栏目：科学好故事
来源：Forbes Science
撰文：伊森·西格尔（Ethan Siegel）
翻译：任天
即便不熟悉科幻作品的读者们应该也都听过刘慈欣的名字，听说过著名的科幻小说《三体》。然而甚少人知，刘慈欣还有一部发布于世纪之初的早期作品《朝闻道》，虽然篇幅简短，却探讨了人类面对真理与生命的选择题时会当如何这一深刻命题。
在《朝闻道》中，人类即将启动世界上最大的粒子加速器——爱因斯坦赤道。人类这一伟大作品将有助人类探寻宇宙大一统模型的庐山真面目。然而就在爱因斯坦赤道即将启动的当口，宇宙排险者出现，以大一统模型的证明会带来宇宙毁灭为由将爱因斯坦赤道生生蒸发。并且宇宙的“知识密封准则“要求排险者保守宇宙的秘密。距离真相一步之遥的科学家们并不甘心，他们提出可以将宇宙的终极奥秘告诉他们，随即将他们毁灭。于是在戈壁滩上建造起了一座”真理祭坛，站在其上的科学家们如愿以偿地从排险者处获知真理，旋即被毁灭。
正在膨胀的宇宙，充满了星系和我们如今观察到的各种复杂结构。宇宙是从一个更小、更热、更稠密、更均匀的状态产生的，但即使是这种初始状态也有其开端。宇宙暴胀是解释这一切起源的主要候选理论。《朝闻道》中的科学家们真理面前毋宁死的结局正正印证着论语中那句“朝闻道，夕死可矣。”或许是因为对宇宙了解越深越能更好地生存其中，或许是需要通过了解宇宙来定义自我，又或许只是因为人性中与生俱来的好奇与求知，人类从来没有放弃对宇宙起源的追溯。
在人类思考过的所有问题中，或许最深刻的一个问题便是：这一切从何而来？古往今来，对万物之始的溯源从远古神话到各类宗教及民间传说，再到近现代对宇宙的观测与探索，人类一直在讲述各种关于宇宙起源的故事，并试图从中找出看起来最合理的部分。直到近代，随着科学的发展，宇宙观测技术才开始逐步解决这一困扰哲学家、神学家和思想家的难题。通过对宇宙本身的探索，我们能否找到这一问题的答案？
20世纪给我们带来了广义相对论、量子物理学和大爆炸理论，所有这些领域的发展，都伴随着观测技术和实验的成功。这些框架使我们能够做出理论预测，然后进行验证，有些预测得到了证实，另一些则以失败告终。但是，对于解答一些无法解释的问题，我们还需要对更遥远的宇宙进行探测，比如大爆炸。当我们探测的范围越来越远时，就发现了一个令人不安的结论：关于宇宙起源的任何信息都不再包含在可观测的宇宙中。下面，我们就来讲述这个令人不安的故事。
我们今天看到的恒星和星系并不是一开始就存在。我们越往回追溯，宇宙就越接近一个明显的奇点，进入更热、更密集和更均匀的状态。然而，这种追溯是有限度的，因为回到奇点会引出我们无法回答的问题。20世纪20年代，也就是不到一个世纪以前，由于两组观测数据的完美融合，我们对宇宙的概念永远改变了。在之前的几年里，在维斯托·斯里弗（Vesto Slipher）的带领下，科学家们开始测量各种恒星和星云的光谱线——发射和吸收特征。宇宙中的原子在任何地方都是一样的，因此原子中的电子会产生相同的跃迁，即它们具有相同的吸收和发射光谱。但是，一些星云，尤其是螺旋星云和椭圆星云，其光谱中具有极大的红移，这对应了极高的远离速度——比银河系中其他任何星云都要快。
从1923年开始，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）和弥尔顿·赫马森（Milton Humason）开始测量这些星云中的单个恒星，确定地球与它们之间的距离。这些恒星位于银河系以外，距离通常都可达数百万光年。当我们将这些距离与红移测量数据结合起来分析时，便会不可避免地得出一个结论：宇宙正在膨胀。这一结论也得到了爱因斯坦广义相对论的理论支持。一个星系距离我们越远，它远离我们的速度似乎就越快。
1929年，哈勃发表了对宇宙膨胀的观测结果，随后的观测更加详细，但也更加不确定。哈勃的示意图清楚地揭示了红移-距离关系，数据也优于他的前辈和竞争对手；现代的观测结果更加详尽。可以发现，远离速率一直存在，即使在很远的距离上，但更重要的是总体趋势。如果今天的宇宙仍在膨胀，那就意味着下面所有的推论都是正确的：
