神譯局是36氪旗下編譯團隊，關(guān)注科技、商業(yè)、職場、生活等領(lǐng)域，重點介紹國外的新技術(shù)、新觀點、新風向。

編者按：傳統(tǒng)觀念認為，宇宙起源于一個奇點，通過大爆炸形成了現(xiàn)在的宇宙。但也許事實并非如此。大爆炸確實發(fā)生在很久以前，但它并不是我們曾經(jīng)想象的“開始”。宇宙始于一段時間的宇宙膨脹，它將宇宙拉伸到巨大的尺度，具有統(tǒng)一的屬性和空間平坦性。膨脹的結(jié)束意味著大爆炸的開始。除非我們等到發(fā)現(xiàn)如何從宇宙中提取更多信息的那一天到來，否則我們別無選擇，只能面對我們的無知。本文來自編譯，希望對您有所啟發(fā)。

宇宙并非始于奇點，而是始于一段時間的宇宙膨脹，它將宇宙拉伸到巨大的尺度，具有統(tǒng)一的屬性和空間平坦性。膨脹的結(jié)束意味著大爆炸的開始。(Credit: Nicole Rager Fuller/National Science Foundation)

我們看到的這一切從何而來？在我們觀察的每一個方向，都能發(fā)現(xiàn)恒星、星系、氣體云和塵埃云、稀薄的等離子體，以及跨越波長范圍的輻射：從無線電到紅外線、可見光到伽馬射線。無論我們從哪里觀察宇宙，無論我們?nèi)绾斡^察宇宙，宇宙中每時每刻都充滿了物質(zhì)和能量。然而，我們很自然地認為這一切都來自某個地方。如果你想知道宇宙起源問題的答案，你必須向宇宙本身提出這個問題，并傾聽它告訴你什么，以找到答案。

如今，我們看到的宇宙正在膨脹、稀薄(密度變低)和冷卻。我們很容易地預測，宇宙未來會變得更大、密度更小、溫度更低。而且物理定律告訴我們，很久以前，宇宙可能更小，密度更大，溫度更高。這種推斷可以追溯到多久以前？從數(shù)學上講，我們很想盡可能地去研究，回到尺寸無窮小、密度無限大和溫度無限高的狀態(tài)，或者我們所知道的奇點。這種關(guān)于空間、時間和宇宙的單一開端的觀點，長期以來被稱為大爆炸。

但在物理上，當我們足夠近距離觀察時，我們發(fā)現(xiàn)宇宙的起源是另一個不同的故事。這就是為什么我們?nèi)缃裰懒?，大爆炸不再是宇宙的開始。

對愛因斯坦的廣義相對論進行了無數(shù)的科學測試，使這一理論受到了一些最嚴格的限制。愛因斯坦的第一個解是關(guān)于單一質(zhì)量的弱場極限，比如太陽。他將這些結(jié)果應(yīng)用到我們的太陽系，取得了巨大的成功。很快，我們就找到了一些精確的解決方法。(資料來源:LIGO scientific collaboration, T. Pyle, Caltech/MIT)

像大多數(shù)科學故事一樣，大爆炸的起源在理論和實驗/觀測領(lǐng)域都有共同的根源。在理論方面，愛因斯坦在1915年提出了他的廣義相對論，一個新穎的引力理論，試圖推翻牛頓的皇冠上的寶石，即萬有引力理論。盡管愛因斯坦的理論要復雜得多，但沒過多久就找到了第一個精確解。

（1）1916年，卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild) 通過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解，這個解表明，如果將大量物質(zhì)集中于空間一點，其周圍會產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，即在質(zhì)點周圍存在一個界面——“視界”一旦進入這個界面，即使光也無法逃脫。這種“不可思議的天體”被美國物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒（John Archibald Wheeler）命名為“黑洞”。

（2）1917年，威廉·德西特(Willem de Sitter)證明了即使沒有物質(zhì)，只要有宇宙常數(shù)，也可以找到一個時空解。盡管當時沒有明確的觀測證據(jù)表明宇宙在膨脹，德西特證明了廣義相對論所支持的宇宙模型，能夠預言膨脹的宇宙。

（3）從1916年到1921年，四個研究人員獨立地找到了里斯納-諾德斯特倫解，描述了帶電球?qū)ΨQ質(zhì)量的時空。

（4）1921年，愛德華·卡斯納(Edward Kasner)找到了一個解，它描述了一個無物質(zhì)和無輻射的宇宙，它是各向異性的，即在不同的方向上是不同的。

（5）1922年，亞歷山大·弗里德曼(Alexander Friedmann)發(fā)現(xiàn)了一個各向同性和均勻宇宙的解，在這個宇宙中，任何和所有類型的能量，包括物質(zhì)和輻射，都存在。

