- 圖注：我們的整個宇宙歷史在理論上是很清楚的，但這僅僅是因為我們理解了它的基礎引力理論，而且因為我們知道宇宙目前的膨脹率和能量組成。光將一直在這個不斷膨脹的宇宙中傳播，我們將繼續在遙遠的未來任意地接收光，但它將在時間上被限制在我們所能到達的範圍內。我們對宇宙起源仍有未解之謎，但物理學可能從根本上限制我們所能知道的。
138億年前，宇宙中所有的物質和能量都集中在一個足球大小的空間裡。然而，即使在這麼小的空間裡有這麼多能量，我們也沒有坍縮成黑洞。取而代之的是，宇宙以迅速的速度膨脹，從而精確地平衡了能量密度，以至於在我們測量的所有宇宙歷史中，我們一度走在膨脹和重新坍塌之間這條細線上。
今天，我們在宇宙中所能看到的一切向四面八方延伸了約460億光年，科學家們可以將這一起源追溯到一個熱的、稠密的、更均勻的、更迅速膨脹的狀態。像許多理論家一樣，你可能會想把它推得更遠，回到一個任意熱的稠密狀態：奇點。但這種誘惑是我們對宇宙誕生的大多數誤解的根源。畢竟，大爆炸並不是開始。相反，這一榮譽歸於宇宙膨脹，每個人都應該明白為什麼。
- 圖注：宇宙不只是均勻地膨脹，而是在其內部有微小的密度缺陷，這使得我們能夠隨著時間的推移形成恆星、星系和星系團。在均勻背景上增加密度不均勻性是理解當今宇宙的起點。
當我們觀察今天的宇宙時，我們看到許多可觀察到的事實，它們迫切需要一個解釋。它們包括：
- 事實上，更遠的星系似乎與我們的距離成正比，
- 星系距離更遠，看起來更小、更藍、更年輕、更不進化，
- 事實上，在更遠的距離上，宇宙似乎不那麼笨拙，更為均勻，在大尺度上也不那麼聚集，
- 事實上，重元素（比氫和氦重的原子）的百分比在最大距離處漸趨為0%，
- 事實上，我們在太空中看到了一個非常寒冷但清晰可見的黑體輻射背景。
值得注意的是，有一個框架與這些觀測中的每一個都是一致的：大爆炸。
- 圖注：與現今銀河系相當的星系是眾多的，但銀河系中較年輕的星系一般比我們今天看到的星系更小，更藍，更混亂，更豐富的氣體。對於所有的第一個星系來說，這應該是極端的，並且在我們之前看到的是有效的。宇宙結構的形成和形成需要宇宙時間尺度，直到我們今天看到的為止。
根據大爆炸的大思想，宇宙在過去是更熱、更緻密、更均勻的，它通過膨脹、冷卻和引力形成了一個巨大的宇宙網，演變成今天的宇宙。隨著時間的推移，空間結構本身也在不斷擴展，因為廣義相對論定律要求宇宙在各個方向和位置充滿大致相等數量的物質和能量，導致光子的波長拉伸，質量粒子的動能降低，使引力缺陷穩定增長。
在大爆炸的框架中，前面提到的每個可觀測現象都得到了物理解釋：遙遠的星系似乎是紅移的，因為膨脹的宇宙延伸了光的波長；更遙遠的星系真的更年輕，更不進化；宇宙在過去更少聚集；原始原子比是75%的氫、25%的氦和0.00000007%的鋰；剩餘的輻射在20世紀60年代中期被發現。
- 圖注：根據彭齊亞斯和威爾遜的原始觀測，銀河系的平面放射出一些天體物理輻射源（中心），但在上面和下面，剩下的只是一個近乎完美、均勻的輻射背景。這種輻射的溫度和光譜現在已經被測量出來了，與大爆炸的預測非常一致。如果我們能用眼睛看到微波，整個夜空看起來就像是綠色的橢圓形。上一次的發現幾乎扼殺了大爆炸的每一個替代品，並將大爆炸作為我們可觀測宇宙中一切事物的宇宙起源故事。宇宙從這個早期的熱、密、均勻的狀態中出現，並隨著時間的推移而膨脹和冷卻。
當它冷卻到一個特定的能量閾值以下時，它就不能自發地產生質量（通過e=mc2）太大的粒子；在一秒鐘的前幾分鐘，除了正電子和反中微子之外的所有反物質粒子都會湮滅。
大爆炸後大約1秒，中微子和反中微子“凍結”，這意味著它們（依賴能量的）相互作用速率下降到如此低的頻率，以至於它們實際上再也不會相互作用了。
當我們向前移動時，核反應就會發生，然後停止；中性原子穩定地形成，釋放原始輻射；引力不完美在逐漸增大的更大和更大的尺度上生長，導致形成第一個恆星，然後形成星系，然後形成巨大的宇宙網絡。
