大爆炸理论解释了宇宙起源，这4个证据还把我们带到了大爆炸之外

　　也许任何一个非凡故事中，最引人注目的部分是它的起源：它是如何开始的，其中宇宙是如何起源的，也是最伟大的起源故事，它占据了诗人、哲学家、神学家和科学家无数千年的思想。
　　然而，直到20世纪，科学才开始在这个问题上取得进展，最终形成了大爆炸的科学理论。早期，宇宙是非常热和稠密的，并且已经膨胀、冷却、和引力成为今天的样子。但是大爆炸本身并不是一个开始，毕竟，我们有四个独立的科学证据来证明它之前发生了什么，并建立了它。
　　图注：我们今天看到的恒星和星系并不总是存在的，我们走的越远，随着我们进入更热、更密集和更均匀的时段，宇宙离明显的奇点越近。然而，这种外推是有限度的，因为回到奇点会产生我们无法回答的谜题。
　　大爆炸是20世纪20年代广义相对论早期的一个初步构想。1922年，亚历山大弗里德曼第一个认识到，如果有一个宇宙，整个宇宙充满了物质和能量，没有首选的方向和位置，它就不可能是静止和稳定的。在爱因斯坦定律下，空间结构本身要么膨胀要么收缩。
　　1923年，埃德温·哈勃首次对仙女座进行远距离测量，首次证明它是一个完全在银河系之外的星系。通过结合他对星系距离的测量和维斯托·梅尔文·斯里弗的红移数据，他实际上可以直接测量宇宙的膨胀。1927年，乔治·勒梅特（Georges Lemaître）成为第一个将所有碎片拼凑在一起的人：今天膨胀的宇宙意味着一个更小、更密集的过去，它可以追溯到我们敢推断的更远的地方。
　　乔治·勒梅特（Georges Lemaître）
　　从20世纪40年代开始，乔治·伽莫夫（George Gamow）和他的合作者开始研究宇宙膨胀和冷却的后果，但在这个陷阱中，宇宙变得更热、更密集。特别是，他得出了四个主要结果。宇宙的膨胀率会随着时间的推移而变化，这取决于物质和能量的种类和比例。宇宙会经历引力增长，最初的小超敏度会在时间上成长为恒星、星系和巨大的宇宙网。在过去，宇宙温度更高，在早期的某个时候会热到足以阻止中性原子的形成，这意味着当这些中性原子最终形成时，应该会有辐射的余辉发出。而且，甚至更早的时候，它应该已经足够热和密度，足以点燃质子和中子之间的核聚变，这应该创造了宇宙中第一个不平凡的元素。
　　图注：阿诺·彭齐亚斯和鲍勃·威尔逊在位于新泽西州霍姆德尔的天线所在地首次发现了宇宙微波背景（CMB）。尽管许多源可以产生低能辐射背景，但宇宙微波背景（CMB）的性质证实了其宇宙起源。
　　1964年和1965年，贝尔实验室的两位无线电天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现了天空中从四面八方发出的微弱辐射光。经过短暂的惊讶、困惑和神秘之后，这个信号被发现与大爆炸辐射的预测相符。随后几十年的观测揭示了更加精确的细节，与大爆炸的预测非常吻合。
　　宇宙中星系和大尺度结构的生长和演化，宇宙演化史上膨胀率和温度变化的测量，以及光元素丰度的测量，都是在大爆炸的框架内匹配的。从数据存在的每一个尺度来看，大爆炸都是一次惊人的成功。即使在今天，没有其他的理论能够重现所有这些成功。
　　图注：与现今银河系相比，星系数量众多，但与我们今天看到的星系相比，类似银河系的年轻星系本质上更小、更蓝、更混乱、更富含气体。对于最初的星系来说，这应该被带到极端，并且在我们所见过的最早的时候仍然有效。当我们遇到例外时，它们既令人费解又罕见。