1。宇宙的密度正变得越来越小，因为其中（固定数量的）物质所占据的体积越来越大；
2。宇宙正在冷却，因为其内部的光被拉伸至更长的波长；
3。随着时间的推移，那些没有通过引力结合在一起的星系会越来越远。
这些推论既不可思议又令人费解，但又能让我们推断出，随着时间无情地向前推进，宇宙将会发生什么。不过，告诉我们未来会发生什么的物理定律，也能告诉我们过去发生了什么，宇宙本身也不例外。如果今天的宇宙在膨胀、冷却、密度减小，那就意味着在遥远的过去，存在一个更小、更热、密度更大的宇宙。
在宇宙膨胀时，物质（包括正常物质和暗物质）和辐射会由于体积的增加而密度变小，但暗能量以及暴胀时的场能量，则是空间本身固有的一种能量形式。当膨胀的宇宙中产生新的空间时，暗能量的密度保持不变。宇宙大爆炸的概念就是要尽可能地向前追溯：当我们观测到越来越久远的宇宙时，会发现宇宙变得越来越热、越来越密、越来越均匀。这导致了一系列惊人的预测，包括：
?更遥远的星系应该比如今的星系更小、数量更多、质量更低，并且具有更多炽热的蓝色恒星；
?当我们回溯过去时，重元素应该会越来越少；
?应该会有那么一段时期，由于宇宙温度太高，无法形成中性原子（那个时期会遗留下来一些现已冷却的辐射）；
?应该会有一段时期，原子核甚至会被超高能量辐射炸开（留下氢和氦同位素的残余混合物）。
所有这4项预测都已被观测证实。天文学家在20世纪60年代中期发现的辐射残留最初被称为“原始火球”，现在被称为宇宙微波背景辐射，这通常被认为是大爆炸理论的确凿证据。
阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在新泽西州霍尔姆德尔假设了一台天线，那里是宇宙微波背景第一次被发现的地方。尽管许多源都能产生低能量辐射背景，但宇宙微波背景的特征表明了其古老起源。你可能会认为，通过观测宇宙微波背景辐射，我们可以任意地追溯过去，一直到大爆炸，即宇宙中所有的物质和能量集中到一个点的时刻。此时的宇宙将达到无限高的温度和密度，创造出一种被称为“奇点”的物理条件。对于奇点，我们用已知物理定律给出的预测将不再有意义，也不再有效。
经过几千年的探索，我们终于找到了宇宙的起源！宇宙始于有限时间前的一次大爆炸，与空间和时间的诞生相对应，而我们所观察到的一切都是大爆炸之后的产物。这是人类第一次有了一个科学的答案，不仅真正地表明了宇宙有一个开始，而且还表明了这个开始是在什么时候发生的。乔治·勒梅特（Georges Lemaitre）是第一个将宇宙膨胀的物理学理论联系起来的人，他将这个开端称为“没有昨天的一天”。
宇宙膨胀的历史示意图，包括被称为大爆炸的极热、极密状态，以及随后结构的出现和形成。全套数据，包括对轻元素和宇宙微波背景的观测结果，使大爆炸作为我们所看到的一切的唯一有效解释。宇宙在膨胀时也会冷却，使离子、中性原子形成分子、气体云、恒星，最后形成星系。然而，大爆炸并非最终结论，反而又引发了许多尚未解决的谜题。
背景辐射具有几乎相同的温度，那么在没有时间交换信息（即使是光）的情况下，那些没有因果联系的区域为什么会具有相同的温度？
为什么宇宙的初始膨胀率（使物体膨胀的速率）与宇宙的总能量（受引力作用并对抗膨胀）一开始就完全平衡：可以精确到小数点后50位以上？
如果宇宙在早期就达到了超高的温度和密度，那么今天的宇宙中为什么没有那个时期遗留下来的残留物（如磁单极子）？
整个20世纪70年代，世界上顶尖的物理学家和天体物理学家都在思考这些问题，并将这些难题的可能答案理论化。后来，在1979年末，一位名叫阿兰·古斯（Alan Guth）的年轻理论物理学家取得了一个改变历史的惊人发现。
最上图显示了我们今天的宇宙到处都有相同的特性（包括温度），因为它来自一个具有相同特性的区域。中图显示了可能有任意曲率的空间暴胀到我们现在无法观察到的程度，解决了平坦性的问题。下图中，原有的高能遗迹因为暴胀而消失，解决了高能遗迹的问题。这就是暴胀如何解决大爆炸本身无法解释的三大难题。
