宇宙的历史与现代宇宙学的发展

如果宇宙从形成之日起就膨胀了，这意味着我们能看到的所有能量，包括物质的能量，在开始的时候都以极其炽热的稠密状态紧紧地挤在一起，并且一直以某种方式膨胀。这在1949年被Fred Hoyle 戏称为“大爆炸”。

在1960年代，大爆炸一直是一个激烈争论的话题，当时争论的焦点是贝尔实验室的两位科学家 Penzias和Wilson意外发现了宇宙微波背景(CMB)。当宇宙冷却到大约3000开尔文时，光开始可以在宇宙中自由传播，这是大爆炸的余晖。今天，宇宙的温度要低得多，约为 2.7 开尔文。

但我没有告诉你的是，现代宇宙学的真正开始甚至发生在哈勃发现银河系外其他星系之前。实际上，宇宙学始于爱因斯坦提出广义相对论。宇宙学中几乎所有的东西都源于这个理论。

如此多的宇宙学归结为解决著名的广义相对论爱因斯坦场方程。在不涉及数学的情况下，让我们直观地感受一下这个等式。方程的左边代表时空曲率，右边包含宇宙的所有物质和能量。这个方程简单地告诉我们，宇宙所有质量和能量的构成，在时空中产生了一个我们将其解释为引力的曲率，而引力反过来影响质量和能量。物理学家约翰·惠勒说得最好：“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。”

有了这个，我们可以简单地将我们花了几个世纪研究的关于物质和曲率的所有信息插入到这个方程中，并获得解释我们宇宙的方程。简而言之，这就是现代宇宙学！

许多宇宙学家并不认为一开始宇宙实际上是无限小的，这很可能只是我们模型极限的一个小故障。如果模型中存在故障，我为什么要相信这些？这是一个合理的担忧。但由于该模型对这个早期时间做出了许多预测，即使在今天我们也可以对其进行测试，因此我们有大量证据支持这样一种观点，即如果我们忽略宇宙无限小的点， 该模型可以完美运行 。所以我们能做的就是让时间回到这个故障发生之前。

随着宇宙继续膨胀并变冷，宇宙迎来了第三阶段，大约发生在 10^-11 秒左右，温度冷却到 10^18开尔文。此时，希格斯场获得了非零势，当基本粒子与该势相互作用时，它们获得了静止质量。随着温度继续下降到大约1万亿开尔文，强力开始了，夸克结合成更大的粒子，但除了质子和中子之外的所有粒子都衰变了。

这种情况在下一个阶段发生了变化。宇宙在380000年的时候，并且温度冷却到大约3000开尔文，这种情况才发生。电子现在可以与质子和氦原子核结合形成中性氢原子和氦原子。在这个阶段，可观测宇宙的大小已经增长到大约 8300万光年。由于电子现在能够被原子核捕获，它们不再干扰光子的自由流动。结果，宇宙从不透明变为透明，这是宇宙的第一道可见光，即使在今天也能看到。它是一种从空间中所有点发出的辐射，称为宇宙微波背景。

但是为了形成星系，宇宙首先需要形成恒星。这最初发生在由氢和氦结合的气体云引力、压力随时间增加时。最终，压力变得如此之大，以至于凝聚的气体球点燃形成一颗恒星，宇宙的黑暗时代结束了，因为我们有来自恒星的光。