1932年勒梅特首次提出了現(xiàn)代宇宙大爆炸理論：整個(gè)宇宙最初聚集在一個(gè)“原始原子”中，后來(lái)發(fā)生了大爆炸，碎片向四面八方散開(kāi)，形成了我們的宇宙。從此之后，大爆炸理論成為眾多科學(xué)家爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。宇宙大爆炸僅僅是一種學(xué)說(shuō)，是根據(jù)天文觀測(cè)研究后得到的一種設(shè)想。下面就和趣聞解密小編去了解一下宇宙大爆炸之謎吧。

大約在150億年前，宇宙所有的物質(zhì)都高度密集在一點(diǎn)，有著極高的溫度，因而發(fā)生了巨大的爆炸。大爆炸以后，物質(zhì)開(kāi)始向外大膨脹，就形成了今天我們看到的宇宙。大爆炸的整個(gè)過(guò)程是復(fù)雜的，現(xiàn)在只能從理論研究的基礎(chǔ)上描繪過(guò)去遠(yuǎn)古的宇宙發(fā)展史。在這150億年中先后誕生了星系團(tuán)、星系、我們的銀河系、恒星、太陽(yáng)系、行星、衛(wèi)星等?，F(xiàn)在我們看見(jiàn)的和看不見(jiàn)的一切天體和宇宙物質(zhì)，形成了當(dāng)今的宇宙形態(tài)，人類(lèi)就是在這一宇宙演變中誕生的。宇宙大爆炸時(shí)間表從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) 約137億年前，極小體積，極高密度，極高溫度。大爆炸后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。大爆炸后10^-43秒宇宙從量子背景出現(xiàn)。大爆炸后10^-35秒 引力分離，夸克、玻色子、輕子形成。大爆炸后0.1秒后 300億度，中子質(zhì)子比從1.0下降到0.61。大爆炸后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。

大爆炸后5-10秒 10億度，質(zhì)子和中子形成。大爆炸后13.8秒后 30億度，氫、氦類(lèi)穩(wěn)定原子核（化學(xué)元素）形成。大爆炸后35分鐘后 3億度，原初核反應(yīng)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)。

宇宙大爆炸的觀測(cè)證據(jù)宇宙大爆炸理論最早也最直接的觀測(cè)證據(jù)包括從星系紅移觀測(cè)到的哈勃膨脹、對(duì)宇宙微波背景輻射的精細(xì)測(cè)量、宇宙間輕元素的豐度，而今大尺度結(jié)構(gòu)和星系演化也成為了新的支持證據(jù)。這四種觀測(cè)證據(jù)有時(shí)被稱(chēng)作“大爆炸理論的四大支柱”。

哈勃定律對(duì)遙遠(yuǎn)星系和類(lèi)星體的觀測(cè)表明這些天體存在紅移——從這些天體發(fā)出的電磁波波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng)。通過(guò)觀測(cè)取得星體的頻譜，而構(gòu)成天體的化學(xué)元素的原子與電磁波的相互作用對(duì)應(yīng)著特定樣式的吸收和發(fā)射譜線(xiàn)，將兩者進(jìn)行比對(duì)則可發(fā)現(xiàn)這些譜線(xiàn)都向波長(zhǎng)更長(zhǎng)的一端移動(dòng)。這些紅移是均勻且各向同性的，也就是說(shuō)在觀測(cè)者看來(lái)任意方向上的天體都會(huì)發(fā)生均勻分布的紅移。如果將這種紅移解釋為一種多普勒頻移，則可進(jìn)而推知天體的退行速度。對(duì)于某些星系，它們到地球的距離可以通過(guò)宇宙距離尺度來(lái)估算出。如果將各個(gè)星系的退行速度和它們到地球的距離一一列出，則可發(fā)現(xiàn)兩者存在一個(gè)線(xiàn)性關(guān)系即哈勃定律：

v=HD,其中:v 是星系或其他遙遠(yuǎn)天體的退行速度；D 是距天體的共動(dòng)固有距離；H 是哈勃常數(shù)，根據(jù)WMAP最近的測(cè)量結(jié)果為70.1 ±1.3千米/秒/秒差距。

