thumb|Ifølge Big Bang-teorien dannedes universet fra en tilstand med ekstrem tæthed og temperatur (nederst). Siden da har rummet selv udvidet sig med tidens gang og fører galakserne med sig. I den fysiske kosmologi er Big Bang den videnskabelige teori, ifølge hvilken universet udvidede sig fra en tilstand af helt enorm høj tæthed og temperatur for omkring 13,82 milliarder år siden.
Big Bang-teorien baseres på den rødforskydning som ifølge Hubble-Lemaître loven, kan iagttages for fjerne galakser og som sammen med det kosmologiske princip kunne indikere, at rummet udvider sig i overensstemmelse med Friedmann-Lemaître-modellen fra den generelle relativitetsteori. Når man ekstrapolerer denne udvidelse bagud i tid, viser observationerne, at universet må have udvidet sig fra en tilstand, hvor alt stof og al energi i universet havde umådelig temperatur og tæthed. Blandt fysikere er der ikke nogen bredt accepteret teori for, hvad der skete tidligere, omend den generelle relativitetsteori forudsiger en tyngderelateret singularitet.
Udtrykket Big Bang benyttes både i snæver forstand til at referere til det tidspunkt, da den observerede ekspansion af universet ifølge Hubble-Lemaître loven begyndte — beregnet til at være sket for 13,82 milliarder (1,382 × 1010) år siden (± 0,05 milliarder år) — og i mere almen forstand til at referere til det fremherskende kosmologiske paradigme, som forklarer universets oprindelse og ekspansion tillige med dets sammensætning af urstof ved nukleosyntese som forudsagt af Alpher-Bethe-Gamow teorien R. A. Alpher, H. A. Bethe, G. Gamow, "The Origin of Chemical Elements,"Physical Review 73 (1948), 803. .
En konsekvens af Big Bang er, at betingelserne i nutidens univers er forskellige fra de betingelser, som var gældende i en fjern fortid og som vil gælde i en fjern fremtid. Ud fra modellen var George Gamow i 1948 i stand til at forudsige — i det mindste kvalitativt — at der måtte findes en kosmisk baggrundsstråling (CMB — Cosmic Microwave Background Radiation) G. Gamow, Nature 162 (1948), 680. . Den kosmiske baggrundsstråling blev så opdaget i 1964, og gav Big Bang-teorien et overtag over dens vigtigste rivaliserende teori, Steady State-teorien, som hverken har, eller kan udbygges med, en mekanisme, der kan forklare CMB. Tre artikler herom blev i 1965 offentliggjort i Astrophysical Journal 70, 1965 Nov, p. 697 og i Astrophysical Journal Letters142, 1965 Oct, p. 419 og p. 1149 .
Historie Teorien om Big Bang udvikledes fra både observationer og teoretiske betragtninger samt filosofiske overvejelser. Fra observationerne blev det fastslået, at de fleste spiraltåger fjernede sig fra Jorden. De, som foretog disse observationer, var imidlertid hverken klar over de kosmologiske følger heraf, eller over at disse formodede tåger i virkeligheden var galakser uden for Mælkevejen. V. Slipher, afhandling præsenteret for American Astronomical Society, (1915). I 1927 udledte den belgiske astronom og professor i fysik (han var desuden også romersk-katolsk præst) Georges Lemaître selvstændigt, hvad der senere blev kaldt Friedman-Lemaître-Robertson-Walker ligningerne fra Albert Einsteins ligninger for generel relativitet og foreslog på basis af galaksernes voksende spredning, at universet begyndte med "eksplosionen" af et "ur-atom".G. Lemaître, Annals of the Scientific Society of Brussels 47A (1927)..
I 1929 kom astronomen Edwin Hubble med observationer, som gav basis for Lemaîtres teori. Han fremsatte hypotesen, at galakserne (observeret fra Jorden) fjerner sig i enhver retning, med en fart som er direkte proportional med deres afstand fra Jorden. Denne kendsgerning kendes nu som Hubbles lov E. Christianson Edwin Hubble: Mariner of the Nebulae. . Når man tager det kosmologiske princip for givet (ifølge hvilket universet, når det betragtes på tilstrækkelig stor afstandsskala, ikke har nogen foretrukne retninger eller noget foretrukket sted), fulgte det fra Hubbles lov, at universet udvidede sig, hvilket stod i modsætning til det uendelige og uforanderlige statiske univers, som Einstein opererede med.
