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膨胀宇宙
宇宙如何膨胀？
——所有的星系都在离我们远去
导读：
1915年，爱因斯坦发表了他的广义相对论，此后这一直是我们理解宇宙的基础。
按照广义相对论，宇宙只能收缩或者膨胀，不可能稳定不变。
但事实刚好相反：
宇宙正在膨胀。
观测到的宇宙膨胀，在理论计算中其实已经被人提出过了。
宇宙的膨胀始于140亿年前的大爆炸，但在最初几十亿年里，宇宙膨胀的速度是越来越慢的。
但最终，它开始加速膨胀。
这种加速被认为是由暗能量驱动的，这种暗能量起初只占宇宙的一小部分。
但随着物质在宇宙膨胀过程中逐渐稀释，暗能量变得越来越显著。
1、宇宙的膨胀来自超新星的大爆炸
超新星（即大质量恒星）爆炸的概念是1934年由茨维基和巴德提出的。
他们猜测当一些恒星寿命结束时将会塌缩，然后发生爆炸，其亮度可达到十亿甚至百亿个太阳的亮度，巴德和茨维基也观测到了一些超新星。
宇宙中其实有两种不同的超新星：
一种是茨维基最早提出的核塌缩超新星，另一种其爆炸机理不同，现在一般认为是白矮星（质量比较低的恒星比如太阳在燃尽核燃料后就会变成白矮星）从其伴星中吸积（吸积是围绕年轻恒星的星盘入面的碎片渐渐变大,最后形成行星的过程;即是天体通过引力“吸引”和“积累”周围物质的过程。
）物质，到一定程度后再发生核爆炸。
但有趣的是，茨维基和巴德最早观测到的超新星都是后面这种他们所未曾想到过的类型，他们把这种发生爆炸的白矮星称为“Ia型超新星”。
2、如何发现宇宙中的“超新星”？
尽管我们上面超新星非常亮，但放在浩瀚的宇宙之中，也只是微弱的一点。
如何寻找超新星？
这意味着研究团队必须彻查整个天空，来寻找遥远的超新星。
诀窍就在于，比较同样的一小块天空拍摄于不同时间的两张照片。
这一小块天空的大小，就相当于你伸直手臂时看到的指甲盖大小。
第一张照片必须在新月之后拍摄，第二张照片则要在3个星期之后，抢在月光把星光淹没之前拍摄。
接下来，两张照片就可以拿来比对，希望能够从中发现一个小小光点，即CCD图像中的一个像素——这有可能就是遥远星系中爆发了一颗超新星的标志。
只有距离超过可观测宇宙半径1/3的超新星才是可用的，这样做是为了消除近距离星系自身运动而带来的干扰。
3、宇宙膨胀的加速度来自一种未知的暗能量
是什么在加速宇宙膨胀呢？
这种神秘力量被称为暗能量，它向物理学提出了一大挑战，至今无人能够破解这一谜题。
科学家已经提出了若干想法。
宇宙膨胀的这种加速度暗示，在蕴藏于空间结构中的某种未知能量的推动下，宇宙正在分崩离析。
这种所谓的“暗能量”（darkenergy）占据了宇宙成分的绝大部分，含量超过70%。
它的本质仍然是谜，或许是今天的物理学面临的最大谜题。
宇宙的组成部分，除去上文所说的暗能量，还有像我们人类所在的这个星球这样的常规物质之外，还有一个组成部分那就是暗物质。
暗物质是我们大都未知的宇宙中另一个迄今未解的谜题。
与暗能量一样，暗物质也是不可见的。
对于这两样东西，我们只知道它们发挥的作用——一个是推，另一个是拉。
名字前面那个“暗”字，是它们唯一的共同点。
4、超新星爆炸时的“红移”现象说明，星系正在离我们远去
红移现象指的是白矮星爆炸的光在远离我们的时候，其光波长会被拉长，而波长越长，它的颜色就越红。
目前对红移现象的公认解释为：
速度造成红移。
例如：
当一列火车向我们奔驰而来时，它的汽笛声尖锐刺耳，因为火车的高速运动使声波波长被压缩，能量密度增加。
