任何物理問題的解答，最終都必須回到宇宙本身。然而，如果答案不再存在的話，我們又該怎么辦？
在人類所能想到的關(guān)于宇宙的所有問題中，最宏大的一個問題或許是：宇宙最初從何而來？這不是一個簡單的問題，因為要想理解某種事物從何而來，我們首先必須準(zhǔn)確地知道它是什么。同樣，我們也必須充分理解物理定律，以便從一組特定的初始條件開始，計算出一個物理系統(tǒng)的結(jié)果。只有從這些初始條件出發(fā)，我們才能確定事物演變的可能途徑，了解它們究竟如何變成今天的樣子，并找出哪些預(yù)測與我們所處的宇宙相符。
然而，這種思考方式很不可思議的一點(diǎn)是：無論我們在過去或未來的任何時間提出這個問題，并用科學(xué)的方法來解決它，總是會得出相同的宇宙故事。今天，人類對宇宙起源的追溯已經(jīng)達(dá)到了難以置信的程度，甚至已經(jīng)確定了行星、恒星、元素、原子等事物的起源。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量關(guān)于宇宙熱大爆炸的證據(jù)，甚至還發(fā)現(xiàn)了大爆炸之前的信息。盡管取得了這些認(rèn)識，但仍有許多與宇宙有關(guān)的宏大未知謎團(tuán)等待我們解決。這就是我們今天的處境。
今天，當(dāng)我們放眼地球之外的宇宙時，會浮現(xiàn)出一幅輝煌而又相當(dāng)全面的圖景。我們所棲居的行星，就像宇宙中的其他行星一樣，是由原子組成的。一個由密度最大、質(zhì)量最重的原子組成的固體中心被氣態(tài)的大氣層所覆蓋。較輕的一層漂浮在較重的一層之上，形成類似洋蔥的結(jié)構(gòu)，迄今為止被人類充分研究過的每一顆行星、矮行星和衛(wèi)星都是如此。
行星既可以在星系中自由漂浮，也可以圍繞恒星運(yùn)行。恒星的核心一直在進(jìn)行核聚變反應(yīng)，將較輕的元素融合成較重的元素。當(dāng)一顆恒星的燃料耗盡時，它的核心會坍縮并升溫。如果溫度足夠高，密度足夠大，反應(yīng)鏈條中的下一組元素將繼續(xù)融合；否則，恒星就會轉(zhuǎn)變成恒星殘骸。在某些情況下，這些殘骸是溫和的，但在另一些情況下則會產(chǎn)生劇烈的反應(yīng)。
在更大的尺度上，恒星組合成更大的集合，即星系；星系聚集成團(tuán)，即星系群和星系團(tuán)，甚至更大的超星系團(tuán)。它們一起形成了所謂的“宇宙網(wǎng)”，星系沿著大尺度纖維狀結(jié)構(gòu)排列，在纖維的連接節(jié)點(diǎn)聚集成超星系團(tuán)；與此同時，這個結(jié)構(gòu)被巨大的、空虛的宇宙空間——稱為“空洞”——隔開。
這就是宇宙今天的模樣。如果我們想知道宇宙是如何變成這樣的，就必須將物理學(xué)定律應(yīng)用到宇宙中，并遵循我們已知的物理系統(tǒng)演化規(guī)律。例如：
（1）我們知道萬有引力是如何作用的，并且有支配引力的廣義相對論，因此只要有質(zhì)量或能量，就有萬有引力現(xiàn)象；
?。?）我們知道電磁力是如何作用的；當(dāng)一個物體帶有電荷，無論其是運(yùn)動的還是靜止的，或者以電磁波（比如光子）的形式存在，都會涉及到電磁力的作用。
?。?）我們知道核力是如何作用的，包括夸克和膠子如何結(jié)合在一起形成質(zhì)子和中子，質(zhì)子和中子如何結(jié)合在一起形成原子核，以及不穩(wěn)定的原子核（包括除質(zhì)子和中子之外的夸克和/或反夸克的其他組合）如何發(fā)生放射性衰變；
（4）我們知道如何對最開始時使用的任意物理系統(tǒng)進(jìn)行時間演化運(yùn)算。
簡單來說，如果你給物理學(xué)家提供一組初始條件來描述你的系統(tǒng)，他們可以寫出控制該系統(tǒng)演化的方程，并且告訴你——達(dá)到自然界固有的不確定性和非決定性的極限——該系統(tǒng)在未來任何時刻的結(jié)果（或概率結(jié)果集）是什么。
那么，這一切從何而來呢？
讓我們從地球說起。地球上充滿了復(fù)雜性和差異性，甚至是智能生命，還有大氣層和海洋，以及地殼、地幔、外核和內(nèi)核等分層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。簡單來說，地球是由原子組成的，但在更復(fù)雜的層面上，地球是由組成元素周期表的整套原子組成的，主要是鐵、氧、硅、鎂、硫、鎳、鈣和鋁。
