编者按：传统观念认为，宇宙起源于一个奇点，通过大爆炸形成了现在的宇宙。但也许事实并非如此。大爆炸确实发生在很久以前，但它并不是我们曾经想象的“开始”。宇宙始于一段时间的宇宙膨胀，它将宇宙拉伸到巨大的尺度，具有统一的属性和空间平坦性。膨胀的结束意味着大爆炸的开始。除非我们等到发现如何从宇宙中提取更多信息的那一天到来，否则我们别无选择，只能面对我们的无知。本文来自编译，希望对您有所启发。

宇宙并非始于奇点，而是始于一段时间的宇宙膨胀，它将宇宙拉伸到巨大的尺度，具有统一的属性和空间平坦性。膨胀的结束意味着大爆炸的开始。(Credit: Nicole Rager Fuller/National Science Foundation)

我们看到的这一切从何而来？在我们观察的每一个方向，都能发现恒星、星系、气体云和尘埃云、稀薄的等离子体，以及跨越波长范围的辐射：从无线电到红外线、可见光到伽马射线。无论我们从哪里观察宇宙，无论我们如何观察宇宙，宇宙中每时每刻都充满了物质和能量。然而，我们很自然地认为这一切都来自某个地方。如果你想知道宇宙起源问题的答案，你必须向宇宙本身提出这个问题，并倾听它告诉你什么，以找到答案。

如今，我们看到的宇宙正在膨胀、稀薄(密度变低)和冷却。我们很容易地预测，宇宙未来会变得更大、密度更小、温度更低。而且物理定律告诉我们，很久以前，宇宙可能更小，密度更大，温度更高。这种推断可以追溯到多久以前？从数学上讲，我们很想尽可能地去研究，回到尺寸无穷小、密度无限大和温度无限高的状态，或者我们所知道的奇点。这种关于空间、时间和宇宙的单一开端的观点，长期以来被称为大爆炸。

但在物理上，当我们足够近距离观察时，我们发现宇宙的起源是另一个不同的故事。这就是为什么我们如今知道了，大爆炸不再是宇宙的开始。

对爱因斯坦的广义相对论进行了无数的科学测试，使这一理论受到了一些最严格的限制。爱因斯坦的第一个解是关于单一质量的弱场极限，比如太阳。他将这些结果应用到我们的太阳系，取得了巨大的成功。很快，我们就找到了一些精确的解决方法。(资料来源:LIGO scientific collaboration, T. Pyle, Caltech/MIT)

像大多数科学故事一样，大爆炸的起源在理论和实验/观测领域都有共同的根源。在理论方面，爱因斯坦在1915年提出了他的广义相对论，一个新颖的引力理论，试图推翻牛顿的皇冠上的宝石，即万有引力理论。尽管爱因斯坦的理论要复杂得多，但没过多久就找到了第一个精确解。

（1）1916年，卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild) 通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解，这个解表明，如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇异的现象，即在质点周围存在一个界面——“视界”一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）命名为“黑洞”。

（2）1917年，威廉·德西特(Willem de Sitter)证明了即使没有物质，只要有宇宙常数，也可以找到一个时空解。尽管当时没有明确的观测证据表明宇宙在膨胀，德西特证明了广义相对论所支持的宇宙模型，能够预言膨胀的宇宙。

（3）从1916年到1921年，四个研究人员独立地找到了里斯纳-诺德斯特伦解，描述了带电球对称质量的时空。

（4）1921年，爱德华·卡斯纳(Edward Kasner)找到了一个解，它描述了一个无物质和无辐射的宇宙，它是各向异性的，即在不同的方向上是不同的。

（5）1922年，亚历山大·弗里德曼(Alexander Friedmann)发现了一个各向同性和均匀宇宙的解，在这个宇宙中，任何和所有类型的能量，包括物质和辐射，都存在。

