“大爆炸”理論是宇宙起源的主導理論。從本質上講，該理論認為宇宙源自一個初始點（initial point）或奇點（singularity），經過數十億年的膨脹形成了我們現在所知的宇宙。

宇宙膨脹的早期發現

1922年，俄羅斯宇宙學家和數學家 Alexander Friedman 發現，從愛因斯坦的廣義相對論場方程的解，得出了宇宙膨脹的結論。

作為一個靜態的，永恆的宇宙的信奉者，愛因斯坦在他的方程中加入了一個宇宙常數，“糾正”了這個“錯誤”，從而消除了膨脹。他後來稱這是他一生中最大的錯誤。

事實上，已經有觀測證據支援宇宙在膨脹。

1912年，美國天文學家 Vesto Slipher 觀測到一個螺旋狀星系（spiral galaxy）---- 當時被認為是一個“螺旋狀星雲”（spiral nebula），因為天文學家尚不知道銀河系之外還有星系 ---- 並記錄了它的紅移（redshift）。

紅移（redshift）在物理學和天文學領域，指物體的電磁輻射由於某種原因波長增加的現象，在可見光波段，表現為光譜的譜線朝紅端移動了一段距離，即波長變長、頻率降低。

他觀察到所有這些星雲都在遠離地球。這些結果在當時頗具爭議，其全部含義並未得到重視。

1924年，天文學家 Edwin Hubble [埃德溫-哈勃] 測量到這些“星雲”的距離，發現它們太遠了，實際上它們並不是銀河系的一部分。他發現銀河系只是眾多星系中的一個，而這些“星雲”（nebulae）本身就是星系（galaxies）。

“大爆炸”的誕生

1927年，羅馬天主教神父、物理學家 Georges Lemaitre 獨立計算了弗裡德曼解（Friedman solution），並再次提出宇宙一定在膨脹。

這個理論得到了Hubble [哈勃] 的支援，1929年，他發現星系的距離和該星系光的紅移量之間存在相關性。遙遠的星系在更快地遠離，而這正是 Georges Lemaitre 計算所預測的。

1931年，Lemaitre 進一步發展了他的預測，從時間上往回推算，發現宇宙的物質會在過去有限的時間裡，密度和溫度將達到無窮大。

這意味著宇宙一定是開始於一個非常小，緻密的物質點，稱為“原始原子”（primeval atom）。

Lemaitre 是一位羅馬天主教神父，這一事實引起了一些人的擔憂，因為他提出了一種理論，賦予宇宙一個確定的“創造”時刻。

在1920年代和1930年代，大多數物理學家 ---- 比如 愛因斯坦 ---- 傾向於相信宇宙一直存在。從本質上講，大爆炸理論被許多人視為過於宗教化。

“大爆炸”（Big Bang）與“穩態”（Steady State）

雖然幾種理論曾一度被提出，但只有 Fred Hoyle 的穩態理論（steady-state theory）對 Lemaitre 的理論提供了真正的競爭。

然而正是 Fred Hoyle 在1950年代的一次廣播節目中創造了“大爆炸”（Big Bang）一詞，意圖將其作為對 Lemaitre 理論的嘲諷術語。

穩態理論預測，新物質的產生使得宇宙的密度和溫度隨時間保持不變，即使宇宙在膨脹。

Fred Hoyle 還預測，密度更大的元素是由氫和氦通過恆星核聚變過程形成的，這與穩態理論不同，已被證明是準確的。

George Gamow ---- Alexander Friedman的學生 ---- 是大爆炸理論的主要倡導者。他與同事 Ralph Alpher 和 Robert Herman 一起，預測了宇宙微波背景輻射(CMB)，這種輻射應該作為大爆炸的殘餘存在於整個宇宙中。當原子在重組時期開始形成時，它們使微波輻射(光的一種形式)在宇宙中傳播，George Gamow 預言這種微波輻射在今天仍然可以被觀測到。

爭論一直持續到1965年，當時 Arno Penzias 和 Robert Woodrow Wilson 在貝爾電話實驗室工作時偶然發現了CMB。他們的Dicke 輻射計用於射電天文學和衛星通訊，測得3.5 K的溫度（非常接近於Alpher 和 Herman 預測的5 K）。

從1960年代末和1970年代初，一些穩態物理學的支持者試圖解釋這一發現，同時仍然否認大爆炸理論，但至此十年末，很明顯，宇宙微波背景輻射（CMB）沒有其他合理的解釋。Penzias 和 Wilson 因這一發現獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。

宇宙膨脹

然而，關於大爆炸理論仍然存在某些擔憂。其中之一就是同質性問題。科學家們問:為什麼無論從哪個方向看，宇宙在能量方面看起來都是完全相同?大爆炸理論沒有給早期宇宙達到熱平衡的時間，因此整個宇宙的能量應該存在差異。

1980年，美國物理學家 Alan Guth 正式提出了膨脹理論（inflation theory）來解決這個問題和其他問題。該理論認為，在大爆炸之後的早期，新生的宇宙極快地膨脹，是由“負壓真空能量”的驅動(這可能在某種程度上與當前的暗能量理論有關)。另外，在此後的幾年裡，又有其他人提出了膨脹理論，其概念相似而細節略有不同的。

美國宇航局於2001年啟動的[威爾金森]微波各向異性探測器（WMAP）專案，提供了強有力的證據來支援早期宇宙的膨脹期。這一證據在2006年釋出的三年資料中尤其有力，儘管仍存在一些細微與理論不一致處。2006年諾貝爾物理學獎授予了John C. Mather 和 George Smoot，這兩名WMAP專案的重要工作者。

現存爭議

雖然“大爆炸”理論被絕大多數物理學家所接受，但仍有一些關於它的小問題。然而，最重要的是，理論甚至無法回答的問題：

“大爆炸”之前存在什麼？什麼導致了“大爆炸”？我們的宇宙是唯一的嗎?

這些問題的答案很可能存在於物理學領域之外，但它們仍然令人著迷，而諸如多元宇宙（平行宇宙）假說之類的答案為科學家和非科學家們提供了一個有趣的推測領域...

相關：