- 圖：我們今天看到的恆星和星系並不總是存在，而我們越走越遠，宇宙就越接近一個明顯的奇點，我們進入更熱、更密集、更均勻的狀態。然而，這種推斷是有限度的，因為一路回到奇點就會產生我們無法回答的謎題。
但是大爆炸的起源故事呢？大爆炸本身是從哪裡來的？
如果你把膨脹和冷卻的宇宙一直推到理論物理允許你去的地方，你就會遇到一個過去被稱為奇點的事件。從本質上說，你將把宇宙中的所有物質和能量打包成一個點。（一旦你達到每粒子10^19Gev的極高能量，相當於宇宙大爆炸後10^(-43)秒的“宇宙年齡”，物理定律就會崩潰，不再給出合理的答案。）
從廣義相對論的角度來看，奇點是唯一能對應時空起點或終點的事件。因此，我們可以一路推演回到大爆炸框架中的奇點，並得出一個我們可以合理地稱之為“開始”的點。
- 圖：如果我們一路推演，我們會得到更早，更熱，更密集的狀態。這是否最終導致了一個奇點，在那裡物理定律本身就崩潰了？這是邏輯推斷，但未必正確。
從20世紀20年代到70年代，科學家認為他們對我們的宇宙起源有一個令人滿意的故事，只有幾個問題沒有得到解決。然而，他們都有一些共同點：他們都問了一些不同的問題：“為什麼宇宙是從一組特定的屬性開始的，而不是其他屬性？”
- 為什麼宇宙在空間上是完全平坦的，其總物質和能量密度完全平衡了初始膨脹率？
- 為什麼宇宙在各個方向上都具有完全相同的溫度，準確度高達99.997％，即使宇宙沒有存在足夠的時間讓不同區域熱化並達到平衡狀態呢？
- 為什麼，如果宇宙儘早達到了這些超高能量，為什麼沒有通過粒子物理學標準模型的一般擴展來預測高能遺蹟（如磁單極子）？
- 又為什麼由於系統的熵總是增加，所以宇宙誕生於今天的低熵構型呢？
- 圖注：如果宇宙的密度稍高一點（紅色），它就會重新出現；如果宇宙的密度稍低一點，它就會膨脹得更快，變得更大。大爆炸本身並沒有解釋為什麼宇宙誕生時的初始膨脹率如此完美地平衡了總能量密度，根本沒有空間彎曲。我們的宇宙在空間上看起來非常平坦，初始總能量密度和初始膨脹率彼此平衡，至少達到20個以上的有效數字。
既然一個系統的熵總是增加的，那麼為什麼相對於今天的結構，宇宙誕生於如此低的熵結構中呢？
在物理學中，我們有兩種方法來處理這樣的問題。因為所有這些問題都是關於初始條件的，也就是說，為什麼我們的系統（宇宙）是從這些特定條件開始的，而不是從其他任何條件開始的，所以我們可以選擇：
- 我們可以嘗試編造一個理論機制，把任意的初始條件轉化為我們所觀察到的條件，包括再現熱大爆炸的所有成功，然後梳理出新的預測，使我們能夠在不做任何改變的情況下，用普通老大爆炸的舊理論來檢驗新理論。
- 或者，我們可以簡單地斷言初始條件就是它們，並且不僅沒有對這些值/參數的解釋，而且我們不需要任何解釋。
雖然不是每個人都清楚，但第一種選擇是唯一科學的；第二種選擇，經常被那些對景觀或多元宇宙進行哲學思考的人吹捧，等於完全放棄科學。
- 圖注：正是考慮到許多經過微調的場景（並考慮到鮑勃·迪克提出的那些微調問題），艾倫·古特才想到宇宙膨脹，宇宙起源的主要理論。
今天，真正成功的大構想被稱為宇宙膨脹。1979/80年，艾倫·古特提出，宇宙早期的一個階段，所有的能量不是在粒子或輻射中，而是在空間本身的結構中，將導致一種特殊的指數膨脹，稱為德西特階段。在這種狀態下，宇宙中任何開始膨脹的初始區域都會：
- 在極短的時間尺度上被拉伸到如此大的尺寸以至於它的拓撲結構對於任何觀察者來說都無法區分，
- 在任何地方都有相同的初始條件（密度和溫度），直到量子漲落的尺度，它們疊加在一個均勻的背景上，因為我們整個可觀測的宇宙在遙遠的過去曾經都是在同一個空間區域中因果相連的，
- 只有達到一個最顯著的溫度，當膨脹結束並轉變成熱的、密集的、均勻的、膨脹的和冷卻的狀態，我們與熱尺度大爆炸聯繫在一起時，普朗克溫度（10^19 GeV能量尺度）就大大降低了。