宇宙膨脹根據(jù)哈勃定律我們的宇宙圖景有兩種可能：或者我們正處于空間膨脹的正中央，從而所有的星系都在遠(yuǎn)離我們——這與哥白尼原理相違背——或者宇宙的膨脹是各處都相同的。從廣義相對(duì)論推測(cè)出宇宙正在膨脹的假說(shuō)是由亞歷山大·弗里德曼和喬治·勒梅特分別在1922年和1927年各自提出的，都要早于哈勃在1929年所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和分析工作。宇宙膨脹的理論后來(lái)成為了弗里德曼、勒梅特、羅伯遜、沃爾克等人建立大爆炸理論的基石。

大爆炸理論要求哈勃定律在任何情況下都成立，注意這里v、D和H隨著宇宙膨脹都在不斷變化（因此哈勃常數(shù)H實(shí)際是指“當(dāng)前狀態(tài)下的哈勃常數(shù)”）。對(duì)于距離遠(yuǎn)小于可觀測(cè)宇宙尺度的情形，哈勃紅移可以被理解為因退行速度v造成的多普勒頻移，但本質(zhì)上哈勃紅移并不是真正的多普勒頻移，而是在光從遙遠(yuǎn)星系發(fā)出而后被觀測(cè)者接收的這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，宇宙膨脹的結(jié)果。

天文學(xué)上觀測(cè)到的高度均勻分布且各向同性的紅移，以及其他很多觀測(cè)證據(jù)，都支持著宇宙在各個(gè)方向上看起來(lái)都相同這一宇宙學(xué)原理。2000年，人們通過(guò)測(cè)量宇宙微波背景輻射對(duì)遙遠(yuǎn)天體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)所產(chǎn)生的影響，證實(shí)了哥白尼原理，即地球相對(duì)大尺度宇宙來(lái)說(shuō)絕非宇宙的中心。早期宇宙來(lái)自大爆炸的微波背景輻射溫度要顯著高于當(dāng)今的輻射余溫，而幾十億年來(lái)微波背景輻射均勻降溫的事實(shí)只能被解釋為宇宙空間正在進(jìn)行著度規(guī)膨脹，并排除了我們較為接近一個(gè)特殊的爆炸中心的可能。

微波輻射在宇宙誕生的最初幾天里，宇宙處于完全的熱平衡態(tài)，并伴隨有光子的不斷吸收和發(fā)射，從而產(chǎn)生了一個(gè)黑體輻射的頻譜。其后隨著宇宙的膨脹，溫度逐漸降低到光子不能繼續(xù)產(chǎn)生或湮滅，不過(guò)此時(shí)的高溫仍然足以使電子和原子核彼此分離。因而，此時(shí)的光子不斷地被這些自由電子“反射”，這一過(guò)程的本質(zhì)是湯姆孫散射。由于這種散射的持續(xù)存在，早期宇宙對(duì)電磁波是不透明的。當(dāng)溫度繼續(xù)降低到幾千開(kāi)爾文時(shí)，電子和原子核開(kāi)始結(jié)合成原子，這一過(guò)程在宇宙學(xué)中稱(chēng)為復(fù)合。

由于光子被中性原子散射的幾率很小，當(dāng)幾乎所有電子都與原子核發(fā)生復(fù)合之后，光子的電磁輻射與物質(zhì)脫耦。這一時(shí)期大約發(fā)生在大爆炸后三十七萬(wàn)九千年，被稱(chēng)作“最終的散射”時(shí)期。這些光子構(gòu)成了可以被今天人們觀測(cè)到的背景輻射，而觀測(cè)到的背景輻射的漲落圖樣正是這一時(shí)期的早期宇宙的直接寫(xiě)照。隨著宇宙的膨脹，光子的能量因紅移而隨之降低，從而使光子落入了電磁波譜的微波頻段。微波背景輻射被認(rèn)為在宇宙中的任何一點(diǎn)都可被觀測(cè)，并且在各個(gè)方向上都（幾乎）具有相同的能量密度。