相反，当火车离开我们飞驰而去时，它的汽笛声则低沉幽缓，简称多普勒效应。
光波的红移现象指的是：
物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。
在20实际20年代，世界上最大的天文望远镜投入使用之后，美国天文学家哈勃于1929年确认，遥远的星系均远离我们地球所在的银河系而去。
星系不光在离我们而去，彼此之间也在相互远离，而且距离越远，逃离的速度就越快——这被称为哈勃定律（Hubble’slaw），这也说明宇宙正在膨胀。
5、超新星的爆炸成为宇宙新的“标准烛光”
今年的诺贝尔物理学奖获得者当年认为，他们会测量到宇宙减速膨胀，测量出宇宙膨胀的速度是如何减慢的。
他们采用的方法，从原理上讲，跟60多年前天文学家所用的方法是一样的——那就是给遥远的恒星定位，并测量它们如何运动。
那些光亮变化稳定的恒星中有一个关联：
光变周期越长，亮度就越大。
由于知道了视亮度和真实亮度，就可以计算恒星的距离，因此光变周期成为了计算变星距离的理想手段。
也因此，一种被称为“造父变星”的恒星，成为早期宇宙的“标准烛光”。
所谓标准烛光，指的是人们可以用造父变星来测量视差法无法测量的特大距离。
“造父变星”是亮度有显著变化的恒星
在解释造父变星之前，先来看看什么是变星（variablestar），狭义上指的是“亮度有显著起伏变化”的恒星。
宇宙中，一些恒星在光学波段的物理条件和光学波段以外的电磁辐射有变化，天文学家将其称为变星，如光谱变星、磁变星、红外变星、X射线新星等。
星空中那些亮度随时间而改变的恒星被称为变星。
变星分很多种，光学变星和物理变星。
光学变星因为双星互绕，当其中一个遮蔽到另外一个时，造成观测上的视觉差异，使得观测者认为恒星亮度改变。
物理变星是因为恒星本身内源或者大气状态不稳定，造成亮度改变。
它分为脉动变星和爆炸性变星。
“造父变星”是一类重要的变星的统称
荷兰人古德里克在研究仙王座恒星时，发现其中的一颗名为“仙王座δ”的亮度会有规律地起伏变化，在中国古代将“仙王座δ”称作“造父一”，因此这颗有规律变换光亮的恒星就被称为“造父一”。
而古德里克观察到“造父一”的光度周期（即从最暗变到最亮又回到最暗所需要的时间）是5天9小时，这是一种脉动型变星。
此后人们发现了更多这样的变星，于是就将其中最重要的一类命名为“造父变星”，以最著名的变星成员“造父一”而得名。
结语：
宇宙的加速膨胀是一个惊人的重大发现，因此其发现者获得诺贝尔奖也是意料之中的。
但是，暗能量的本质仍是一个还未解决的问题。
对这一问题的研究，也很可能是未来基础物理学发展的突破口。
所以2011年诺贝尔物理学奖的发现，也只是向科学界揭露了一个95%的成分仍然未知的宇宙。
1996年5月《天文学期刊》收到一份关于揭示暗能量存在的投稿，几十年来，物理学家们一直相信万有引力应该会使宇宙的膨胀速度慢下来。
而同年晚些时候发布的关于一项独立工作的研究表明，实际上宇宙在加速膨胀，这股令宇宙膨胀的力量就是暗能量。
马里兰州巴尔的摩市太空望远镜科学研究所的理论物理学家马里奥·利维奥（MarioLivio）曾用比喻来形容它：
“把我的钥匙抛向空中，地球的引力使这串钥匙向上的速度慢下来并回到我的手中。
”但暗能量却使“钥匙突然直冲天花板。
”
宇宙大爆炸
1.理论设想
宇宙大爆炸
宇宙大爆炸（BigBang）是一种学说，是根据天文观测研究后得到的一种设想。
