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宇宙大爆炸理论是现代宇宙学的核心理论，描述了宇宙从约138亿年前的一个极高温、极高密度的奇点开始膨胀演化的过程。哈勃在1929年发现了著名的哈勃定律，即星系的退行速度与其距离成正比，这为宇宙膨胀提供了直接证据。宇宙演化经历了多个关键阶段，从普朗克时代的量子引力效应，到暴胀时期的指数膨胀，再到核合成时期轻元素的形成，最后到复合时期中性原子的产生和宇宙微波背景辐射的释放。
弗里德曼方程是宇宙学中最重要的方程之一，它描述了宇宙尺度因子随时间的演化规律。方程左边是哈勃参数的平方，表示宇宙膨胀率。右边第一项代表物质和能量的引力效应，第二项是空间曲率的贡献，第三项是宇宙学常数项。根据宇宙的总密度与临界密度的比较，可以确定宇宙的几何结构：密度小于临界值时宇宙是开放的，等于临界值时是平坦的，大于临界值时是封闭的。这三种模型对应着不同的演化轨迹和最终命运。
宇宙演化可以分为几个关键阶段。普朗克时代是宇宙最初的10的负43次方秒，此时温度高达10的32次方开尔文，量子引力效应占主导。接下来是暴胀时期，宇宙经历指数膨胀，尺度因子按指数规律增长。夸克时代时，温度降至10的12次方开尔文，夸克开始禁闭形成质子和中子。大爆炸后约3分钟开始核合成时期，轻元素如氢、氦开始形成。最重要的是复合时期，发生在大爆炸后38万年，此时电子与原子核结合形成中性原子，宇宙变得透明，宇宙微波背景辐射得以释放。在物质主导时期，宇宙尺度因子按时间的三分之二次方增长。
黑洞是宇宙中最神秘的天体之一，它们是时空中引力极强的区域，连光都无法逃脱。史瓦西半径定义了事件视界的位置，等于2GM除以c的平方，这是黑洞的边界。当物体的逃逸速度达到光速时，就形成了事件视界。根据黑洞的性质，可以分为四种类型：史瓦西黑洞既不旋转也不带电，雷斯纳-诺德斯特伦黑洞带有电荷，克尔黑洞具有角动量会旋转，而克尔-纽曼黑洞既旋转又带电。黑洞中心存在奇点，那里的密度无穷大，时空曲率发散，我们的物理定律在那里失效。
黑洞无毛理论是黑洞物理学中的一个重要概念，它指出黑洞只能由三个基本参数完全描述：质量M决定黑洞的引力强度和史瓦西半径，电荷Q产生电磁场，角动量J描述黑洞的旋转。克尔-纽曼度规是描述一般黑洞时空几何的数学表达式。无毛理论的核心观点是，无论什么样的物质坍缩形成黑洞，最终的黑洞都会丢失所有其他信息，包括物质的类型、内部结构等细节，只保留这三个守恒量。这意味着具有相同质量、电荷和角动量的黑洞在外部观察者看来是完全相同的，这就是黑洞的唯一性定理。