- 從膨脹宇宙的較低熵態到熱大爆炸的更高熵態，熵將繼續增加，就像我們觀察到的宇宙一樣。
- 圖注：在頂部圖中，我們的現代宇宙在任何地方都具有相同的屬性（包括溫度），因為它們起源於具有相同屬性的區域。在中間的面板中，原本可以有任意曲率的空間被膨脹到今天我們無法觀察到任何曲率的程度，從而解決了平面度問題。在底部圖中，預先存在的高能物質被膨脹，提供瞭解決高能遺留問題的方法。這就是通脹如何解決大爆炸本身無法解釋的三大難題。
自從上世紀80年代初至中期首次提出並完善膨脹以來，我們對宇宙起源有了很多瞭解。除了再現熱大爆炸的成功並解釋這些原本無法解釋的初始條件外，它還對宇宙今天應該具有的性質作出了六項新的預測，其中四項經觀測證實，兩項尚未得到足夠的檢驗，無法確定。在研究早期宇宙的大多數人中，膨脹被認為是新的共識理論。我們可能不知道關於膨脹的一切，但要麼它——或者類似於它的東西——我們沒有觀察到它們的區別——一定發生了。
儘管如此，這對我們的宇宙起源意味著什麼？從時間軸的角度來看，首先是什麼：大爆炸還是膨脹？
- 圖注：藍線和紅線代表了一個“傳統的”大爆炸場景，一切都從時間t=0開始，包括時空本身。但在膨脹的情況下（黃色），我們永遠不會到達奇點，在那裡空間會變成一個奇異的狀態；相反，它只能在過去變得任意的小，而時間卻永遠在倒退。只有最後一個微小的一秒，從膨脹結束，印記自己在我們今天可觀測的宇宙。hawking-hartle無邊界條件和borde-guth-vilenkin定理一樣，挑戰了這種狀態的壽命，但兩者都不是確定的。
信不信由你，上面的圖表包含了你需要知道的所有信息。其中兩條曲線——紅色和藍色——代表一個由物質或輻射主宰的宇宙。你可以清楚地看到，如果你把它們任意地推回到過去，在t=0的有限時間內，你會得到一個極小的尺寸，這是一個奇點。
但如果在早期，宇宙不是由物質或輻射控制的，而是由空間本身固有的能量形式控制的，你就會得到黃色曲線。注意這條黃色的曲線，因為它是指數曲線，它的大小永遠不會達到零，而只是接近它，即使你在時間上無限遠。膨脹的宇宙並不像物質主導或輻射主導的宇宙那樣從奇點開始。我們只能肯定地說，我們稱之為“熱大爆炸”的地區是在通脹結束後才出現的。它沒有提到膨脹的根源。
- 圖：宇宙固有的量子漲落，在宇宙膨脹期間橫跨宇宙，引起了在宇宙微波背景中的密度波動，這反過來又引起了今天宇宙中的恆星、星系和其他大規模結構。這是我們對整個宇宙如何運行的最好的描述，在那裡，膨脹先於大爆炸並導致大爆炸。
事實上，我們整個可觀測的宇宙幾乎沒有任何來自它的前大爆炸歷史的特徵；只有最後10^(-32)秒（或大約）的膨脹甚至在我們的宇宙上留下可觀測的印記。然而，我們不知道通脹狀態來自何方。它可能起源於一個具有奇異性的預先存在的狀態，它可能永遠存在於它的膨脹形式中，或者宇宙本身甚至可能是週期性的。
有很多人在說“大爆炸”的時候都是指“最初的奇點”，而對有些人來說，我認為你應該與時俱進，這已經過去很久了。熱大爆炸不能推回奇點，只能推到它之前的通脹狀態的盡頭。我們不能滿懷信心地陳述，因為即使在原則上，也沒有任何跡象表明膨脹的最後階段已經到來。有奇點嗎？也許吧，但即使是這樣，也與大爆炸無關。
- 圖注：在這個時間軸/宇宙歷史圖形中，BICEP2 協作將大爆炸置於通貨膨脹之前，這是一個常見但不可接受的錯誤。儘管這在近40年的時間裡一直不是這一領域的主導思想，但今天它已成為人們的榜樣，通過簡單的缺乏關注而弄錯了眾所周知的細節。
首先是膨脹，它是第一位的，它的結束預示著大爆炸的到來。 仍然有些人不同意，這樣的歷史已經有將近40年了。當他們斷言“大爆炸是開始”時，您會知道為什麼宇宙膨脹實際上首先出現。至於最後一秒的膨脹之前發生了什麼？ 您的假設與任何人的假設一樣好。
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