Denne ide om udvidelse åbnede for to forskellige forklaringer. Den ene var Lemaîtres Big Bang-teori, som George Gamow udviklede og argumenterede for. Den anden mulighed var astronomen Fred Hoyles Steady State-model, ifølge hvilken nyt stof blev skabt i takt med, at galakserne bevægede sig væk fra hinanden. I denne sidste model ser universet nogenlunde ens ud på ethvert tidspunkt. F. Hoyle '"A New Model for the Expanding universe", Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 108 (1948), 372. I virkeligheden var det Hoyle, som var en arg fjende af konkurrerende teorier, som navngav Lemaîtres teori, idet han sarkastisk refererede til den som "denne big bang-ide" under en radioudsendelse fra BBC den 28. marts 1949. Hoyle gentog frasen i yderligere udsendelser i begyndelsen af 1950'erne som led i en serie på fem foredrag med titlen Tingenes natur. Teksten til hvert foredrag offentliggjordes i det britiske radiomagasin The Listener en uge efter hver udsendelse og blev derved stedet, hvor udtrykket "big bang" første gang blev brugt på skrift. . Fred Hoyles foragtelige "this Big Bang idea" endte altså ironisk nok med at navngive teorien.
I en del år var tilhængerne af hver teori nogenlunde ligeligt fordelt, men observationer begyndte at frembringe beviser, som støttede ideen om, at universet kom fra en varm, tæt tilstand. Efter opdagelsen af den kosmiske baggrundsstråling i 1964 anses Big Bang for den bedste teori til at forklare universets oprindelse og udviklingen af kosmos. Bogstavelig talt alle teoretiske arbejder inden for kosmologien drejer sig nu om udvidelser og forfinelser af denne grundlæggende teori. Meget af det aktuelle arbejde i kosmologien drejer sig om at forstå, hvordan galakser dannes inden for rammerne af Big Bang, om at forstå, hvad der skete ved Big Bang, og om at forene alle observationer med den basale teori.
Der skete meget store fremskridt i Big Bang-kosmologien i slutningen af det 20. og begyndelsen af det 21. århundrede, dels som følge af væsentlige forbedringer i teknologien for teleskoper og dels ved indhentning af store mængder data fra satellitter som f.eks. COBE, Hubble-rumteleskopet og WMAP. Med sådanne data har kosmologer med langt større nøjagtighed kunnet beregne mange af de parametre, som indgår i Big Bang, hvilket yderligere har ført til den uventede opdagelse, at universets ekspansion tilsyneladende også accelererer.
Oversigt
Baseret på målinger af universets udvidelse ved observation af supernovaer af typen Ia den "kornede" fordeling af den kosmiske baggrundsstråling korrelationsfunktionen for galakser er universets alder beregnet til 13,82 ± 0.05 milliarder år. Overensstemmelsen mellem disse tre uafhængige målinger anses for at være et stærkt bevis for den såkaldte ΛCDM-model, som beskriver det detaljerede indhold af universet.