　　但能把宇宙大爆炸的想法带到多远以前呢？如果今天宇宙正在膨胀和冷却，那么它在过去一定是更热，更稠密，更小。自然本能是回到物理定律——比如广义相对论：回到奇点。在某一特定时刻，整个宇宙将被压缩成一个具有无限能量、密度和温度的单点。
　　这将与奇点的概念相对应，奇点是物理定律失效的地方。可以想象，这是空间和时间最初产生的地方。而且，由于我们对宇宙的现代理解，我们可以一直推算到有限时间前的某个特定时刻：138亿年。如果大爆炸是宇宙的全部，这将是我们宇宙的最终起源：没有昨天的那一天。
　　图注：如果我们一路推演，我们会得到更早，更热，更密集的状态。这是否最终导致了一个奇点，在那里物理定律本身就崩溃了？这是逻辑推断，但未必正确。
　　但我们所看到的宇宙有一些大爆炸无法解释的性质和谜团。如果一切都是在有限的时间前从一个单一的点开始的，你会预料到：不同的空间区域会有不同的温度，因为它们没有能力交流和交换粒子、辐射和其他形式的信息，最早、最热时期遗留下来的粒子遗物，如磁单极子等拓扑缺陷，一定程度的空间曲率，因为由奇点引起的大爆炸，无法如此完美地平衡初始膨胀率、总物质和能量密度。
　　但这些都不是真的。宇宙到处都有相同的温度特性，没有遗留下来的高能遗迹，而且在空间上各个方向都是完全平坦的。
　　要么宇宙天生就具有这些性质，根本没有可预见的原因，要么就有一种科学解释：一种导致宇宙在这些性质已经存在的情况下诞生的机制。1979年12月7日，物理学家阿兰·固斯（Alan Guth）有了一个惊人的认识：在大爆炸之前的一个指数膨胀的早期阶段——我们现在所知道的宇宙膨胀——可能导致宇宙诞生时具有所有这些特殊性质。当膨胀结束时，这种转变应该会引发一场轰轰烈烈的大爆炸。
　　当然，不能只是在旧理论中建立一个额外的想法，并宣称新理论更好。在科学上，新理论的举证责任要严重得多。
　　图注：在顶部面板中，我们的现代宇宙在任何地方都具有相同的属性（包括温度），因为它们起源于具有相同属性的区域。在中间的面板中，原本可以有任意曲率的空间被膨胀到今天我们无法观察到任何曲率的程度，从而解决了平面度问题。在底部面板中，预先存在的高能遗迹被膨胀，为高能遗迹问题提供了解决方案。这就是通货膨胀如何解决＂大爆炸＂无法独自解决的三大难题。
　　要取代任何流行的科学理论，新的理论必须做三件事：再现所有已有理论的成功，解释旧理论无法解释的奥秘，并做出新的，可测试的预测，不同于以前理论的预测。
　　在20世纪80年代，很明显膨胀可以轻易地完成前两个目标。当我们的观测和测量能力使我们能够将宇宙给我们的东西与膨胀的新预测进行比较时，最终的考验就会到来。如果膨胀是真的，我们不仅要弄清楚那些潜在的可观察的后果是什么——而且还有一些后果——而且要收集这些数据并据此得出结论。
　　到目前为止，其中四个预测已经进行了试验，数据已经足够好，可以全面评估结果。
　　图注：不断膨胀的宇宙，充满了星系和我们今天观察到的复杂结构，产生于一个更小、更热、更密集、更均匀的状态。但即使是最初的状态也有它的起源，宇宙膨胀是这一切的主要来源。1）宇宙应该有一个在热大爆炸中达到的最高温度的非无限上限。
　　大爆炸留下的余辉——宇宙微波背景——有一些区域比平均温度稍高一些，有些区域比平均温度稍低一些。这些差异很小，约为30000分之一，但却编码了大量关于年轻早期宇宙的信息。
　　如果宇宙经历了膨胀，应该有一个最高温度，相当于比普朗克尺度（约10^19gev）低得多的能量，这是我们在一个任意炽热稠密的过去所能达到的。我们对这些波动的观察告诉我们，宇宙在任何时候都不会比最大值的0.1%（约10^16gev）更热，这是对膨胀的确认，也是对为什么宇宙中没有磁单极子或拓扑缺陷的解释。