大约在150亿年前，宇宙所有的物质都高度密集在一点，有着极高的温度，因而发生了巨大的爆炸。
大爆炸以后，物质开始向外大膨胀，就形成了今天我们看到的宇宙。
定义和起源
宇宙大爆炸，简称大爆炸（英文：
BigBang）是描述宇宙诞生初始条件及其后续演化的宇宙学模型，这一模型得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。
宇宙学家通常所指的大爆炸观点为：
宇宙是在过去有限的时间之前，由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的（根据2010年所得到的最佳的观测结果，这些初始状态大约存在发生于133亿年至139亿年前），并经过不断的膨胀到达今天的状态。
比利时牧师、物理学家乔治·勒梅特首先提出了关于宇宙起源的大爆炸理论，但他本人将其称作“原生原子的假说”。
这一模型的框架基于了爱因斯坦的广义相对论，并在场方程的求解上作出了一定的简化（例如空间的均一和各向同性）。
描述这一模型的场方程由苏联物理学家亚历山大·弗里德曼于1922年将广义相对论应用在流体上给出。
1929年，美国物理学家埃德温·哈勃通过观测发现从地球到达遥远星系的距离正比于这些星系的红移，这一膨胀宇宙的观点也在1927年被勒梅特在理论上通过求解弗里德曼方程而提出，这个解后来被称作弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规。
哈勃的观测表明，所有遥远的星系和星团在视线速度上都在远离我们这一观察点，并且距离越远退行视速度越大。
如果当前星系和星团间彼此的距离在不断增大，则说明它们在过去的距离曾经很近。
从这一观点物理学家进一步推测：
在过去宇宙曾经处于一个极高密度且极高温度的状态，在类似条件下大型粒子加速器上所进行的实验结果则有力地支持了这一理论。
然而，由于当前技术原因粒子加速器所能达到的高能范围还十分有限，因而到目前为止，还没有证据能够直接或间接描述膨胀初始的极短时间内的宇宙状态。
从而，大爆炸理论还无法对宇宙的初始状态作出任何描述和解释，事实上它所能描述并解释的是初始状态之后宇宙的演化图景。
当前所观测到的宇宙中轻元素的丰度，和理论所预言的宇宙早期快速膨胀并冷却过程中最初的几分钟内，通过核反应所形成的这些元素的理论丰度值非常接近，定性并定量描述宇宙早期形成的轻元素的丰度的理论被称作太初核合成。
大爆炸一词首先是由英国天文学家弗雷德·霍伊尔所采用的。
霍伊尔是与大爆炸对立的宇宙学模型——稳恒态理论的倡导者，他在1949年3月BBC的一次广播节目中将勒梅特等人的理论称作“这个大爆炸的观点”。
虽然有很多通俗轶事记录霍伊尔这样讲是出于讽刺，但霍伊尔本人明确否认了这一点，他声称这只是为了着重说明这两个模型的显著不同之处。
霍伊尔后来为恒星核合成的研究作出了重要贡献，这是恒星内部通过核反应从轻元素制造出某些重元素的途径。
1964年宇宙微波背景辐射的发现是支持大爆炸确实曾经发生的重要证据，特别是当测得其频谱从而绘制出它的黑体辐射曲线之后，大多数科学家都开始相信大爆炸理论了。
动机和发展
大爆炸理论是通过对宇宙结构的实验观测和理论推导发展而来的。
在实验观测方面，1912年维斯托·斯里弗尔（VestoSlipher）首次测量了一个“旋涡星云”（“旋涡星云”是当时对旋涡星系的旧称法）的多普勒频移，其后他和卡尔·韦海姆·怀兹（CarlWilhelmWirtz）证实了绝大多数类似的星云都在退离地球。