1964年，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在使用貝爾實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)微波接收器進(jìn)行診斷性測(cè)量時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的存在。他們的發(fā)現(xiàn)為微波背景輻射的相關(guān)預(yù)言提供了堅(jiān)實(shí)的驗(yàn)證——輻射被觀測(cè)到是各向同性的，并且對(duì)應(yīng)的黑體輻射溫度為3K——并為大爆炸假說(shuō)提供了有力的證據(jù)。彭齊亞斯和威爾遜為這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1989年，NASA發(fā)射了宇宙背景探測(cè)者衛(wèi)星（COBE），并在1990年取得初步測(cè)量結(jié)果，顯示大爆炸理論對(duì)微波背景輻射所做的預(yù)言和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相符合。COBE測(cè)得的微波背景輻射余溫為2。726K，并在1992年首次測(cè)量了微波背景輻射的漲落（各向異性），其結(jié)果顯示這種各向異性在十萬(wàn)分之一的量級(jí)。約翰·馬瑟和喬治·斯穆特因領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)工作而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在接下來(lái)的十年間，微波背景輻射的各向異性被多個(gè)地面探測(cè)器以及氣球?qū)嶒?yàn)進(jìn)一步研究。2000年至2001年間，以毫米波段氣球觀天計(jì)劃為代表的多個(gè)實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量這種各向異性的典型角度大小，發(fā)現(xiàn)宇宙在空間上是近乎平直的。

2003年初，威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP）給出了它的首次探測(cè)結(jié)果，其中包括了在當(dāng)時(shí)人們所能獲得的最精確的某些宇宙學(xué)參數(shù)。航天器的探測(cè)結(jié)果還否定了某些具體的宇宙暴漲模型，但總體而言仍然符合廣義的暴漲理論。

此外，WMAP還證實(shí)了有一片“中微子?！睆浬⒂谡麄€(gè)宇宙，這清晰地說(shuō)明了最早的一批恒星誕生時(shí)曾經(jīng)用了約五億年的時(shí)間才形成所謂宇宙霧，從而開(kāi)始在原本黑暗的宇宙中發(fā)光。2009年5月，普朗克衛(wèi)星作為用于測(cè)量微波背景各向異性的新一代探測(cè)器發(fā)射升空，它被寄希望于能夠?qū)ξ⒉ū尘暗母飨虍愋赃M(jìn)行更精確的測(cè)量，除此之外還有很多基于地面探測(cè)器和氣球的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)也在進(jìn)行中。

原始物質(zhì)豐度采用大爆炸模型可以計(jì)算氦-4、氦-3、氘和鋰-7等輕元素相對(duì)普通氫元素在宇宙中所占含量的比例。所有這些輕元素的豐度都取決于一個(gè)參數(shù)，即早期宇宙中輻射（光子）與物質(zhì)（重子）的比例，而這個(gè)參數(shù)的計(jì)算與微波背景輻射漲落的具體細(xì)節(jié)無(wú)關(guān)。大爆炸理論所推測(cè)的輕元素比例（注意這里是元素的總質(zhì)量之比而非數(shù)量之比）大約為：氦-4/氫= 0。25，氘/氫= 10^-3，氦-3/氫= 10^-4，鋰-7/氫= 10^-7。

將實(shí)際測(cè)量到的各種輕元素豐度和從光子重子比例推算出的理論值兩者比較，可以發(fā)現(xiàn)至少是粗略符合。其中理論值和測(cè)量值符合最好的是氘元素，氦-4的理論值和測(cè)量值接近但仍有差別，鋰-7則是差了兩倍，即對(duì)于后兩種元素的情形存在著明顯的系統(tǒng)隨機(jī)誤差。盡管如此，大爆炸核合成理論所預(yù)言的輕元素豐度與實(shí)際觀測(cè)可以認(rèn)為是基本符合，這是對(duì)大爆炸理論的強(qiáng)有力支持。

因?yàn)榈侥壳盀橹惯€沒(méi)有第二種理論能夠很好地解釋并給出這些輕元素的相對(duì)豐度，而從大爆炸理論所預(yù)言的宇宙中可被“調(diào)控”的氦元素含量也不可能超出或低于現(xiàn)有豐度的20%至30%。事實(shí)上很多觀測(cè)也沒(méi)有除大爆炸以外的理論可以解釋?zhuān)鐬槭裁丛缙谟钪妫丛诤阈切纬芍?，從而?duì)物質(zhì)的研究可以排除恒星核合成的影響）中氦的豐度要高于氘，而氘的含量又要高于氦-3，而且比例又是常數(shù)。