Det tidlige univers havde homogent og isotropt en ufattelig høj energitæthed og tilsvarende høj temperatur og tryk. Det udvidede sig, hvorved det afkøledes, og undergik derved faseovergange, som kan sammenlignes med kondensering af damp eller vands overgang til is, når det afkøles, men i universets tilfælde relateret til elementarpartikler. thumb|Universets udvidelse ifølge NASA. Omkring 10-35 sekunder efter Planck-æraen fik en faseovergang universet til at vokse eksponentielt i det tidsrum, der kaldes kosmisk inflation. Da inflationen standsede, fandtes universets materielle bestanddele i form af kvark-gluon plasma (som også inkluderer alle andre partikler — og som muligvis for nylig er produceret eksperimentelt som en kvark-gluon væske ) i hvilken de indgående partikler bevægede sig relativistisk. Temperaturen fortsatte med at falde i takt med universets vækst, og ved en lidt lavere temperatur skete endnu en overgang (som endnu ikke er fuldt forstået), og som kaldes baryogenese, hvor kvarker og gluoner kombineredes til baryoner som protoner og neutroner, hvorved den hidtil uforklarede asymmetri mellem stof og antistof opstod. Endnu lavere temperaturer førte til yderligere symmetribrud ved faseovergange, som skabte de fundamentale fysiske kræfter og elementarpartikler i den form, de har nu. Endnu senere kombineredes protoner og neutroner og dannede universets deuterium- og helium-atomkerner i en proces, som kaldes nukleosyntese. Ved fortsat afkøling nåedes en temperatur, hvor stoffet efterhånden holdt op med at bevæge sig relativistisk, og hvor tætheden af dets hvilemasseenergi begyndte at dominere tyngdekraftmæssigt over den elektromagnetiske stråling. Efter omkring 300.000 år samledes atomkernerne og de frie elektroner til atomer (primært brint). Herved afkobledes forbindelsen mellem stof og stråling (universet blev transparent) og strålingen fortsatte gennem rummet i det store og hele upåvirket af stof — og med en bølgelængde, som efterhånden er strakt ud af den fortsatte udvidelse af universet. Den således frigjorte og udstrakte stråling er den, vi kender som den kosmiske baggrundsstråling.
Som tiden gik, begyndte tyngdetiltrækningen i regioner med en lille ekstra tæthed af det ellers næsten ensartet fordelte stof at tiltrække det nærliggende stof og derved blive endnu tættere, så der efterhånden dannedes gasskyer, stjerner og galakser og de øvrige astronomiske strukturer, som kan observeres nu. Detaljerne i denne proces afhænger af mængden og arten af stof i universet. De tre mulige typer er kendt som koldt mørkt stof, varm mørkt stof og baryonisk stof. De bedste foreliggende målinger (fra WMAP) viser, at den fremherskende form for stof i universet er koldt mørkt stof. De to andre typer udgør mindre end 20% af stoffet i universet.
Det nuværende univers synes at være domineret af en mystisk form for energi, som kendes under navnet mørk energi. Tilnærmelsesvis findes 70% af energitætheden i universet nu i denne form. Denne komponent af universets sammensætning afsløres ved at medføre, at universets udvidelse ifølge Hubbles lov afviger fra en lineær sammenhæng mellem fart og afstand og får rumtiden til at udvide sig hurtigere end forventet på meget store afstande. I sit enkleste udtryk ses mørk energi i form af en kosmologisk konstant i Einsteins feltligninger for den generelle relativitet, men dens sammensætning er ukendt, og i mere generel forstand er detaljerne i dens tilstandsligning og dens indpasning i standardmodellen for partikelfysikken genstand for fortsatte observationsmæssige og teoretiske undersøgelser.
Alle disse observationer er inkorporeret i kosmologiens Lambda-CDM-model (ΛCDM-model), som er en matematisk model af Big Bang med seks frie parametre. Der dukker mysterier op, når man kommer nærmere og nærmere universets begyndelse, hvor partiklernes energi var højere, end det hidtil har været muligt at undersøge eksperimentelt. Der findes ingen overbevisende fysisk model for de første 10-33 sekunder af universets eksistens, dvs. før den faseovergang som forudsættes af den såkaldte GUT-teori. I det "allerførste øjeblik" forudsiger Einsteins tyngdekraftteori en tyngdemæssig singularitet, hvor tæthederne bliver af uendelig størrelse og enhver mulighed for at beskrive tilstanden fysisk er forsvundet.
Kvantemekanikken eliminerer generelt singulariteter, fordi den kvantificerer alt. Gabriele Veneziano har foreslået, at modellen i den generelle relativitetsteori er asymptotisk: eftersom Plancks konstant ikke er nul, kan det tænkes, at der i begyndelsen ikke var en singularitet, men kun en tilstand af uhyre koncentreret energi (som altså ikke var reduceret til et punkt). Stephen Hawking har ud fra kvantemekaniske effekter vist, at universet kunne skabes uden nogen forudgående singularitet. I stedet skulle rumtiden udgøre en slags afrundet geometrisk form.
En løsning af disse fysiske paradokser kræver muligvis en fastlagt teori for kvantetyngdekraft, og at forstå denne periode i universets historie er et af det største uløste problemer i fysikken.
Teoretisk støtte