20世紀初最偉大的科學成就之一是宇宙的膨脹的發現：隨著時間的流逝，遙遠的星系正在遠離我們，因為根據愛因斯坦的廣義相對論，我們之間的空間在膨脹。在20世紀中葉，有人提出了一個偉大的想法，即如果宇宙今天變得越來越大，越來越冷，那麼它在過去就更小、更熱、更密集：大爆炸。大爆炸做了一些額外的預測：
宇宙演化
- 將有一個巨大的宇宙網絡的結構，與小，中，大型結構以某些模式聚集在一起，
- 有早期宇宙遺留下來的輻射光，冷卻到離絕對零度僅幾度，
- 宇宙中最輕的元素，氫、氦和鋰的不同同位素，都有一組特定的比率。
1965年阿諾·彭齊亞斯和鮑勃·威爾遜發現了CMB
在20世紀60年代和70年代，這些預測都以不同程度的精確度得到證實，大爆炸成為我們感知和探測宇宙中所有事物起源的主導理論。但是，當涉及到大爆炸時，有幾個問題沒有答案，在這個框架內,一些現象完全無法解釋。
- 為什麼宇宙各處的溫度一樣？
- 為什麼宇宙在空間上如此平坦？為什麼膨脹速率和物質/能量密度彼此平衡得如此完美？
- 如果宇宙在早期就獲得瞭如此高的能量，為什麼我們沒有看到應該從宇宙中傳播的穩定遺蹟呢？
如果這三個不同的空間區域從來沒有時間來熱化，共享信息或相互傳輸信號，那麼為什麼它們的溫度都一樣？
如果宇宙按照廣義相對論的規則膨脹，就沒有理由期望以比光速更大的距離分隔的空間區域被連接，更不要說同樣的溫度。如果你把大爆炸一直拿回到它的邏輯結論——一個無限熱、緻密的狀態——就沒有辦法找到這些問題的答案。你只需要說，"它就是這樣誕生的"，從科學的角度來看，這是令人不滿意的回答。
但還有另一個選擇。也許，不是宇宙在大爆炸的那一刻剛剛誕生，而是存在一個早期階段，建立了這些條件，以及產生我們的熱、密集、膨脹和冷卻的宇宙。這將是理論家的工作：找出什麼可能的動態可以為大爆炸的這些條件發生創造條件。1979/1980年，阿蘭·固斯（Alan Guth）提出了一個革命性的想法，它將改變我們對宇宙起源的看法：宇宙膨脹。
艾倫·古斯1979年的筆記本
通過假設大爆炸之前，宇宙沒有充滿物質和輻射，而是空間結構本身固有的巨大能量，阿蘭·固斯（Alan Guth）能夠解決所有這些問題。此外，隨著20世紀80年代的進展，出現了進一步的發展，表明，為了複製宇宙的膨脹模型，我們看到：
- 用物質和輻射來填充它，
- 使宇宙各向異性（在所有方向上都相同），
- 使宇宙均勻（在所有位置都相同），
- 並給它一個熱、緻密、膨脹的狀態，
有很多類的模型，可以做到這一點，如安德烈·林德提出的宇宙模型，保羅·斯坦哈特的大爆炸宇宙模型等等。但是最簡單的且能解決了這個問題，並且擁有最少自由參數的模型只分為兩類。
兩種最簡單的通脹潛力類別，即混沌膨脹 （L） 和新膨脹 （R）。
出現了新的膨脹，在頂部非常平坦，膨脹場可以"緩慢地向下滾動"，到達底部，並且存在混亂膨脹，在那裡有一個U形的可能性，再次，膨脹慢慢向下滾動。
在這兩種情況下，宇宙空間會呈指數級擴展，被拉伸平，到處都有相同的屬性，當膨脹結束的時候，我們會找回一個和現在非常相似的宇宙。此外，我們還會獲得六個額外的新預測，所有這些預測在當時尚未觀察到。
- 一個完全平坦的宇宙。因為膨脹導致了這種快速的指數擴張，它採取宇宙碰巧的形狀，並伸展到巨大的尺度：尺度比我們可以觀察到的要大得多。因此，我們看到的部分看起來與平面沒有區別，就像窗戶外的地面看起來是平的一樣，但它實際上是整個彎曲的地球的一部分。
- 一個在尺度上波動大於光的宇宙是可以穿越。膨脹導致宇宙空間呈指數級膨脹，導致在非常小的尺度上發生的事情被放大更多的尺度上。這包括量子波動，它通常在空曠空間內就地波動。但是在膨脹期間，由於快速的指數擴張，這些小規模的能量波動被拉伸到巨大的宏觀尺度上，最終可以跨越整個可見宇宙！
- 最高溫度不任意升高的宇宙。如果我們能把大爆炸一直帶回任意的高溫和密度，我們會發現證據表明宇宙曾經達到至少物理定律分解的溫度尺度：普朗克尺度，或10^19 GeV的能量周圍。但是，如果膨脹發生，它一定是發生在低於這個能量尺度，其結果是，宇宙的膨脹後的最高溫度必須低於10^19 GeV。
- 波動不絕的宇宙，或處處熵相等的宇宙。波動可能有不同的類型：絕熱、等曲率或兩者的混合。膨脹預測，這些波動應該是100%的絕熱，這意味著宇宙開始量子波動類型的詳細測量，應該能揭示在微波背景和大規模宇宙結構中的特徵。