星系演變對(duì)星系和類(lèi)星體的分類(lèi)和分布的詳細(xì)觀測(cè)為大爆炸理論提供了強(qiáng)有力的支持證據(jù)。理論和觀測(cè)結(jié)果共同顯示，最初的一批星系和類(lèi)星體誕生于大爆炸后十億年，從那以后更大的結(jié)構(gòu)如星系團(tuán)和超星系團(tuán)開(kāi)始形成。由于恒星族群不斷衰老和演化，我們所觀測(cè)到的距離遙遠(yuǎn)的星系和那些距離較近的星系非常不同。

此外，即使距離上相近，相對(duì)較晚形成的星系也和那些在大爆炸之后較早形成的星系存在較大差異。這些觀測(cè)結(jié)果都和宇宙的穩(wěn)恒態(tài)理論強(qiáng)烈抵觸，而對(duì)恒星形成、星系和類(lèi)星體分布以及大尺度結(jié)構(gòu)的觀測(cè)則通過(guò)大爆炸理論對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)形成的計(jì)算模擬結(jié)果符合得很好，從而使大爆炸理論的細(xì)節(jié)更趨完善。

其他證據(jù)人們通過(guò)對(duì)哈勃膨脹以及對(duì)微波背景輻射的觀測(cè)，分別估算出了宇宙的年齡。雖然這兩個(gè)結(jié)果彼此曾經(jīng)存在一些矛盾和爭(zhēng)議，但最終還是取得了相當(dāng)程度上的一致：兩者都認(rèn)為宇宙的年齡要稍大于最老的恒星的年齡。兩者的測(cè)量方法都是將恒星演化理論應(yīng)用到球狀星團(tuán)上，并用放射性定年法測(cè)定每一顆第二星族恒星的年齡。

大爆炸理論預(yù)言了微波背景輻射的溫度在過(guò)去曾經(jīng)比現(xiàn)在要高，而對(duì)于位于高紅移區(qū)域（即距離很遠(yuǎn)）的氣體云，通過(guò)觀測(cè)它們對(duì)溫度敏感的發(fā)射譜線(xiàn)已經(jīng)證實(shí)了這個(gè)預(yù)言。這個(gè)預(yù)言也意味著星系團(tuán)中蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應(yīng)的強(qiáng)度與紅移并不直接相關(guān)；這一點(diǎn)從目前觀測(cè)來(lái)看應(yīng)該是近似正確，然而由于蘇尼亞耶夫－澤爾多維奇效應(yīng)的強(qiáng)度還和星系團(tuán)的本身性質(zhì)直接關(guān)聯(lián)，并且星系團(tuán)的性質(zhì)在宇宙學(xué)的時(shí)間尺度上會(huì)發(fā)生根本的變化，因而導(dǎo)致無(wú)法精確檢驗(yàn)這個(gè)猜想的正確性。

宇宙大爆炸的疑點(diǎn)當(dāng)今的科學(xué)家在宇宙學(xué)問(wèn)題上都普遍更青睞大爆炸模型，不過(guò)在歷史上科學(xué)界曾經(jīng)分成兩派，一派是大爆炸模型的支持者，另一派是其他替代宇宙模型的支持者。在宇宙學(xué)的整個(gè)發(fā)展史中，科學(xué)界曾經(jīng)不斷爭(zhēng)論著哪個(gè)宇宙學(xué)模型能夠最符合地描述宇宙學(xué)的觀測(cè)結(jié)果（參見(jiàn)動(dòng)機(jī)和發(fā)展一節(jié)），大爆炸理論的一些問(wèn)題也因此浮出水面。在當(dāng)今的科學(xué)界，支持大爆炸理論是壓倒性的共識(shí)，因此這些曾經(jīng)提出的問(wèn)題很多都已經(jīng)成為了歷史，人們?yōu)榇瞬粩嘈拚屯晟拼蟊ɡ碚撘约矮@取更佳的觀測(cè)結(jié)果，從而一一獲得了這些問(wèn)題的解釋。