不过斯里弗尔并没有因此联想到这个观测结果对宇宙学的意义，这也是由于在当时，人们就这些“星云”是否是我们的银河系之外的“岛宇宙”这一问题存在着高度争议。
在理论研究方面，1917年爱因斯坦将广义相对论理论应用到整个宇宙，发表了标志着物理宇宙学建立的论文《根据广义相对论对宇宙学所做的考察》。
然而从广义相对论出发建立的宇宙模型不是静态的，这和当时相信静态宇宙的主流观点并不符合，爱因斯坦为此在场方程中加入了一个宇宙学常数来进行修正。
1922年，苏联宇宙学家、数学家亚历山大·弗里德曼假设了宇宙在大尺度上的均匀和各向同性，利用引力场方程推导出描述空间上均一且各向同性的弗里德曼方程，并且在这一组方程中宇宙学常数是可以消掉的。
通过选取合适的状态方程，从弗里德曼方程得到的宇宙模型是在膨胀的。
1924年，埃德温·哈勃对最近的“旋涡星云”距地球的距离进行了测量，其结果证实了它们在银河系之外，本质是其他的星系。
1927年，比利时物理学家、天主教牧师乔治·勒梅特在不了解弗里德曼工作的情况下独立提出了星云后退现象的原因是宇宙的膨胀。
1931年勒梅特进一步指出，宇宙正在进行的膨胀意味着它在时间反演上会发生坍缩，这种情形会一直发生下去直到它不能再坍缩为止，此时宇宙中的所有质量都会集中到一个几何尺寸很小的“原生原子”上，时间和空间的结构就是从这个“原生原子”产生的。
1924年起，哈勃为勒梅特的理论提供了实验条件：
他在威尔逊山天文台利用口径250厘米的胡克望远镜费心建造了一系列天文距离指示仪，这是宇宙距离尺度的前身。
这些仪器使他能够通过观测星系的红移量来推测星系到地球的距离。
他在1929年发现，星系远离地球的速度同它们与地球之间的距离刚好成正比，这就是所谓哈勃定律。
而勒梅特在理论推测，根据宇宙学原理当观测足够大的空间时，没有特殊方向和特殊点，因此哈勃定律说明宇宙在膨胀。
二十世纪三十年代，还出现了一些尝试解释哈勃所观测到现象的非主流宇宙模型，例如米尔恩宇宙、振荡宇宙（最早由弗里德曼提出，后来的主要推广者是阿尔伯特·爱因斯坦和理查德·托尔曼）、弗里茨·兹威基的衰减光子假说。
第二次世界大战以后，宇宙膨胀的观点引出了两种互相对立的可能理论：
一种理论是由勒梅特提出，乔治·伽莫夫支持和完善的大爆炸理论。
伽莫夫提出了太初核合成理论，而他的同事拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼则理论上预言了宇宙微波背景辐射的存在。
另一种理论则是英国天文学家弗雷德·霍伊尔等人提出的稳恒态宇宙模型。
在稳恒态宇宙模型里，新物质在星系远离留下的空间中不断产生，从而宇宙在任何时候看上去都基本不变化。
具有讽刺意味的是，大爆炸理论的名称却是来自霍伊尔提到勒梅特的理论时所用的称呼，他在1949年3月的一期BBC广播节目《物质的特性》（TheNatureofThings）中将勒梅特等人的理论称作“这个大爆炸的观点”。
之后的许多年，这两种理论并立，但射电源计数等一系列观测证据使天平逐渐向大爆炸理论倾斜。
1965年，宇宙微波背景辐射的发现和确认更使绝大多数物理学家都相信：
大爆炸是能描述宇宙起源和演化最好的理论。
现在宇宙物理学的几乎所有研究都与宇宙大爆炸理论有关，或者是它的延伸，或者是进一步解释，例如大爆炸理论的框架下星系如何产生，早期和极早期宇宙的物理定律，以及用大爆炸理论解释新观测结果等。