從宇宙大爆炸到現(xiàn)在，在宇宙膨脹的背景下，對我們宇宙歷史的說明。第一個弗里德曼方程描述了所有這些時代，從膨脹到大爆炸，到現(xiàn)在和遙遠的未來，即使在今天，也非常準確。(資料來源：美國宇航局/WMAP科學團隊)

最后一個非常引人注目，原因有兩個。第一，它似乎在最大的尺度上描述了我們的宇宙，那里的事物看起來都是相似的，平均而言，包括所有地方和所有方向。第二，如果你解出這個解的控制方程——弗里德曼方程——你會發(fā)現(xiàn)它所描述的宇宙不是靜態(tài)的，而是要么膨脹要么收縮的。

后一個事實被許多人承認，甚至包括愛因斯坦，但直到觀測證據(jù)開始證實這一點，它才被特別重視。在20世紀10年代，天文學家維斯托·斯萊弗(Vesto sliher)開始觀測某些星云，有些人認為它們可能是銀河系以外的星系，并發(fā)現(xiàn)它們移動得很快：比銀河系內(nèi)的任何其他物體都要快得多。此外，它們中的大多數(shù)都在遠離我們，較弱、較小的星云通?？雌饋硪苿拥酶?。

然后，在20世紀20年代，埃德溫·哈勃開始測量這些星云中的單個恒星，并最終確定了它們之間的距離。它們不僅比星系中的任何物體都要遠得多，而且距離較遠的物體也比距離較近的物體移動得更快。正如勒梅特、羅伯遜、哈勃等人得出的結(jié)論：宇宙正在膨脹。

埃德溫·哈勃最初繪制的星系距離與紅移的對比圖(左)，建立了膨脹的宇宙，與大約70年后的一個更現(xiàn)代的對應(yīng)圖(右)。與觀測和理論一致的是，宇宙正在膨脹。(Credit: E. Hubble; R. Kirshner, PNAS, 2004)

1927年，喬治斯·勒梅特(Georges Lema?tre)第一個認識到這一點。在發(fā)現(xiàn)膨脹之后，他進行了逆向推斷，像所有有能力的數(shù)學家一樣，建立了理論，認為我們可以一直向前追溯，一直到追溯到他稱之為原始原子的地方。起初，他意識到，宇宙是一個熱的、稠密的、迅速膨脹的物質(zhì)和輻射的集合，我們周圍看到的一切都是從這種原始狀態(tài)中產(chǎn)生的。

后來，這一想法又被其他人發(fā)展，并做出了一系列額外的預測。

(1) 我們今天看到的宇宙，比過去更進化了。我們在太空中看得越遠，我們在時間上看得越遠，所以我們在看到的物體應(yīng)該是更年輕的，引力更小的團塊，它們的質(zhì)量也更小。甚至應(yīng)該有一個點，超過這個點就沒有恒星或星系了。

(2) 在某個時刻，輻射非常熱，中性原子無法穩(wěn)定形成，因為輻射會將試圖與之結(jié)合的原子核中的電子踢出去，因此，從那個時候開始，應(yīng)該會有一場剩余的——現(xiàn)在是冰冷而稀疏的——宇宙輻射浴。

(3) 最后，在非常早的時候，它的溫度會非常高，甚至原子核都會被炸開，這意味著在早期，恒星形成前的階段會發(fā)生核聚變：大爆炸核合成。據(jù)此，我們預計在所有恒星形成之前，宇宙中至少有一群輕元素及其同位素。

宇宙膨脹的歷史(Credit: NASA/CXC/M. Weiss)

隨著宇宙的膨脹，這將成為大爆炸的基石。宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)、單個星系以及在這些星系中發(fā)現(xiàn)的恒星群的增長和進化都證實了大爆炸的預言。輕元素及其比率的發(fā)現(xiàn)和測量，包括氫、氘、氦-3、氦-4和鋰-7，不僅告訴我們在恒星形成之前發(fā)生了哪種類型的核聚變，還告訴我們宇宙中存在多少正常物質(zhì)。

根據(jù)所掌握的證據(jù)進行推斷是科學上的巨大成功。發(fā)生在熱大爆炸最初階段的物理現(xiàn)象在宇宙中留下了印記，使我們能夠測試我們的模型、理論，以及從那時起對宇宙的理解。事實上，最早可觀測到的痕跡是宇宙中微子背景，它的效應(yīng)在宇宙微波背景(大爆炸的殘余輻射)和宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)中都能看到。值得注意的是，中微子背景是在宇宙大爆炸的大約1秒內(nèi)到達我們這里的。

