景出現(xiàn)。
10-35秒 同一場(chǎng)分解為強(qiáng)力、電弱力和引力。
10-5秒 10萬(wàn)億度，質(zhì)子和中子形成。
0.01秒 1000億度，光子、電子、中微子為主，質(zhì)子中子僅占10億分之一，熱平衡態(tài)，體系急劇膨脹，溫度和密度不斷下降。
0.1秒后 300億度，中子質(zhì)子比從1.0下降到0.61。
1秒后 100億度，中微子向外逃逸，正負(fù)電子湮沒(méi)反應(yīng)出現(xiàn)，核力尚不足束縛中子和質(zhì)子。
13.8秒后 30億度，氘、氦類穩(wěn)定原子核（化學(xué)元素）形成。
35分鐘后 3億度，核過(guò)程停止，尚不能形成中性原子。
大爆炸后30萬(wàn)年后 3000度，化學(xué)結(jié)合作用使中性原子形成，宇宙主要成分為氣態(tài)物質(zhì)，并逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體云塊，直至恒星和恒星系統(tǒng)。
理論意義
大爆炸理論揭示了宇宙演化的壯闊景象。宇宙膨脹大約開(kāi)始于200億年前。這個(gè)初始時(shí)刻及其以前的條件純屬猜測(cè)的范疇。早期宇宙非常熾熱、非常致密，同時(shí)也許還是很不規(guī)則的。這種不規(guī)則性和各向異性逐漸消失了。在大爆炸后數(shù)分鐘內(nèi)出現(xiàn)了一些核反應(yīng)，宇宙中幾乎所有的氦就是在那時(shí)合成的。隨著膨脹的進(jìn)行，宇宙逐漸變冷，就像熱空氣邊膨脹邊冷卻一樣。宇宙背景輻射就是這個(gè)早期時(shí)代的遺跡。人們一直恰當(dāng)?shù)匕阉Q為原始火球的剩余輻射。根據(jù)一種宇宙演化的方案，隨著宇宙中物質(zhì)的冷卻，它終將凝聚為原星系。原星系分裂為恒星并聚在一起成為范圍廣闊的巨大集團(tuán)。隨著頭幾代恒星的誕生和死亡，逐漸合成了碳、氧、硅、鐵這類重元素。當(dāng)恒星演化為紅巨星時(shí)，它們便拋出凝結(jié)為塵粒的物質(zhì)。從氣體和塵埃云中形成了新一代的恒星。至少在一個(gè)這樣的星云里，冷的塵埃坍縮成一個(gè)環(huán)繞恒星的薄盤(pán)。塵粒通過(guò)合并彼此附著并累積成較大的物體，這些物體在彼此引力的吸引下長(zhǎng)大，形成從小行星到大行星的形形色色天體，這些天體就構(gòu)成了太陽(yáng)系。
大爆炸理論引導(dǎo)我們追溯整個(gè)宇宙的演化，從時(shí)間的頭幾毫秒到地球的形成和生命的出現(xiàn)，再走向可能是無(wú)限的未來(lái)。
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