大爆炸的核心觀點(diǎn)——包括度規(guī)膨脹、早期高溫態(tài)、氦元素形成、星系形成——都是從獨(dú)立于任何宇宙學(xué)模型的實(shí)際觀測(cè)中推論出的，這些實(shí)際觀測(cè)包括輕元素的豐度、宇宙微波背景輻射、大尺度結(jié)構(gòu)、Ia型超新星的哈勃圖等。而大爆炸理論發(fā)展至今，它的正確性和精確性有賴(lài)于很多奇特的物理現(xiàn)象，這些物理現(xiàn)象或者還沒(méi)有在地面實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到，或者還沒(méi)被納入粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中。

在這些現(xiàn)象中，暗物質(zhì)是當(dāng)前各個(gè)實(shí)驗(yàn)室所研究的最為活躍的主題。雖然暗物質(zhì)理論中至今仍然存在一些未得到解決的細(xì)節(jié)和疑點(diǎn)，諸如星系暈尖點(diǎn)問(wèn)題和冷暗物質(zhì)的矮星系問(wèn)題，但這些疑點(diǎn)的解決只需將來(lái)對(duì)理論做出進(jìn)一步的修正，而不會(huì)對(duì)暗物質(zhì)這一解釋產(chǎn)生顛覆性的影響。暗能量是科學(xué)界另一高度關(guān)注的領(lǐng)域，但至今仍然不清楚將來(lái)是否有可能直接對(duì)暗能量進(jìn)行觀測(cè)。

另一方面，大爆炸模型中的兩個(gè)重要概念：暴漲和重子數(shù)產(chǎn)生，在某種意義上仍然被認(rèn)為是具有猜測(cè)性質(zhì)的。它們雖然能夠解釋早期宇宙的重要性質(zhì)，卻可以被其他解釋所替代而不影響大爆炸理論本身。如何找到這些觀測(cè)現(xiàn)象的正確解釋仍然是當(dāng)今物理學(xué)最大的未解決問(wèn)題之一。

視界問(wèn)題

視界問(wèn)題來(lái)源于任何信息的傳遞速度不可能超過(guò)光速的前提。對(duì)于一個(gè)存在有限時(shí)間的宇宙而言，這個(gè)前提決定了兩個(gè)具有因果聯(lián)系的時(shí)空區(qū)域之間的間隔具有一個(gè)上界，這個(gè)上界被稱(chēng)作粒子視界。從這個(gè)意義上看，所觀測(cè)到的微波背景輻射的各向同性與這個(gè)推論存在矛盾：如果早期宇宙直到“最終的散射”時(shí)期之前一直都被物質(zhì)或輻射主導(dǎo)，那時(shí)的粒子視界將只對(duì)應(yīng)著天空中大約2度的范圍，從而無(wú)法解釋為何在一個(gè)如此廣的范圍內(nèi)都具有相同的輻射溫度以及如此相似的物理性質(zhì)。

對(duì)于這一看似矛盾之處，暴漲理論給出了解決方案，它指出在宇宙誕生極早期（早于重子數(shù)產(chǎn)生）的一段時(shí)間內(nèi)，宇宙被均勻且各向同性的能量標(biāo)量場(chǎng)主導(dǎo)著。在暴漲過(guò)程中，宇宙空間發(fā)生了指數(shù)膨脹，而粒子視界的膨脹速度要遠(yuǎn)比原先預(yù)想的要快，從而導(dǎo)致現(xiàn)在處于可觀測(cè)宇宙兩端的區(qū)域完全處于彼此的粒子視界中。從而，現(xiàn)今觀測(cè)到的微波背景輻射在大尺度上的各向同性是由于在暴漲發(fā)生之前，這些區(qū)域彼此是相互接觸而具有因果聯(lián)系的。

根據(jù)海森堡的不確定性原理，在暴漲時(shí)期宇宙中存著微小的量子熱漲落，隨著暴漲這些漲落被放大到宇觀尺度，這就成為了當(dāng)今宇宙中所有結(jié)構(gòu)的種子。暴漲理論預(yù)言這些原初漲落基本上具有尺度不變性并滿(mǎn)足高斯分布，這已經(jīng)通過(guò)測(cè)量微波背景輻射得到了精確的證實(shí)。如果暴漲的確發(fā)生過(guò)，宇宙空間中的大片區(qū)域?qū)⒁蛑笖?shù)膨脹而完全處于我們可觀測(cè)的視界范圍以外。