从宇宙大爆炸到现在，在宇宙膨胀的背景下，对我们宇宙历史的说明。第一个弗里德曼方程描述了所有这些时代，从膨胀到大爆炸，到现在和遥远的未来，即使在今天，也非常准确。(资料来源：美国宇航局/WMAP科学团队)

最后一个非常引人注目，原因有两个。第一，它似乎在最大的尺度上描述了我们的宇宙，那里的事物看起来都是相似的，平均而言，包括所有地方和所有方向。第二，如果你解出这个解的控制方程——弗里德曼方程——你会发现它所描述的宇宙不是静态的，而是要么膨胀要么收缩的。

后一个事实被许多人承认，甚至包括爱因斯坦，但直到观测证据开始证实这一点，它才被特别重视。在20世纪10年代，天文学家维斯托·斯莱弗(Vesto sliher)开始观测某些星云，有些人认为它们可能是银河系以外的星系，并发现它们移动得很快：比银河系内的任何其他物体都要快得多。此外，它们中的大多数都在远离我们，较弱、较小的星云通常看起来移动得更快。

然后，在20世纪20年代，埃德温·哈勃开始测量这些星云中的单个恒星，并最终确定了它们之间的距离。它们不仅比星系中的任何物体都要远得多，而且距离较远的物体也比距离较近的物体移动得更快。正如勒梅特、罗伯逊、哈勃等人得出的结论：宇宙正在膨胀。

埃德温·哈勃最初绘制的星系距离与红移的对比图(左)，建立了膨胀的宇宙，与大约70年后的一个更现代的对应图(右)。与观测和理论一致的是，宇宙正在膨胀。(Credit: E. Hubble; R. Kirshner, PNAS, 2004)

1927年，乔治斯·勒梅特(Georges Lemaître)第一个认识到这一点。在发现膨胀之后，他进行了逆向推断，像所有有能力的数学家一样，建立了理论，认为我们可以一直向前追溯，一直到追溯到他称之为原始原子的地方。起初，他意识到，宇宙是一个热的、稠密的、迅速膨胀的物质和辐射的集合，我们周围看到的一切都是从这种原始状态中产生的。

后来，这一想法又被其他人发展，并做出了一系列额外的预测。

(1) 我们今天看到的宇宙，比过去更进化了。我们在太空中看得越远，我们在时间上看得越远，所以我们在看到的物体应该是更年轻的，引力更小的团块，它们的质量也更小。甚至应该有一个点，超过这个点就没有恒星或星系了。

(2) 在某个时刻，辐射非常热，中性原子无法稳定形成，因为辐射会将试图与之结合的原子核中的电子踢出去，因此，从那个时候开始，应该会有一场剩余的——现在是冰冷而稀疏的——宇宙辐射浴。

(3) 最后，在非常早的时候，它的温度会非常高，甚至原子核都会被炸开，这意味着在早期，恒星形成前的阶段会发生核聚变：大爆炸核合成。据此，我们预计在所有恒星形成之前，宇宙中至少有一群轻元素及其同位素。

宇宙膨胀的历史(Credit: NASA/CXC/M. Weiss)

随着宇宙的膨胀，这将成为大爆炸的基石。宇宙的大尺度结构、单个星系以及在这些星系中发现的恒星群的增长和进化都证实了大爆炸的预言。轻元素及其比率的发现和测量，包括氢、氘、氦-3、氦-4和锂-7，不仅告诉我们在恒星形成之前发生了哪种类型的核聚变，还告诉我们宇宙中存在多少正常物质。

根据所掌握的证据进行推断是科学上的巨大成功。发生在热大爆炸最初阶段的物理现象在宇宙中留下了印记，使我们能够测试我们的模型、理论，以及从那时起对宇宙的理解。事实上，最早可观测到的痕迹是宇宙中微子背景，它的效应在宇宙微波背景(大爆炸的残余辐射)和宇宙的大尺度结构中都能看到。值得注意的是，中微子背景是在宇宙大爆炸的大约1秒内到达我们这里的。

