宇宙从何而来？

　　要回答任何物理问题，你必须问宇宙本身。 但是当答案不再存在时会发生什么？
　　也许我们所能想到的最大问题是关于我们的终极起源：这一切从何而来？ 通过研究宇宙本身，我们可以发现这个问题的许多方面的答案：行星、恒星、元素、原子，甚至大爆炸是从哪里来的。 但是越往前走，我们就会发现我们遇到了一个不可避免的问题：宇宙无法提供超出某个点的答案。 我们如何做取决于我们自己。
　　在我们能想到的关于宇宙的所有问题中，也许最重要的一个问题是首先要问这一切是从哪里来的？这不是一个简单的问题，因为要了解某物的来源，我们必须首先准确地知道它是什么。同样，我们还必须充分了解物理定律，以便能够计算以一组特定初始条件开始的物理系统的结果。只有从这些起点，我们才能确定事物如何成为今天的样子的可能途径，并找出哪些做出与我们所居住的宇宙一致的预测。
　　然而，考虑到这一点的非凡之处在于：无论过去或未来我们何时会问这个问题，对它采取科学方法总是会产生相同的宇宙故事。今天，我们已经将边界推到了难以置信的远方，确定了行星、恒星、元素、原子等的起源。我们已经发现了关于热大爆炸的压倒性证据，甚至是在那个惊人的创造瞬间之前带我们去的信息。尽管我们都知道，但目前仍有一些史诗般的未知数没有解决方案。这就是我们今天的位置。
　　今天，当我们眺望地球之外的宇宙时，就会出现一幅光彩照人且相当全面的画面。我们知道我们的星球，就像宇宙中的其他星球一样，是由原子组成的。气态大气包裹着一个固体中心，该中心由最密集、最重的原子组成。较轻的层漂浮在较密的层之上，导致迄今为止充分研究的每颗行星、矮行星和卫星的组成结构都类似于洋葱。
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　　行星既可以自由漂浮在银河系中，也可以绕恒星运行，恒星将较轻的元素融合成核心中较重的元素。当一颗恒星耗尽燃料时，它的核心会收缩并升温。如果它变得足够热和密集，链中的下一组元素将继续融合；否则，这颗恒星会转变为恒星残骸：在某些情况下是温和的，而在另一些情况下则是灾难性的。
　　在更大的尺度上，恒星被组合成更大的组合，称为星系，星系聚集成群、星团，甚至更大的上层建筑。它们一起形成了一种称为宇宙网的结构，其中星系沿着细丝排列，在这些细丝的连接处聚集在一起，并且该结构被巨大的空虚宇宙空间隔开。
　　这就是宇宙。 然而，如果我们想知道它是如何变成这样的，我们必须将物理定律应用于宇宙，并遵循我们所知道的物理系统的演化。 例如：我们知道万有引力是如何工作的； 我们有支配它的广义相对论定律，所以无论你有质量或能量，你都有引力现象。我们知道电磁是如何工作的； 无论您有带电物体，无论是移动还是静止，或电磁波（即光子），电磁力都会发挥作用。我们知道核力是如何工作的，包括夸克和胶子如何结合在一起形成质子和中子，质子和中子如何结合在一起形成原子核，以及原子核的不稳定程度（以及除质子之外的夸克和/或反夸克的其他组合） 和中子）放射性衰变。我们知道如何对我们开始的任何物理系统进行时间进化。
　　简而言之，如果你给物理学家一组描述你的系统的初始条件，他们可以写下控制该系统演化的方程，并且可以告诉你——在自然界固有的不确定性和不确定性的极限—— 该系统的结果（或概率的结果集）将在未来的任何时候出现。
　　那么这一切是从哪里来的呢？
　　从地球开始是有意义的：充满了复杂、分化甚至智能的生命，有大气层、海洋，以及具有地壳、地幔、外核和内核的分层内部。简单地说，地球是由原子组成的。然而，在更复杂的层面上，地球是由构成元素周期表的全套原子组成的，主要由铁、氧、硅、镁、硫、镍、钙和铝组成。
　　这很有趣，因为这些元素绝大多数是重元素，而不是最轻的元素：氢和氦。但是，当我们审视宇宙时，氢和氦无处不在。事实上，它们非常丰富，构成了宇宙中超过 99% 的原子。按数量计算，只有不到 1% 的原子是更重的。
　　因此，为了制造一个像地球一样的行星——由岩石、金属、冰和复杂的分子构成——你需要有某种方法来创造这些更重的元素，然后将它们以足够的丰度聚集在一个地方，以便形成行星。幸运的是，当我们展望宇宙时，我们看到了发生这种情况所需的过程。
　　在恒星内部，发生核聚变，从较轻的元素中生成较重的元素。 在他们生命的尽头，这些明星，取决于他们的质量：成为红巨星，产生在他们一生中大部分时间都不会发生的新核过程。产生的强风，可以吹走恒星质量的很大一部分。可以死在行星状星云中，残余核心缩小成白矮星。可以在核心坍缩的超新星中死亡，内爆的残余物变成中子星或黑洞。而这些残余物，无论是白矮星还是中子星，后来都可能发生碰撞，引发失控反应，从而产生更多的更重元素。
　　这解释了为什么——与观察结果一致——我们可以找到以前形成的世代较少的恒星群，比如在银河系的外晕中，它们的重元素丰度较低。 类似地，有些恒星群中已经形成了更多代的恒星，例如在靠近银河系中心的银河平面中，它们的重元素丰度更高。