- 波動的光譜略小於尺度不變（ns <1）性質的宇宙。這是一個大宇宙！當然，膨脹一般預測這些波動應該是規模不變的。但對它有一點修正：起作用的通脹潛力的形狀——它們的坡度和凹陷——會影響波動範圍偏離完美尺度不變的程度。兩種最簡單的膨脹模型，即新通脹和混亂通脹，對ns的預測通常涵蓋0.92和0.98之間的範圍。
- 最後，一個具有特定引力波波動光譜的宇宙。這是最後一個，也是唯一 一個尚未確認的大宇宙。一些模型，比如簡單的混沌膨脹模型，給出大幅度引力波（BICEP2可能看到的這種引力波），而其他模型，如簡單的新膨脹模型，可以給出非常小的幅度引力波。
在過去的35年裡，我們對宇宙微波背景的波動進行了令人難以置信的全天空測量，從整個可見宇宙的尺度到0.07°的角分辨率。隨著時間的推移，隨著天基衛星的能力變得越來越強大，如20世紀90年代的COBE、2000年代的WMAP和2010年代的普朗克。當宇宙不到其當前年齡的0.003%時，我們對宇宙有了難以置信的洞察力。
斯隆數字天空調查（SDSS）
同樣，大尺度的結構調查已經變得極其普遍，有些覆蓋了整個天空，有些覆蓋了更深處的巨大斑塊。斯隆數字天空調查提供了最好的現代數據集，我們已經能夠確認這六個預測中的前五個，使膨脹建立在非常堅實的基礎上。
- 宇宙在空間上完全平坦——曲率正好為1——精確到1.0007± 0.0025，這從宇宙的大尺度結構中可以最好地顯示出來。
- 宇宙微波背景的波動顯示了一個宇宙，其尺度延伸到可觀測宇宙的地平線上。
- 如宇宙微波背景的波動所示，我們的宇宙所能達到的最高溫度僅為+10^16 GeV，比非膨脹宇宙小1000倍。
- 宇宙誕生的波動類型，據我們最好的測量，是100%絕熱和0%等曲率。宇宙微波背景和宇宙大規模結構之間的相關性就顯示了這一點，儘管這直到21世紀初才得到證實。
- 從最先進的宇宙微波背景衛星Planck的最新數據來看，它為我們提供了一個標量光譜指數（來自密度波動），它不僅小於1，而且精確測量為ns = 0.968 ± 0.006。
如果我們想要尋找第六個也是最後一個膨脹預測，最後一個數字ns的值，真的非常重要：引力波波動。
在上面圖中，微波背景的波動頻譜看起來就像波浪線，但它成長於所有不同形式的能量隨時間的相互作用，從膨脹結束到宇宙是38萬年前。它是由膨脹結束時的密度波動而產生：水平線。只是，這條線不是水平的，有輕微的傾斜，斜率表示光譜指數ns偏離1。
這一點很重要的原因是膨脹對特殊比率 （r） 做了具體預測，其中是引力波波動與標量光譜指數（ns）的比率。對於兩大類通脹模型——以及其他模型——在預測中存在巨大差異。
對於混沌模型，r 通常非常大：不小於 0.01，其中 1 是最大可想而知值。但對於新膨脹模型，r 可以從大約 0.05 到 10^(-60) 等微小數字不等！但是，這些不同的 r 值通常與 ns 的特定值相關，如上所示。如果ns實際上就是我們目前最擅長衡量的值（0.968），那麼對於混沌膨脹和新通脹可以記下來的最簡單的模型，只給出大於10^(-3)的r值。
正如Mark Kamionkowski 在AAS演講時所報道的（基於他在這裡的論文）那樣，對於ns的測量值，可以記下的所有簡單模型，意味著r不能從10^(-60)到1；它只能從 10^(-3 )到 1。這在短期內可能非常成問題，因為有一大堆地面調查正在測量可以測量r的信號類型，如果r大於或等於+10^(-3)，則已經將r限制在0.09以下。
膨脹產生的引力波波動導致電子模式和B模式的極化，但密度波動（和ns）只出現在電子模式中。因此，如果您測量 B 模式極化，您可以瞭解引力波波動並確定 r！
這就是BICEP2、POLARBEAR、SPTPOL 和SPIDER 等實驗正在進行的測量工作。有由透鏡效應引起的B-模式偏振信號，但如果膨脹波動大於r ~ 0.001，他們將能夠在5-10年內看到的實驗運行和計劃運行時間。
如果我們發現 r 的正信號，則混沌膨脹（通常如果 r > 0.02）或新膨脹（通常為 r < 0.04，並且有重疊）模型可能受到強烈青睞。但是，如果 ns 的測量值保持現在認為的值，並且十年後我們約束了 r <10^(-3)，那麼最簡單的膨脹模型都是錯誤的。這並不意味著膨脹是錯誤的，但它意味著膨脹比我們最初想象的要複雜得多，甚至可能不是一個標量領域。
如果大自然對我們不友好，我們幾十年內將難以對宇宙膨脹的最後的大預測——原始引力波的存在，將在未來幾十年內撲簌迷離，並且將繼續未經證實。
閱讀更多 科技領航人 的文章