二十世纪九十年代后期和二十一世纪初，望远镜技术的重大发展和如宇宙背景探测者（COBE）、哈勃太空望远镜（HST）和威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）等空间探测器收集到的大量数据使大爆炸理论又有了新的大突破。
宇宙学家从而可以更为精确地测量大爆炸模型中的各种参数，并从中发现了很多意想不到的结果，比如宇宙的膨胀正在加速。
宇宙大爆炸理论验证了古代思想家直觉
宇宙大爆炸理论告诉我们，宇宙大爆炸伊始，宇宙间只有能量。
这验证了古代思想家们的直觉。
古希腊哲学家柏拉图提出“从一发散”；中国古代《道德经》中认为“一生二，二生三，三生万物。
”这个“一”就是能量。
其后，能量凝聚成基本粒子。
就此，宇宙的演化开始了：
能量→基本粒子→原子、分子→无机界→生物界→人类
介绍
大爆炸年表
通过广义相对论将宇宙的膨胀进行时间反演，则可得出宇宙在过去有限的时间之前曾经处于一个密度和温度都无限高的状态，称之为奇点，奇点的存在意味着广义相对论理论在这里不适用。
而仍然存在争论的问题是，借助广义相对论我们能在多大程度上理解接近奇点的物理学——可以肯定的是不会早于普朗克时期。
宇宙极早期这一高温高密的相态被称作“大爆炸”，这被看作是我们宇宙的诞生时期。
通过观测Ia型超新星来测量宇宙的膨胀，对宇宙微波背景辐射温度涨落的测量，以及对星系之间相关函数的测量，科学家计算出宇宙的年龄大约为137.3±1.2亿年。
这三个独立测算所得到的结果相符，从而为具体描述宇宙所包含物质比例的ΛCDM模型提供了有力证据。
关于大爆炸模型中极早期宇宙的相态问题，至今人们仍充满了猜测。
在大多数常见的模型中，宇宙诞生初期是由均匀且各向同性的高密高温高压物质构成的，并在极早期发生了非常快速的膨胀和冷却。
大约在膨胀进行到10^-37秒时，产生了一种相变使宇宙发生暴涨，在此期间宇宙的膨胀是呈指数增长的。
当暴涨结束后，构成宇宙的物质包括夸克－胶子等离子体，以及其他所有基本粒子。
此时的宇宙仍然非常炽热，以至于粒子都在做着相对论性的高速随机运动，而粒子－反粒子对在此期间也通过碰撞不断地创生和湮灭，从而宇宙中粒子和反粒子的数量是相等的（宇宙中的总重子数为零）。
直到其后的某个时刻，一种未知的违反重子数守恒的反应过程出现，它使夸克和轻子的数量略微超过了反夸克和反轻子的数量——超出范围大约在三千万分之一的量级上，这一过程被称作重子数产生。
这一机制导致了当今宇宙中物质相对于反物质的主导地位。
随着宇宙的膨胀和温度进一步的降低，粒子所具有的能量也普遍逐渐下降。
当能量降低到1太电子伏特（1012eV）时产生了对称破缺，这一相变使基本粒子和基本相互作用形成了当今我们看到的样子。
宇宙诞生的10^-11秒之后，大爆炸模型中猜测的成分就进一步减少了，因为此时的粒子能量已经降低到了高能物理实验所能企及的范围。
10^-6秒之后，夸克和胶子结合形成了诸如质子和中子的重子族，由于夸克的数量要略高于反夸克，重子的数量也要略高于反重子。
此时宇宙的温度已经降低到不足以产生新的质子－反质子对（类似地，也不能产生新的中子－反中子对），从而即刻导致了粒子和反粒子之间的质量湮灭，这使得原有的质子和中子仅有十亿分之一的数量保留下来，而对应的所有反粒子则全部湮灭。
大约在1秒之后，电子和正电子之间也发生了类似的过程。