平坦性問(wèn)題平坦性問(wèn)題是一個(gè)與弗里德曼－勒梅特－羅伯遜－沃爾克度規(guī)相關(guān)的觀測(cè)問(wèn)題。取決于宇宙的總能量密度是否大于、小于或等于臨界密度，宇宙的空間曲率可以是正的、負(fù)的或?yàn)榱愕?。?dāng)宇宙的能量密度等于臨界密度時(shí)，宇宙空間被認(rèn)為是平坦的。然而問(wèn)題在于，任何一個(gè)偏離臨界密度的微小擾動(dòng)都會(huì)隨著時(shí)間逐漸放大，但至今觀測(cè)到的宇宙仍然是非常平坦的。

如果假設(shè)空間曲率偏離平坦所經(jīng)的時(shí)間尺度為普朗克時(shí)間即10^-43秒，經(jīng)過(guò)幾十億年的演化宇宙將會(huì)進(jìn)入熱寂或大擠壓狀態(tài)，這一矛盾從而需要一個(gè)解釋。事實(shí)上，即使是在太初核合成時(shí)期，宇宙的能量密度也必須在偏離臨界密度不超過(guò)10^-14倍的范圍內(nèi)，否則將不會(huì)形成像我們今天看到的這樣。

暴漲理論對(duì)此給出的解釋為，暴漲時(shí)期空間膨脹的速度如此之快，以至于能夠?qū)a(chǎn)生的任何微小曲率都抹平。現(xiàn)在普遍認(rèn)為暴漲導(dǎo)致了現(xiàn)今宇宙空間的高度平坦性，并且其能量密度非常接近臨界密度值。

磁單極子問(wèn)題關(guān)于磁單極子的反對(duì)意見(jiàn)源于二十世紀(jì)七十年代末，大統(tǒng)一理論預(yù)言了空間中的拓?fù)淙毕輰⒈憩F(xiàn)為磁單極子，這種缺陷在早期高溫宇宙中應(yīng)當(dāng)大量產(chǎn)生，從而導(dǎo)致現(xiàn)今磁單極子的密度應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)大于所能觀測(cè)到的結(jié)果。而非常難以理解的是，至今為止人們從未觀測(cè)到任何磁單極子。解決這一矛盾的理論仍然是暴漲，與抹平空間中的曲率相類(lèi)似，空間呈指數(shù)暴漲也消除了所有拓?fù)淙毕荨?/p>

值得一提的是，外爾曲率假說(shuō)作為暴漲理論的替代理論，同樣能夠解釋視界問(wèn)題、平坦性問(wèn)題和磁單極子問(wèn)題。

重子不對(duì)稱(chēng)性至今人們還不理解為什么宇宙中的物質(zhì)要比反物質(zhì)多：大爆炸理論認(rèn)為高溫的早期宇宙處在統(tǒng)計(jì)平衡態(tài)，具有同樣數(shù)量的重子和反重子；然而觀測(cè)表明，即使是在非常遙遠(yuǎn)的地方，宇宙仍然幾乎由物質(zhì)構(gòu)成。產(chǎn)生這種不對(duì)稱(chēng)性的未知過(guò)程稱(chēng)作重子數(shù)產(chǎn)生，而重子數(shù)產(chǎn)生的條件是所謂Sakharov條件必須滿(mǎn)足。這些條件包括存在一種過(guò)程破壞重子數(shù)守恒、電荷共軛不變性和電荷共軛－空間反演不變性必須被破壞、宇宙偏離熱平衡態(tài)。這三個(gè)條件在標(biāo)準(zhǔn)模型的框架內(nèi)都可得到滿(mǎn)足，然而標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的此種效應(yīng)在數(shù)量上太小，不足以完全解釋重子不對(duì)稱(chēng)性的由來(lái)。