如果宇宙中没有由于物质与辐射相互作用而产生的振荡，那么在星系团中就不会出现依赖于尺度的摆动。这些摆动本身，去掉了非摆动部分(下图)，依赖于宇宙中微子的影响，这些中微子理论上是由大爆炸产生的。(资料来源：鲍曼等人，《自然物理学》，2019年)

但在可衡量的证据范围之外进行推断是一种危险的游戏，尽管这种游戏很诱人。毕竟，如果我们能将大爆炸追溯到138亿年前，一直到宇宙诞生不到一秒的时候，那么再前进一秒又有什么害处呢？回到那个被预言存在于宇宙0秒时的奇点？

令人惊讶的是，如果你和我一样，认为“对现实做出毫无根据的、错误的假设”是有害的，那么答案是：这会造成巨大的伤害。这是有问题的，因为从一个奇点开始——任意高温，任意高密度，任意小体积——将对我们的宇宙产生不一定由观测支持的结果。

例如，如果宇宙是从一个奇点开始的，那么它一定是在“物质”(物质和能量的结合)达到正确平衡的情况下突然出现的，以精确地平衡膨胀率。如果物质有一点点多，最初膨胀的宇宙现在就已经坍缩了；如果有一点点少，物质就会迅速膨胀，宇宙就会比现在大得多。

如果宇宙的密度稍微高一点(红色)，它就已经坍缩了；如果它的密度稍微低一点，它就会膨胀得更快，变得更大。大爆炸本身无法解释为什么宇宙诞生时的初始膨胀率如此完美地平衡了总能量密度，完全没有空间弯曲的余地。(资料来源：内德·赖特的宇宙学教程)

然而，相反，我们所观察到的是宇宙的初始膨胀率和宇宙中物质和能量的总量达到了我们所能测量到的完美平衡。

为什么？

如果大爆炸起源于奇点，我们无法解释；我们只需要断言“宇宙就是这样诞生的”，或者，就像不知道Lady Gaga的物理学家所说的那样，是“初始条件”。

类似地，一个达到任意高温的宇宙应该会有剩余的高能物质，比如磁单极子；我们观察到没有。我们可以预料到，在那些因因果关系而互不相连的区域(即在我们的观测极限下，在空间中相反的方向)会有不同的温度，然而，我们观测到宇宙各处的温度都是相同的，精度达到99.99%+。

我们总是可以自由地诉诸初始条件来解释任何事情，然后说"宇宙就是这样诞生的，就是这样"但作为科学家，我们更感兴趣的是，能否对我们观察到的特性做出解释。

在上图中，我们的现代宇宙到处都有相同的属性(包括温度)，因为它们起源于一个具有相同属性的区域。(Massachusetts Institute of Technology)麻省理工学院(MIT)的科学家阿伦·固斯(Alan Guth)提出，早期宇宙可能存在过一个非常快速膨胀的时期。这种膨胀叫做"暴涨"，意指宇宙在一段时间里，不像现在这样以减少的、而是以增加的速率膨胀。按照固斯理论，宇宙大爆炸之后的一瞬间，时空在不到10秒的时间里迅速膨胀了10倍(资料来源:E. Siegel/Beyond the Galaxy)

这正是宇宙膨胀带给我们的，还有更多。宇宙暴涨理论认为，当然，可以将大爆炸推回到一个非常早期，非常热，非常密集，非常均匀的状态，但在回到奇点之前，请先停下来。如果你想让宇宙的膨胀率和其中的物质和能量总量保持平衡，你就需要某种方式来建立这种平衡。对于各处温度相同的情况也是一样。稍微不同的是，如果你想避免高能量的遗迹，你需要一些方法来消除任何已经存在的遗迹，然后通过防止宇宙再次变得太热来避免产生新的遗迹。