如果宇宙中沒有由于物質(zhì)與輻射相互作用而產(chǎn)生的振蕩，那么在星系團中就不會出現(xiàn)依賴于尺度的擺動。這些擺動本身，去掉了非擺動部分(下圖)，依賴于宇宙中微子的影響，這些中微子理論上是由大爆炸產(chǎn)生的。(資料來源：鮑曼等人，《自然物理學》，2019年)

但在可衡量的證據(jù)范圍之外進行推斷是一種危險的游戲，盡管這種游戲很誘人。畢竟，如果我們能將大爆炸追溯到138億年前，一直到宇宙誕生不到一秒的時候，那么再前進一秒又有什么害處呢？回到那個被預言存在于宇宙0秒時的奇點？

令人驚訝的是，如果你和我一樣，認為“對現(xiàn)實做出毫無根據(jù)的、錯誤的假設(shè)”是有害的，那么答案是：這會造成巨大的傷害。這是有問題的，因為從一個奇點開始——任意高溫，任意高密度，任意小體積——將對我們的宇宙產(chǎn)生不一定由觀測支持的結(jié)果。

例如，如果宇宙是從一個奇點開始的，那么它一定是在“物質(zhì)”(物質(zhì)和能量的結(jié)合)達到正確平衡的情況下突然出現(xiàn)的，以精確地平衡膨脹率。如果物質(zhì)有一點點多，最初膨脹的宇宙現(xiàn)在就已經(jīng)坍縮了；如果有一點點少，物質(zhì)就會迅速膨脹，宇宙就會比現(xiàn)在大得多。

如果宇宙的密度稍微高一點(紅色)，它就已經(jīng)坍縮了；如果它的密度稍微低一點，它就會膨脹得更快，變得更大。大爆炸本身無法解釋為什么宇宙誕生時的初始膨脹率如此完美地平衡了總能量密度，完全沒有空間彎曲的余地。(資料來源：內(nèi)德·賴特的宇宙學教程)

然而，相反，我們所觀察到的是宇宙的初始膨脹率和宇宙中物質(zhì)和能量的總量達到了我們所能測量到的完美平衡。

為什么？

如果大爆炸起源于奇點，我們無法解釋；我們只需要斷言“宇宙就是這樣誕生的”，或者，就像不知道Lady Gaga的物理學家所說的那樣，是“初始條件”。

類似地，一個達到任意高溫的宇宙應(yīng)該會有剩余的高能物質(zhì)，比如磁單極子；我們觀察到?jīng)]有。我們可以預料到，在那些因因果關(guān)系而互不相連的區(qū)域(即在我們的觀測極限下，在空間中相反的方向)會有不同的溫度，然而，我們觀測到宇宙各處的溫度都是相同的，精度達到99.99%+。

我們總是可以自由地訴諸初始條件來解釋任何事情，然后說"宇宙就是這樣誕生的，就是這樣"但作為科學家，我們更感興趣的是，能否對我們觀察到的特性做出解釋。

在上圖中，我們的現(xiàn)代宇宙到處都有相同的屬性(包括溫度)，因為它們起源于一個具有相同屬性的區(qū)域。(Massachusetts Institute of Technology)麻省理工學院(MIT)的科學家阿倫·固斯(Alan Guth)提出，早期宇宙可能存在過一個非?？焖倥蛎浀臅r期。這種膨脹叫做"暴漲"，意指宇宙在一段時間里，不像現(xiàn)在這樣以減少的、而是以增加的速率膨脹。按照固斯理論，宇宙大爆炸之后的一瞬間，時空在不到10秒的時間里迅速膨脹了10倍(資料來源:E. Siegel/Beyond the Galaxy)

這正是宇宙膨脹帶給我們的，還有更多。宇宙暴漲理論認為，當然，可以將大爆炸推回到一個非常早期，非常熱，非常密集，非常均勻的狀態(tài)，但在回到奇點之前，請先停下來。如果你想讓宇宙的膨脹率和其中的物質(zhì)和能量總量保持平衡，你就需要某種方式來建立這種平衡。對于各處溫度相同的情況也是一樣。稍微不同的是，如果你想避免高能量的遺跡，你需要一些方法來消除任何已經(jīng)存在的遺跡，然后通過防止宇宙再次變得太熱來避免產(chǎn)生新的遺跡。