這很有趣，因為這些元素絕大多數(shù)都是重元素，而不是最輕的氫和氦。然而，當(dāng)我們觀察宇宙時，會發(fā)現(xiàn)氫和氦無處不在。事實上，這兩種元素異常豐富，構(gòu)成了宇宙中99%以上的原子；如果按數(shù)量計算，宇宙中只有不到1%的原子是比氫和氦更重的元素。
因此，為了制造一個像地球一樣的行星——由巖石、金屬、冰和復(fù)雜的分子組成——就需要有某種方法來制造這些較重的元素，然后將它們以足夠多的數(shù)量聚集起來，進(jìn)而形成行星。幸運(yùn)的是，當(dāng)我們望向宇宙時，可以看到發(fā)生這一切所必需的各種過程。
恒星內(nèi)部會發(fā)生核聚變，由較輕的元素形成較重的元素。在恒星生命的末期，它們的命運(yùn)根據(jù)其質(zhì)量而各不相同：
?。?）成為紅巨星，出現(xiàn)新的核反應(yīng)過程，這些過程在它們生命的大部分時間里都不會發(fā)生；
（2）產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng)，將恒星質(zhì)量的很大一部分吹走；
?。?）在行星狀星云中死亡，殘余的核心會縮小成一顆白矮星；
（4）可能以核心坍縮的超新星形式死亡，內(nèi)爆的殘余要么成為中子星，要么成為黑洞；
?。?）這些殘余，無論是白矮星還是中子星，隨后會發(fā)生碰撞，引發(fā)失控的核聚變反應(yīng)，從而創(chuàng)造出更豐富的重元素。
這就解釋了為什么在一些恒星群中，我們只能找到很少的之前形成的恒星——這與觀測結(jié)果一致。比如在銀河系銀暈外側(cè)的恒星群，它們的重元素豐度就相對較低。同樣地，在一些恒星群中，恒星形成的世代更多，比如在靠近星系中心的星系平面中，重元素豐度更高。
此外，天文學(xué)家最近直接拍攝了新恒星周圍形成的圓盤：原行星盤。在這個圓盤內(nèi)部，他們發(fā)現(xiàn)了大大小小的空隙和團(tuán)塊，以及年輕行星和新生行星存在的證據(jù)。在幾代恒星誕生、存在和死亡之后，新一代的恒星富含從之前死亡恒星中回收的物質(zhì)，從中產(chǎn)生了行星，包括具有生命成分的巖石行星。
事實上，當(dāng)我們進(jìn)一步回顧久遠(yuǎn)的宇宙歷史時，會看到不僅僅是大量的重元素在演化，星系本身也在演化。在鄰近的宇宙中，我們發(fā)現(xiàn)了巨大的螺旋星系和橢圓星系，它們密集地聚集在一起，具有較低的恒星形成率和較大的質(zhì)量，且氣體含量相對較低；總體上，這些星系中的紅色恒星比例要大于藍(lán)色恒星。不過，隨著觀測的距離越來越遠(yuǎn)，我們就會注意到星系之間的兩個主要差別：
（1）星系越遠(yuǎn)，其演化程度越低。它們的質(zhì)量更小，聚集程度更低，恒星形成在大約110億年前達(dá)到頂峰，此后一直下降；它們具有豐富的氣體，重元素的豐度較低，與現(xiàn)在的星系相比，藍(lán)色恒星比紅色恒星的相對豐度更高；
?。?）此外，星系離得越遠(yuǎn)，它發(fā)出的光就越會系統(tǒng)性地向更長的波長移動，這就是所謂的“宇宙學(xué)紅移”。
第二點(diǎn)在廣義相對論的框架中，會讓我們得出宇宙正在膨脹的結(jié)論。膨脹導(dǎo)致所有的光在穿越星系際空間時都表現(xiàn)出宇宙紅移，因此越遠(yuǎn)的物體其紅移更大，看起來遠(yuǎn)離我們越快。而且——這也許最重要的一點(diǎn)——我們將看到它們在更長一段時間之前的狀態(tài)，因為光只能以有限的速度傳播。在狹義相對論中，光速是宇宙中所有物質(zhì)運(yùn)動和信息傳播的速度上限。
然而，一個明確的事實是：星系會隨著時間的推移增長并演化。這就給了我們一些意義深遠(yuǎn)的啟示：如果能足夠早地回顧過去，我們可能就會發(fā)現(xiàn)“最早的”恒星群和星系；在那個節(jié)點(diǎn)之前，宇宙中就不存在恒星或星系。如果宇宙：
?。?）一直在膨脹；
?。?）持續(xù)冷卻；
（3）引力效應(yīng)隨著時間的推移變得“更笨重”。
那么，我們就可以得出結(jié)論：早期宇宙比現(xiàn)在更小、密度更大、溫度更高、更均勻。利用這個邏輯，我們就可以用合適的物理學(xué)原理，推斷出宇宙最初的情況。
天文學(xué)家們就是這么做的，并得出了一系列不同尋常的預(yù)測：
（1）根據(jù)膨脹宇宙中引力效應(yīng)增長的規(guī)律，宇宙只會發(fā)展出諸如星系、星系團(tuán)和宇宙網(wǎng)等結(jié)構(gòu)；
?。?）存在一個恒星和星系最初形成的時期，在那之前，宇宙中只有原始?xì)怏w；
