宇宙大爆炸的證據(jù)

大爆炸理論最早也最直接的觀測證據(jù)包括從星系紅移觀測到的哈勃膨脹、對宇宙微波背景輻射的精細(xì)測量、宇宙間輕元素的豐度（參見太初核合成），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)。這四種觀測證據(jù)有時(shí)被稱作“大爆炸理論的四大支柱”。
哈勃定律和宇宙膨脹
　　對遙遠(yuǎn)星系和類星體的觀測表明這些天體存在紅移——從這些天體發(fā)出的電磁波波長會變長。通過觀測取得星體的頻譜，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應(yīng)著特定樣式的吸收和發(fā)射譜線，將兩者進(jìn)行比對則可發(fā)現(xiàn)這些譜線都向波長更長的一端移動。這些紅移是均勻且各向同性的，也就是說在觀測者看來任意方向上的天體都會發(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。對于某些星系，它們到地球的距離可以通過宇宙距離尺度來估算出。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是距天體的共動固有距離，H是哈勃常數(shù)，根據(jù)WMAP最近的測量結(jié)果為70.1 ± 1.3 千米/秒/秒差距，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。從廣義相對論推測出宇宙正在膨脹的假說是由亞歷山大·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)觀測和分析工作。宇宙膨脹的理論后來成為了弗里德曼、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)”）。對于距離遠(yuǎn)小于可觀測宇宙尺度的情形，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)上觀測到的高度均勻分布且各向同性的紅移，以及其他很多觀測證據(jù)，都支持著宇宙在各個(gè)方向上看起來都相同這一宇宙學(xué)原理。2000年，人們通過測量宇宙微波背景輻射對遙遠(yuǎn)天體系統(tǒng)的動力學(xué)所產(chǎn)生的影響，證實(shí)了哥白尼原理，即地球相對大尺度宇宙來說絕非宇宙的中心。早期宇宙來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。
宇宙微波背景輻射
　　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，早期宇宙對電磁波是不透明的。當(dāng)溫度繼續(xù)降低到幾千開爾文時(shí)，電子和原子核開始結(jié)合成原子，這一過程在宇宙學(xué)中稱為復(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)生在大爆炸后三十七萬九千年，被稱作“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到的背景輻射，而觀測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，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)室的一臺微波接收器進(jìn)行診斷性測量時(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——輻射被觀測到是各向同性的，并且對應(yīng)的黑體輻射溫度為3K——并為大爆炸假說提供了有力的證據(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)射了宇宙背景探測者衛(wèi)星（COBE），并在1990年取得初步測量結(jié)果，顯示大爆炸理論對微波背景輻射所做的預(yù)言和實(shí)驗(yàn)觀測相符合。COBE測得的微波背景輻射余溫為2.726K，并在1992年首次測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分之一的量級。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)。在接下來的十年間，微波背景輻射的各向異性被多個(gè)地面探測器以及氣球?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)通過測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器（WMAP）給出了它的首次探測結(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“中微子海”彌散于整個(gè)宇宙，這清晰地說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)星作為用于測量微波背景各向異性的新一代探測器發(fā)射升空，它被寄希望于能夠?qū)ξ⒉ū尘暗母飨虍愋赃M(jìn)行更精確的測量，除此之外還有很多基于地面探測器和氣球的觀測實(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)無關(guān)。大爆炸理論所推測的輕元素比例（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。其中理論值和測量值符合最好的是氘元素，氦-4的理論值和測量值接近但仍有差別，鋰-7則是差了兩倍，即對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)際觀測可以認(rèn)為是基本符合，這是對大爆炸理論的強(qiáng)有力支持。因?yàn)榈侥壳盀橹惯€沒有第二種理論能夠很好地解釋并給出這些輕元素的相對豐度，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)上很多觀測也沒有除大爆炸以外的理論可以解釋，例如為什么早期宇宙（即在恒星形成之前，從而對物質(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)。

星系演變和分布
　　對星系和類星體的分類和分布的詳細(xì)觀測為大爆炸理論提供了強(qiáng)有力的支持證據(jù)。理論和觀測結(jié)果共同顯示，最初的一批星系和類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)開始形成。由于恒星族群不斷衰老和演化，我們所觀測到的距離遙遠(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。這些觀測結(jié)果都和宇宙的穩(wěn)恒態(tài)理論強(qiáng)烈抵觸，而對恒星形成、星系和類星體分布以及大尺度結(jié)構(gòu)的觀測則通過大爆炸理論對宇宙結(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。