　　图注：在膨胀过程中发生的量子涨落确实在宇宙中被拉伸，但它们也会导致总能量密度的涨落。这些场涨落导致早期宇宙中的密度缺陷，进而导致我们在宇宙微波背景中所经历的温度涨落。2）膨胀应具有量子波动，这种涨落成为宇宙中100%绝热的密度缺陷。
　　如果有一个宇宙，其中一个区域比平均密度（和冷）或密度（和热）低，这些波动可以是绝热或等曲率性质。绝热意味着＂恒定熵＂，而等曲率意味着＂恒定空间曲率＂，其中最大的区别在于能量如何在不同类型的粒子之间分布，如正常物质、暗物质、中微子等。
　　这个特征出现在今天的宇宙大尺度结构中，允许我们测量哪些分数是绝热的，哪些分数是等曲率的。当我们进行观察时，我们发现这些早期的涨落至少是98.7%的绝热（与100%一致）和不超过1.3%（与0%一致）的等曲率。如果没有膨胀，大爆炸根本不会做出这样的预测。
　　图注：来自宇宙微波背景的最好和最新的极化数据来自普朗克，可以测量到小到0.4微开尔文的温差。极化数据强烈地表明了超视界涨落的存在和存在，这种涨落在没有膨胀的宇宙中是无法解释的。3）一些波动应该出现在超视界尺度上：自大爆炸以来，比光更大的尺度上的波动本可以传播。
　　从大爆炸的那一刻起，粒子以有限的速度在太空中传播：不超过光速。有一个特定的尺度，我们称之为宇宙视界，它代表了自大爆炸以来光信号可能经过的最大距离。
　　如果没有膨胀，涨落将被限制在宇宙视界的范围内。有了膨胀，由于它拉伸了在这个指数膨胀阶段发生的量子涨落，你可以有超视界涨落：在比宇宙视界大的尺度上。这些波动在WMAP和Planck卫星提供的极化数据中已经看到，与通货膨胀完全一致，并且与非膨胀的大爆炸相反。
　　图注：早期宇宙膨胀期的大、中、小尺度波动决定了大爆炸余辉中的冷热（密度不足和密度过高）点。这些波动，在宇宙膨胀中被拉长，在小尺度上应该与大尺度上略有不同。4）这些波动应该几乎是尺度不变的，但不是完全不变的，在大尺度上的幅度略大于小尺度上的幅度。
　　宇宙中所有的基本场都被认为是量子性质的，而导致膨胀的场也不例外。量子场都是波动的，在膨胀过程中，这些波动在宇宙中被拉伸，在那里它们提供了我们现代宇宙结构的种子。
　　在膨胀中，这些波动几乎是标度不变的，这意味着无论大小，它们在所有标度上都是相同的量级。但在更大的尺度上，它们的震级应该稍大一些，只有几个百分点。我们使用标量光谱指数（ns）来测量它，ns=1对应于完美的尺度不变性。我们现在精确地测量了它：0.965，不确定度约为1%。这种对尺度不变性的轻微偏离，在没有通货膨胀的情况下是无法解释的，但膨胀可以完美地预测它。
　　图注：热点和冷点的大小以及它们的尺度表明了宇宙的曲率。尽我们所能，我们测量它是完全平坦的。重子声波振荡和CMB一起，提供了最好的方法来限制这一点，降低到0.4%的综合精度。精确地说，宇宙是完全平坦的，与宇宙膨胀一致。
　　还有其他关于宇宙膨胀的预言。膨胀预测宇宙应该是几乎完全平坦的，但不是完全平坦的，曲率在0.0001%和0.01%之间。标量光谱指数，测量时稍微偏离标度不变性，应该＂滚动＂（或在膨胀的最后阶段变化）约0.1%。应该有一组不只是密度波动，而是由膨胀引起的引力波波动。到目前为止，观测结果与所有这些都是一致的，但我们还没有达到测试它们所必需的精度水平。
　　但四个独立的测试足以得出结论。尽管有一些反对者拒绝接受这一证据，但我们现在可以自信地说，我们已经在大爆炸之前走了，宇宙膨胀导致了我们宇宙的诞生。下一个问题，在膨胀结束之前发生了什么，这是我们21世纪宇宙学的研究前沿。