经过这一系列的湮灭，剩余的质子、中子和电子的速度降低到相对论性以下，而此时的宇宙能量密度的主要贡献来自湮灭产生的大量光子（少部分来自中微子）。
在大爆炸发生的几分钟后，宇宙的温度降低到大约十亿开尔文的量级，密度降低到大约空气密度的水平。
少数质子和所有中子结合，组成氘和氦的原子核，这个过程叫做太初核合成。
而大多数质子没有与中子结合，形成了氢的原子核。
随着宇宙的冷却，宇宙能量密度的主要来自静止质量产生的引力的贡献，并超过原先光子以辐射形式的能量密度。
在大约37.9万年之后，电子和原子核结合成为原子（主要是氢原子），而物质通过脱耦发出辐射并在宇宙空间中相对自由的传播，这个辐射的残迹就形成了今天的宇宙微波背景辐射。
虽然宇宙在大尺度上物质几乎均一分布，但仍存在某些密度稍大的区域，因而在此后相当长的一段时间内这些区域内的物质通过引力作用吸引附近的物质，从而变得密度更大，并形成了气体云、恒星、星系等其他在今天的天文学上可观测的结构。
这一过程的具体细节取决于宇宙中物质的形式和数量，其中形式可能有三种：
冷暗物质、热暗物质和重子物质。
来自WMAP的目前最佳观测结果表明，宇宙中占主导地位的物质形式是冷暗物质，而其他两种物质形式在宇宙中所占比例不超过18%。
另一方面，对Ia型超新星和宇宙微波背景辐射的独立观测表明，当今的宇宙被一种被称作暗能量的未知能量形式主导着，暗能量被认为渗透到空间中的每一个角落。
观测显示，当今宇宙的总能量密度中有72%的部分是以暗能量这一形式存在的。
根据推测，在宇宙非常年轻时暗能量就已经存在，但此时的宇宙尺度很小而物质间彼此距离很近，因而在那时引力的效果显著从而减缓了宇宙的膨胀。
但经过了几十上百亿年的膨胀，不断增长的暗能量开始让宇宙膨胀缓慢加速。
表述暗能量的最简洁方法是在爱因斯坦引力场方程中添加所谓宇宙常数项，但这仍然无法回答暗能量的构成、形成机制等问题，以及与此伴随的一些更基础问题：
例如关于它状态方程的细节，以及它与粒子物理学中标准模型的内在联系，这些未解决的问题仍然有待理论和实验观测的进一步研究。
所有在暴涨时期以后的宇宙演化，都可以用宇宙学中的ΛCDM模型来非常精确地描述，这一模型来自广义相对论和量子力学各自独立的框架。
如前所述，目前还没有广泛支持的模型能够描述大爆炸后大约10^-15秒之内的宇宙，一般认为需要一个统合广义相对论和量子力学的量子引力理论来突破这一难题。
如何才能理解这一极早期宇宙的物理图景是当今物理学的最大未解决问题之一。
粒子及各物质元素形成过程
宇宙最开始，没有物质只有能量，大爆炸后物质由能量转换而来（质能转换E=mcc），当代粒子物理学告诉我们，在足够高的温度下（称为“阈温”），物质粒子可以由光子的碰撞产生出来。
下面是宇宙物质进化的详细过程：
宇宙诞生第1/10000秒（时标），温度达几十万亿开，大于强子和轻子的阈温，光子碰撞产生正反强子和正反轻子，同时其中也有湮灭成光子。
在达到平衡状态时，粒子总数大致于光子总数相等，未经湮灭的强子破碎为“夸克”，此时夸克处于没有任何相护作用的“渐进自由状态”。
宇宙中的粒子品种有：
正反夸克，正反电子，正反中微子。
最后，有十亿分之一的正粒子存留下来；
时标0.01秒温度1000亿开，小于强子阈温大于轻子阈温。
光子产生强子的反应已经停止，强子不再破碎为夸克，质子中子各占一半，但由于正反质子正反中子不断湮灭，强子数量减少。
中子与质子不断相护转化，到1.09秒时，温度100亿开，质子：
中子=76：
24；