球狀星團(tuán)年齡二十世紀(jì)九十年代中期，人們發(fā)現(xiàn)對(duì)球狀星團(tuán)的觀測(cè)結(jié)果與大爆炸理論出現(xiàn)矛盾：，人們進(jìn)行了和球狀星團(tuán)的星族觀測(cè)相符的計(jì)算機(jī)模擬，其結(jié)果顯示這些球狀星團(tuán)的年齡竟然高達(dá)150億年，這與大爆炸理論所預(yù)言的宇宙的年齡為137億年嚴(yán)重不符。九十年代后期，更完善的計(jì)算機(jī)模擬考慮了恒星風(fēng)引起的質(zhì)量損失效應(yīng)，這一矛盾也基本得到了解決：最新得出的球狀星團(tuán)年齡要比原先的結(jié)果小很多。雖然人們還不確定這種方法測(cè)定的球狀星團(tuán)年齡到底有多精確，但已經(jīng)明確的是它們無(wú)疑是宇宙中最古老的天體之一。

暗物質(zhì)二十世紀(jì)七十至八十年代進(jìn)行的多種觀測(cè)顯示，宇宙中可見(jiàn)的物質(zhì)含量不足以解釋所觀測(cè)到的星系內(nèi)部以及星系之間彼此產(chǎn)生的引力強(qiáng)度。這就導(dǎo)致了科學(xué)家猜測(cè)宇宙中有含量多達(dá)90%的物質(zhì)都屬于不會(huì)輻射電磁波也不會(huì)與普通重子物質(zhì)相互作用的暗物質(zhì)。另一方面，若假設(shè)宇宙中的大多數(shù)物質(zhì)都是普通重子物質(zhì)，所得出的一些預(yù)言也和觀測(cè)結(jié)果強(qiáng)烈矛盾。例如，如果不假設(shè)暗物質(zhì)的存在，將難以解釋為何宇宙中氘的實(shí)際含量要比理論上預(yù)計(jì)的低很多。盡管暗物質(zhì)這一概念在剛提出時(shí)還存在爭(zhēng)議，但有多種觀測(cè)都顯示了它的存在，包括微波背景輻射的各向異性、星系團(tuán)的速度彌散、大尺度結(jié)構(gòu)的分布、對(duì)引力透鏡的研究、對(duì)星系團(tuán)的X射線(xiàn)觀測(cè)等。

如要證實(shí)暗物質(zhì)的存在，需要借助它與其他物質(zhì)的引力相互作用，但至今還沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子。至今物理學(xué)家已經(jīng)提出了多種粒子物理學(xué)理論來(lái)試圖解釋暗物質(zhì)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)上也存在多個(gè)直接實(shí)驗(yàn)觀測(cè)暗物質(zhì)的探測(cè)計(jì)劃。

暗能量對(duì)Ia型超新星紅移－星等之間關(guān)系的測(cè)量揭示了宇宙自現(xiàn)有年齡的一半時(shí)，它的膨脹開(kāi)始加速。如要解釋這種加速膨脹，廣義相對(duì)論要求宇宙中的大部分能量都具有一個(gè)能夠提供負(fù)壓的因子，即所謂“暗能量”。有其他若干證據(jù)顯示暗能量確實(shí)存在：對(duì)微波背景輻射的測(cè)量顯示宇宙空間是近乎平直的，從而宇宙的能量密度需要非常接近臨界密度；然而通過(guò)引力匯聚對(duì)宇宙質(zhì)量密度的測(cè)量表明，宇宙的能量密度只有臨界密度的30%左右。由于暗能量并不像普通質(zhì)量那樣發(fā)生正常的引力匯聚，它是對(duì)那部分“丟失”的能量密度的最好解釋。

此外有兩種對(duì)宇宙總曲率的幾何測(cè)量結(jié)果也要求了暗能量的存在，一種借助了引力透鏡的頻率，另一種則是利用大尺度結(jié)構(gòu)的特征圖樣作為量天尺。負(fù)壓是真空能量的一種性質(zhì)，但暗能量的本性到底是什么仍然是大爆炸理論的最大謎團(tuán)之一。