?。?）在這段時期之前，宇宙的輻射會非常強(qiáng)烈，溫度非常高，以至于不可能形成中性原子，因此穩(wěn)定的中性原子第一次形成時應(yīng)該有某種跡象；
（4）在更早的時候，宇宙會因為溫度太高而無法形成穩(wěn)定的原子核，因此當(dāng)宇宙冷卻至低于這個閾值時，應(yīng)該會出現(xiàn)一組特定豐度的元素，而這些元素是由早期宇宙的聚變反應(yīng)形成的。
所有這些預(yù)測都得到了觀測結(jié)果的證實，但另一些發(fā)現(xiàn)更加令人印象深刻。比如僅比絕對零度高2.725K的宇宙微波背景輻射，就與科學(xué)家預(yù)期的大爆炸余輝相吻合。天文學(xué)家還探測到了第一批原始?xì)庠茍F(tuán)的證據(jù)，并發(fā)現(xiàn)它們完全由氫、氦和少量鋰組成。我們甚至從中微子和反中微子在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)和宇宙微波背景中的溫度缺陷印記中，間接地探測到預(yù)期的中微子和反中微子背景殘留。
根據(jù)目前觀察到的宇宙事實可知，宇宙一定是在其大尺度結(jié)構(gòu)的“種子”基礎(chǔ)上誕生的，而這些“種子”最初就是由一系列高密度區(qū)域和低密度區(qū)域組成的。
那么，是什么導(dǎo)致了最初的高密度和低密度區(qū)域呢？這就涉及到宇宙暴脹理論的卓越之處了。該理論不僅提供了一種產(chǎn)生這些宇宙結(jié)構(gòu)“種子”的量子漲落機(jī)制，還能解釋目前已經(jīng)觀測到的宇宙特征（到處都是相同的溫度、空間平坦性、大尺度均勻性等），并且能對這些量子漲落應(yīng)該是什么樣子做出新的預(yù)測。
宇宙暴脹理論認(rèn)為，在熱大爆炸時，熾熱、致密、基本均勻且快速膨脹的宇宙中充滿了物質(zhì)和輻射，而在此之前，宇宙是完全空蕩蕩的。只不過，此時的宇宙并非沒有能量（或者說非常少的能量，就像今天的暗能量一樣），而是將巨大的能量蘊(yùn)含在空間結(jié)構(gòu)中。隨著宇宙膨脹，更多的空間被創(chuàng)造出來，使得能量密度保持不變。結(jié)果，宇宙在任何地方都被賦予了相同的屬性，它被拉伸到曲率極為平坦的程度——宇宙中物質(zhì)的密度非常接近平坦宇宙所需的臨界密度。另一方面，通常在微小尺度上遍布所有空間的量子漲落，卻被暴脹拉伸到巨大的宇宙尺度。
根據(jù)暴脹理論的預(yù)測，這些量子漲落創(chuàng)造出了今天宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)的種子，它們應(yīng)該具有以下特征：
?。?）在所有尺度上具有幾乎相同的幅度；
?。?）產(chǎn)生于比宇宙視界更大的尺度（也就是說，比自熱大爆炸開始以來光可能傳播的范圍更大）；
?。?）100%絕熱（熵恒定），等曲率為0（空間曲率恒定）。
暴脹理論還預(yù)測，大爆炸殘留輝光的性質(zhì)可以表明熱大爆炸的最高溫度，而這個溫度大大低于可能的最高溫度——普朗克溫度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型，普朗克溫度是溫度的基礎(chǔ)上限，現(xiàn)代物理學(xué)理論在該溫度下失效，而目前還沒有被廣泛接受的量子引力理論來對其進(jìn)行解釋。換言之，這是量子理論與引力結(jié)合的一個基礎(chǔ)極限，當(dāng)溫度達(dá)到普朗克溫度時，量子引力效應(yīng)便會介入。
遺憾的是，這是我們今天對宇宙的理解所能追溯到的最久遠(yuǎn)的時期。由于暴脹的本質(zhì)，它必然會抹去宇宙中任何在它發(fā)生之前就存在的信息。事實上，我們只能希望看到暴脹時期最后階段——大爆炸后10^-32秒左右——發(fā)生了什么；之前發(fā)生的任何事情，在今天的宇宙中都是無法探測到的。盡管我們可以很有信心地推測可觀測宇宙從何而來，并解釋宇宙中許多現(xiàn)象的起源，但類似的問題，包括空間、時間、能量或物理定律最初的起源等，至今仍未找到答案。
可以肯定的是，我們現(xiàn)在所知道的一切都是有限的。有限數(shù)量的粒子，編碼了有限數(shù)量的信息，它們在可見宇宙中存在了有限的時間。但宇宙中為什么充滿了物質(zhì)和反物質(zhì)？為什么有暗物質(zhì)和暗能量？以及為什么會有數(shù)值固定不變的物理常數(shù)？我們不能保證今天的宇宙能給予我們足夠的信息，來找到所有這些問題的答案。當(dāng)然，路漫漫其修遠(yuǎn)兮，只要不放棄尋找，人類一定會慢慢地接近宇宙的真相。（任天）