时标13.82秒，温度小于30亿开，物质被创造的任务完成。
中子衰变现象出现，衰变成质子加电子加反中微子。
这时质子：
中子=83：
17；
时标3分46秒，温度9亿开，反粒子全部湮灭，光子：
物质粒子=10亿：
1，中子不在衰变，质子：
中子=87：
13（一直到现在）；这时出现了一个非常重要的演化：
由2个质子和2个中子生成1个氦原子核，中子因受核力约束而保存下来。
宇宙进入核合成时代。
（如果没有氦核产生，中子将全部衰变，也没有以后其它的原子核）
时标30万—70万年，温度4000—3000开，能量和物质处于热平衡状态。
开始出现稳定的氢氦原子核，宇宙进入复合时代。
在后期宇宙逐步转变为以物质为主的时代。
（光子随着温度的降低而可以自由穿行，即今天的3开宇宙背景辐射！
）
时标4亿—5亿年，温度100开。
物质粒子开始凝聚，引力逐渐增大，度过“黑暗时代”后，第一批恒星星系形成。
随着第一批恒星的形成，原子在恒星的内部发生了核聚变反应，进而出现了氦，炭、氧、镁，铁等元素原子核。
核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。
（值得注意的是，不同质量的恒星能引发的核聚变程度不同，太阳主要为氢—氦聚变，重一点的会引发炭—氧—镁聚变，再重的会引发下一轮聚变。
总的顺序简略依次为：
氢—氦—炭—氧—镁—硅—铁。
但无论恒星多重，最终的聚变结果只能是铁，恒星内部不能产生比铁更重的原子核！
）
凡是元素周期表上有的（除人造元素外），都是在恒星大炼炉里形成的，铁以后的原子核，只能在超爆中产生。
基本假设
大爆炸理论的建立基于了两个基本假设：
物理定律的普适性和宇宙学原理。
宇宙学原理是指在大尺度上宇宙是均匀且各向同性的。
这些观点起初是作为先验的公理被引入的，但现今已有相关研究工作试图对它们进行验证。
例如对第一个假设而言，已有实验证实在宇宙诞生以来的绝大多数时间内，精细结构常数的相对误差值不会超过10^-5。
此外，通过对太阳系和双星系统的观测，广义相对论已经得到了非常精确的实验验证；而在更广阔的宇宙学尺度上，大爆炸理论在多个方面经验性取得的成功也是对广义相对论的有力支持。
假设从地球上看大尺度宇宙是各向同性的，宇宙学原理可以从一个更简单的哥白尼原理中导出。
哥白尼原理是指不存在一个受偏好的（或者说特别的）观测者或观测位置。
根据对微波背景辐射的观测，宇宙学原理已经被证实在10^-5的量级上成立，而宇宙在大尺度上观测到的均匀性则在10%的量级。
FLRW规度
广义相对论采用度规来描述时空的几何属性，度规能够给出时空中任意两点之间的间隔。
这些点可以是恒星、星系或其他天体，它们在时空中的位置可以用一个遍布整个时空的坐标卡或“网格”来说明。
根据宇宙学原理，在大尺度上度规应当是均匀且各向同性的，唯一符合这一要求的度规叫做弗里德曼－勒梅特－罗伯逊－沃尔克度规（FLRW度规）。
这一度规包含一个含时的尺度因子，它描述了宇宙的尺寸如何随着时间变化，这使得我们可以选择建立一个方便的坐标系即所谓共动坐标系。
在这个坐标系中网格随着宇宙一起膨胀，从而仅由于宇宙膨胀而发生运动的天体将被固定在网格的特定位置上。
虽然这些共动天体两者之间的坐标距离（共动距离）保持不变，它们彼此间实际的物理距离是正比于宇宙的尺度因子而膨胀的。
大爆炸的本质并不是物质的爆炸从而向外扩
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