目前提出的用于解釋暗能量的候選者包括宇宙學(xué)常數(shù)和第五元素。2008年WMAP團(tuán)隊(duì)給出了結(jié)合宇宙微波背景輻射和其他觀測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)果，顯示當(dāng)今的宇宙含有72%的暗能量、23%的暗物質(zhì)、4。6%的常規(guī)物質(zhì)和少于1%的中微子。其中常規(guī)物質(zhì)的能量密度隨著宇宙的膨脹逐漸減少，而暗能量的能量密度卻（幾乎）保持不變。從而宇宙過(guò)去含有的常規(guī)物質(zhì)比例比現(xiàn)在要高，而在未來(lái)暗能量的比例則會(huì)進(jìn)一步升高。

在ΛCDM這一當(dāng)前大爆炸理論的最佳模型中，暗能量被解釋為廣義相對(duì)論中的宇宙學(xué)常數(shù)。然而，基于廣義相對(duì)論并能夠合理解釋暗能量的宇宙學(xué)常數(shù)值，即使與基于量子引力觀點(diǎn)的不成熟估算值比起來(lái)仍然令人驚訝地小。在宇宙學(xué)常數(shù)以及其他解釋暗能量的替代理論之間做出比較和選擇是當(dāng)前大爆炸研究領(lǐng)域中活躍的課題之一。

大爆炸宇宙的未來(lái)在發(fā)現(xiàn)暗能量之前，宇宙學(xué)家認(rèn)為宇宙的未來(lái)存在有兩種圖景：如果宇宙能量密度超過(guò)臨界密度，宇宙會(huì)在膨脹到最大體積之后坍縮，在坍縮過(guò)程中，宇宙的密度和溫度都會(huì)再次升高，最后終結(jié)于同爆炸開(kāi)始相似的狀態(tài)——即大擠壓；相反，如果宇宙能量密度等于或者小于臨界密度，膨脹會(huì)逐漸減速，但永遠(yuǎn)不會(huì)停止。

恒星形成會(huì)因各個(gè)星系中的星際氣體都被逐漸消耗而最終停止；恒星演化最終導(dǎo)致只剩下白矮星、中子星和黑洞。相當(dāng)緩慢地，這些致密星體彼此的碰撞會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量聚集而陸續(xù)產(chǎn)生更大的黑洞。宇宙的平均溫度會(huì)漸近地趨于絕對(duì)零度，從而達(dá)到所謂大凍結(jié)。此外，倘若質(zhì)子真像標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的那樣是不穩(wěn)定的，重子物質(zhì)最終也會(huì)全部消失，宇宙中只留下輻射和黑洞，而最終黑洞也會(huì)因霍金輻射而全部蒸發(fā)。宇宙的熵會(huì)增加到極點(diǎn)，以致于再也不會(huì)有自組織的能量形式產(chǎn)生，最終宇宙達(dá)到熱寂狀態(tài)。

現(xiàn)代觀測(cè)發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹之后，人們意識(shí)到現(xiàn)今可觀測(cè)的宇宙越來(lái)越多的部分將膨脹到我們的事件視界以外而同我們失去聯(lián)系，這一效應(yīng)的最終結(jié)果還不清楚。在ΛCDM模型中，暗能量以宇宙學(xué)常數(shù)的形式存在，這個(gè)理論認(rèn)為只有諸如星系等引力束縛系統(tǒng)的物質(zhì)會(huì)聚集，并隨著宇宙的膨脹和冷卻它們也會(huì)到達(dá)熱寂。對(duì)暗能量的其他解釋?zhuān)缁糜澳芰坷碚搫t認(rèn)為最終星系群、恒星、行星、原子、原子核以及所有物質(zhì)都會(huì)在一直持續(xù)下去的膨脹中被撕開(kāi)，即所謂大撕裂。

關(guān)于宇宙誕生的其他理論雖然在宇宙學(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。彭羅斯－霍金奇點(diǎn)定理表明，在宇宙時(shí)間的開(kāi)端必然存在一個(gè)奇點(diǎn)。但是，這些理論都是在廣義相對(duì)論正確的前提下才成立，而廣義相對(duì)論在宇宙達(dá)到普朗克溫度之前必須失效，而一個(gè)可能存在的量子引力理論則有希望避免產(chǎn)生奇點(diǎn)。