这个新理论被称为“宇宙暴胀”。大爆炸的概念可能只是对某个时间点的一个很好的推断，暴胀时期就出现在这个时间点之后。暴胀并不意味着达到任意的高温、密度和能量，而是：
?宇宙不再充满物质和辐射；
?宇宙具有空间结构本身固有的大量能量；
?导致宇宙空间指数膨胀（膨胀速率不随时间变化）；
?将宇宙推到平坦、真空、均匀的状态，直到暴胀结束。
当暴胀结束时，宇宙本身固有的能量（除了量子涨落之外，在任何地方都是相同的能量）转化为物质和能量，导致了一场热的大爆炸。
暴胀期间发生的量子涨落在宇宙中伸展，当暴胀结束时，它们变成密度涨落。随着时间的推移，导致了今天宇宙的大尺度结构，以及在微波背景辐射中观察到的温度波动。类似的这些新预测对于证明新提出的微调机制的有效性必不可少。在理论上，暴胀假说是一个伟大的飞跃，因为它为科学家观测到的宇宙特性提供了一个合理的、大爆炸本身无法自圆其说的物理解释。不相连的区域温度相同，因为它们都来自于同一个膨胀的空间“斑块”。膨胀率和能量密度是完全平衡的，是因为在大爆炸之前，暴胀赋予了宇宙同样的膨胀率和能量密度。至于没有剩余的高能残留物，则因为宇宙只有在暴胀结束后才达到有限的温度。
事实上，暴胀理论还做出了一系列与非暴胀理论不同的新颖预测，这就意味着我们可以对此进行验证。截止到2020年，科学家已经收集了数据，对其中4个预测进行检验：
1。宇宙在热大爆炸期间应该有一个非无限的、最高的温度上限；
2。暴胀应该具有量子涨落，即空间任意位置对于能量的暂时变化，这些变化将成为100%绝热（具有恒定熵）的宇宙中的不均匀性；
3。一些量子涨落应该存在于超视界尺度上：自热大爆炸以来，在比光可能穿越的尺度更大的尺度上的涨落；
4。这些量子涨落应该几乎（但不是完全）具有尺度不变性，在大尺度上的量级会比小尺度上的稍微大一些。
来自早期宇宙暴胀时期的大、中、小尺度的涨落决定了大爆炸余辉中的热点和冷点（低密度区和高密度区）。这些量子涨落在暴胀中延伸到整个宇宙，在小尺度和大尺度上应该有轻微的不同。利用来自宇宙背景探测器（COBE）、威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和普朗克卫星等探测器的数据，科学家对上述4个预测进行了检验，只有暴胀理论（而非无暴胀热大爆炸理论）得出了与观测结果一致的预测。然而，这只意味着大爆炸并不是一切的开始，而只是我们所熟悉的宇宙的开端。在热大爆炸之前，存在被称为宇宙暴胀的状态，最终结束并导致了热大爆炸。我们可以在今天的宇宙中观察到宇宙暴胀的痕迹。
然而，只有在最后极微小的瞬间，也许只有在最后10^-33秒的时间里，我们才能观察到暴胀在宇宙中留下的印记。宇宙暴胀可能只持续了这么一点时间，或者更久一些。暴胀状态有可能是永恒的，也有可能是短暂的，由其他东西产生的。有一种可能是，宇宙确实始于一个奇点，或作为周期的一部分出现，或是一直存在。但这些信息并不存在于我们的宇宙中。就其本质而言，暴胀抹去了其之前宇宙中存在的一切。
暴胀期间发生的量子涨落确实会在宇宙中拉伸，但它们也会导致总能量密度的涨落。这些场涨落导致了早期宇宙的密度不均匀性，进而导致宇宙微波背景中的温度涨落。根据暴胀理论，涨落在本质上是绝热的。从很多方面来看，暴胀就像按下宇宙的“重置”按钮。任何在暴胀之前存在的东西——如果有的话——都会迅速而彻底地膨胀，留给我们的只有真空、均匀的空间，以及叠加在上面、由暴胀产生的量子涨落。当暴胀结束时，只有一小部分空间——介于一个足球和一个城市街区之间——将成为我们可观测的宇宙。其他的一切，包括任何可以重建宇宙早期事件的信息，都是现在的我们永远无法触及的。
这是所有科学中最了不起的成就之一：我们可以回溯一百多亿年前，了解目前所知的宇宙是何时以及如何形成的。但是，和许多科学探索一样，揭示这些答案只会引发更多的问题。只不过，这次出现的谜题可能永远不会有明确的答案。如果这些信息不再存在于宇宙之中，那就需要一场物理学革命才能解决这最大的谜团：宇宙万物从何而来？