暴涨理论通过假设在大爆炸之前的一个时期来做到这一点，在这个时期，宇宙由一个大的宇宙常数(或一些行为类似的东西)主导：德西特早在1917年就找到了相同的解。这一阶段将宇宙拉平，使其处处具有相同的性质，消除了任何已存在的高能量遗迹，并通过限制膨胀结束和热大爆炸之后达到的最高温度，阻止我们产生新的高能量遗迹。此外，通过假设在膨胀期间存在量子涨落并在整个宇宙中延伸，它对宇宙开始时的不完美类型做出了新的预测。

暴涨期间发生的量子涨落在宇宙中被拉伸，当暴涨结束时，它们变成密度涨落。随着时间的推移，这导致了今天宇宙中的大尺度结构，以及CMB中观测到的温度波动。像这样的新预测对于证明所提出的微调机制的有效性至关重要。(来源:E·西格尔；欧洲航天局/普朗克和美国能源部/美国宇航局/美国国家科学基金会宇宙微波背景辐射研究机构间工作组)

自上世纪80年代提出假说以来，暴涨理论已经通过各种方式验证了另一种假说：宇宙是从奇点开始的。当我们把记分卡叠起来的时候，我们发现了以下内容。

（1）暴涨理论再现了热大爆炸的所有成功，没有什么是大爆炸不能解释的。

（2）暴涨理论成功地解释了热大爆炸的“初始条件”。

（3）对于暴涨和无暴涨的热大爆炸的不同预测，其中四种已经经过了足够精确的测试，可以区分两者。在这四个方面，暴涨理论是4比4，而热大爆炸是0比4。

但如果我们回头看看我们的“开始”概念，真的很有趣。然而，一个有物质和/或辐射的宇宙——我们从热大爆炸中得到的——总是可以推断出奇点，而暴涨理论下的宇宙则不能。由于它的指数性质，即使你把时钟倒转无限长的时间，空间也只会接近无穷小的大小、无限的温度和密度；它永远也到不了那里。这意味着，除了不可避免地导致奇点之外，暴涨本身绝对不能让你达到奇点。“宇宙起源于一个奇点，这就是宇宙大爆炸”的观点，在我们认识到一个膨胀阶段先于我们今天所处的那个炎热、稠密、充满物质和辐射的阶段时，就需要抛弃了。

蓝线和红线代表“传统的”大爆炸场景，所有事物都始于时间t=0，包括时空本身。但在暴涨的情况下(黄色)，我们永远不会到达奇点，也就是空间进入奇异状态；相反，它只能在过去变得任意小一点，而时间则继续永远向后走。只有暴涨结束后的最后一秒，才会在我们今天可观测的宇宙中留下印记。(Credit: E. Siegel)

这幅新图像为我们提供了关于宇宙起源的三条重要信息，这与我们大多数人所了解的传统故事不同。首先，热大爆炸最初的概念是不正确的。在这个概念中，宇宙诞生于一个无限热、密度极高的小奇点，并一直在膨胀和冷却，此后充满了物质和辐射。这幅图在很大程度上仍然是正确的，但对于我们能推断出的时间有一个截点。

第二，在大爆炸之前发生的状态已经被观测到：宇宙膨胀。早期的宇宙，在大爆炸之前，经历了一个指数增长的阶段，在这个阶段，宇宙中任何预先存在的成分都被“膨胀走了”。当暴涨结束时，宇宙重新升温到一个很高的温度，但不是任意高的温度，这形成了炎热，稠密，膨胀的宇宙，形成了我们今天所认识的早期宇宙状态。

最后，也许也是最重要的是，我们不能再以任何知识或信心，谈论宇宙本身是如何开始的。根据暴涨的本质，它会抹去在最后时刻之前的任何信息，也就是它结束并引发我们的大爆炸的地方。暴涨可能会持续很长时间，也可能在此之前有其他非奇异阶段，也可能在此之前有一个从奇点中出现的阶段。除非我们等到发现如何从宇宙中提取更多信息的那一天到来，否则我们别无选择，只能面对我们的无知。大爆炸仍然发生在很久以前，但它并不是我们曾经想象的“开始”。

译者：Jane