暴漲理論通過假設(shè)在大爆炸之前的一個時期來做到這一點，在這個時期，宇宙由一個大的宇宙常數(shù)(或一些行為類似的東西)主導：德西特早在1917年就找到了相同的解。這一階段將宇宙拉平，使其處處具有相同的性質(zhì)，消除了任何已存在的高能量遺跡，并通過限制膨脹結(jié)束和熱大爆炸之后達到的最高溫度，阻止我們產(chǎn)生新的高能量遺跡。此外，通過假設(shè)在膨脹期間存在量子漲落并在整個宇宙中延伸，它對宇宙開始時的不完美類型做出了新的預測。

暴漲期間發(fā)生的量子漲落在宇宙中被拉伸，當暴漲結(jié)束時，它們變成密度漲落。隨著時間的推移，這導致了今天宇宙中的大尺度結(jié)構(gòu)，以及CMB中觀測到的溫度波動。像這樣的新預測對于證明所提出的微調(diào)機制的有效性至關(guān)重要。(來源:E·西格爾；歐洲航天局/普朗克和美國能源部/美國宇航局/美國國家科學基金會宇宙微波背景輻射研究機構(gòu)間工作組)

自上世紀80年代提出假說以來，暴漲理論已經(jīng)通過各種方式驗證了另一種假說：宇宙是從奇點開始的。當我們把記分卡疊起來的時候，我們發(fā)現(xiàn)了以下內(nèi)容。

（1）暴漲理論再現(xiàn)了熱大爆炸的所有成功，沒有什么是大爆炸不能解釋的。

（2）暴漲理論成功地解釋了熱大爆炸的“初始條件”。

（3）對于暴漲和無暴漲的熱大爆炸的不同預測，其中四種已經(jīng)經(jīng)過了足夠精確的測試，可以區(qū)分兩者。在這四個方面，暴漲理論是4比4，而熱大爆炸是0比4。

但如果我們回頭看看我們的“開始”概念，真的很有趣。然而，一個有物質(zhì)和/或輻射的宇宙——我們從熱大爆炸中得到的——總是可以推斷出奇點，而暴漲理論下的宇宙則不能。由于它的指數(shù)性質(zhì)，即使你把時鐘倒轉(zhuǎn)無限長的時間，空間也只會接近無窮小的大小、無限的溫度和密度；它永遠也到不了那里。這意味著，除了不可避免地導致奇點之外，暴漲本身絕對不能讓你達到奇點?！坝钪嫫鹪从谝粋€奇點，這就是宇宙大爆炸”的觀點，在我們認識到一個膨脹階段先于我們今天所處的那個炎熱、稠密、充滿物質(zhì)和輻射的階段時，就需要拋棄了。

藍線和紅線代表“傳統(tǒng)的”大爆炸場景，所有事物都始于時間t=0，包括時空本身。但在暴漲的情況下(黃色)，我們永遠不會到達奇點，也就是空間進入奇異狀態(tài)；相反，它只能在過去變得任意小一點，而時間則繼續(xù)永遠向后走。只有暴漲結(jié)束后的最后一秒，才會在我們今天可觀測的宇宙中留下印記。(Credit: E. Siegel)

這幅新圖像為我們提供了關(guān)于宇宙起源的三條重要信息，這與我們大多數(shù)人所了解的傳統(tǒng)故事不同。首先，熱大爆炸最初的概念是不正確的。在這個概念中，宇宙誕生于一個無限熱、密度極高的小奇點，并一直在膨脹和冷卻，此后充滿了物質(zhì)和輻射。這幅圖在很大程度上仍然是正確的，但對于我們能推斷出的時間有一個截點。

第二，在大爆炸之前發(fā)生的狀態(tài)已經(jīng)被觀測到：宇宙膨脹。早期的宇宙，在大爆炸之前，經(jīng)歷了一個指數(shù)增長的階段，在這個階段，宇宙中任何預先存在的成分都被“膨脹走了”。當暴漲結(jié)束時，宇宙重新升溫到一個很高的溫度，但不是任意高的溫度，這形成了炎熱，稠密，膨脹的宇宙，形成了我們今天所認識的早期宇宙狀態(tài)。

最后，也許也是最重要的是，我們不能再以任何知識或信心，談?wù)撚钪姹旧硎侨绾伍_始的。根據(jù)暴漲的本質(zhì)，它會抹去在最后時刻之前的任何信息，也就是它結(jié)束并引發(fā)我們的大爆炸的地方。暴漲可能會持續(xù)很長時間，也可能在此之前有其他非奇異階段，也可能在此之前有一個從奇點中出現(xiàn)的階段。除非我們等到發(fā)現(xiàn)如何從宇宙中提取更多信息的那一天到來，否則我們別無選擇，只能面對我們的無知。大爆炸仍然發(fā)生在很久以前，但它并不是我們曾經(jīng)想象的“開始”。

譯者：Jane