　　此外，我们最近直接拍摄了围绕新恒星形成的圆盘：原行星盘。 在内部，我们发现了年轻的、新形成的行星存在的间隙、团块和其他证据。 经过几代恒星的生死存亡，新一代恒星富含前几代人的回收材料，孕育了行星，包括含有生命成分的岩石行星。
　　事实上，当我们更深入地观察遥远的宇宙时，我们可以看到进化的不仅仅是重元素的丰度，还有星系本身。 在附近，我们发现大型螺旋星系和椭圆星系，它们紧密地聚集在一起，恒星形成率低，质量大，气体含量相对较低，总体而言，红色恒星的比例高于蓝色恒星。 但是当我们看得越来越远时，我们注意到我们看到的星系有两个主要区别。星系离得越远，它的进化就越少。 质量更小，星团更少，恒星形成在大约 110 亿年前达到顶峰，此后一直在下降，富含气体，重元素丰度较低，与现在相比，蓝星相对于红星的相对丰度更高—— 天星系。此外，星系越远，它的光就越系统地向更长的波长转移：宇宙学红移。
　　第二个属性，当你折叠广义相对论时，我们得出宇宙正在膨胀的结论。 膨胀导致所有光在穿过星际空间时都表现出宇宙学红移，因此越来越远的物体将拥有更大的红移，似乎会更快地远离我们，而且——也许最重要的是——我们＂ 我们会看到它们在更长的时间之前的样子，因为光只能以有限的速度传播：光速。
　　但星系随着时间的推移而增长和演化的事实表明了一些非常深刻的事情：如果我们能够尽早回顾，我们可能会发现＂第一批＂恒星和星系的种群，除此之外，根本就没有恒星或星系。 如果宇宙是：扩大。寒冷。并且随着时间的推移在引力上变得＂更笨重＂。
　　那么这就告诉我们，在早期，宇宙比今天更小、更密集、更热、更均匀。 只要我们愿意，我们可以使用这种逻辑并应用适当的物理学来推断事情。
　　当我们这样做时，我们会得出一组非凡的预测。宇宙只会根据膨胀宇宙中的引力增长规则发展结构，如星系、星系团和宇宙网。将会有一个时代，第一批恒星和星系会形成； 在此之前，只会有纯净之气。在此之前，宇宙中的辐射会非常热，以至于不可能形成中性原子，因此应该有迹象表明，我们第一次形成了稳定的中性原子。最后，在更早的时候，形成稳定的原子核会太热，所以当我们冷却到那个阈值时，我们应该得到一组特定的丰度，这些元素是早期聚变反应形成的元素。 宇宙。
　　这些预测都得到了验证，还有很多其他的预测。 我们发现剩余的微波辐射背景仅比绝对零点高 2.725 K：与热大爆炸的预期余辉一致。 我们已经发现了第一批原始气体云的证据，并发现它们完全由氢、氦和少量锂组成。 我们甚至从它们在宇宙大尺度结构和宇宙微波背景温度缺陷上的印记中间接检测到了预测的中微子和反中微子剩余背景。
　　而且我们知道，根据观察到的宇宙事实，它一定是在诞生时就带有将成为其大规模结构的种子：高密度和低密度区域的初始光谱。
　　是什么造成了最初的密度过大和密度过低？ 这就是宇宙暴胀理论的精彩之处。 这不仅会成为产生这些种子波动的机制，而且暴胀不仅会解释宇宙已经观察到的特性（各处温度相同、空间平坦、大尺度均匀性等），而且会做出新的预测： 这些波动应该是什么样子。
　　宇宙暴胀假设，在宇宙大爆炸之前，物质和辐射充满了炽热、致密、基本均匀且快速膨胀的宇宙，而宇宙却是完全空的。 只是，它不是没有能量（或非常少量，比如今天的暗能量），而是拥有空间结构固有的大量能量。 随着宇宙的膨胀，更多的空间被创造出来，因此能量密度保持不变。 结果，宇宙到处都印有相同的属性，它被拉伸以使其曲率平坦，而通常在微小尺度上遍布所有空间的量子涨落反而因膨胀而被拉长为巨大的宇宙涨落。
　　根据暴胀理论，这些波动应该创造了我们今天所拥有的结构的种子，它们将具有存在的属性：在所有尺度上几乎相同的量级。在比宇宙视界更大的尺度上产生（即，自热大爆炸开始以来，比光更大的尺度可能已经传播）。100% 绝热（恒定熵）和 0% 等曲率（恒定空间曲率）。
　　它还预测，大爆炸剩余辉光的特性应该表明宇宙大爆炸的最高温度远低于最高可能温度：普朗克温度。
　　不幸的是，这是我们今天对宇宙的理解所能追溯到的最远的地方。由于暴胀的性质，它必然会抹去在它发生之前存在于宇宙中的任何信息。事实上，我们只能希望了解在最后约 10-32 秒左右的通货膨胀期间发生的事情；在我们的宇宙中，我们将无法访问之前发生的任何事情。尽管我们可以自信地陈述我们可观测的宇宙来自哪里，并解释其中许多现象的起源，但空间、时间、能量或物理定律等事物首先来自哪里的问题，或者他们甚至是否开始，仍然没有答案。
　　尽管我们知道一切，但我们可以肯定，我们所知道的一切都是有限的。有有限数量的粒子，编码有限数量的信息，在我们可见的宇宙中已经存在了有限的时间。虽然诸如为什么我们的宇宙充满物质而不是反物质、为什么我们有暗物质和暗能量以及为什么自然常数具有它们所具有的值这样的问题有朝一日可能会得到解答，但不能保证宇宙中还剩下什么，今天，给了我们足够的信息来寻找答案。我们是否会回答这些问题仍然是未知数，但一旦我们决定不能并放弃搜索，我们就是对的。