大約138億年前，我們所知的宇宙在被稱為大爆炸的瞬間開始。在那一刻，極熱和密集的能量和物質充斥著宇宙，推動了空間的膨脹。許多物理學家認為，在此後的第一瞬間，宇宙經歷了一個極其快速的膨脹階段：一個被稱為暴脹的過程。這個理論最令人驚奇的預測之一是，整個宇宙中所有星系的排列——宇宙中所有“物質”在最大尺度上的位置——是由發生在最小可能測量水平上的事件決定的：量子領域。然而，這個想法的支持者長期以來面臨一個棘手的問題：如果我們今天只能看到宏觀的結果，我們還能證實這個微觀起源的故事嗎？
“宇宙結構的量子起源問題是所有科學中最有趣的方面之一，”普林斯頓高等研究院的弦理論家和宇宙學家胡安·馬爾達西納說。馬爾達西納和其他研究人員尚未找到確鑿的答案。但新的研究工作為解決這個問題帶來了希望，暗示星系分佈中的某些蛛絲馬跡的模式最終可以對暴脹進行測試。
暴脹預測，無論我們在天空中看向何處，都應該發現星系幾乎是完全隨機的空間分佈。根據該理論，這種隨機性是因為星系生長的溫床本身具有純粹的隨機來源：所謂的量子真空的漲落。量子真空是充滿宇宙的量子場的體現。它也違反直覺地不是完全空的。在其中，場的短暫激發不斷出現然後消失，產生一種充滿虛空的量子靜態。
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如果沒有宇宙膨脹，這種靜態將不會表現出任何長期的結構。然而，根據暴脹，空間難以置信的膨脹應該將那些微觀的量子脈衝放大到宏觀尺寸。隨著它們的增長，漲落失去了消失回到真空霧霾的能力，並“凍結”為永久存在。它們變成了物理學家所說的“經典”，這意味著它們不再遵循量子力學的定律，而是根據引力，以愛因斯坦廣義相對論所闡明的方式以確定的方式演化。因此，在暴脹結束後，凍結的靜態印記應該仍然存在——以高於或低於平均密度的模式出現在整個宇宙物質均勻分佈中。這些模式幫助引導了星系的形成，隨著物質在引力的吸引力下進一步聚集在一起，星系在高密度區域合併。
這個理論故事引導我們得出一個非常詩意的結論，即宇宙中最大、最不可改變的結構——星系和星系團——必須來自最小、最短暫的量子振盪。然而，這個美麗的故事是真的嗎？當然，還有其他可能性：也許暴脹不是來自量子真空，而是由某種長壽命的量子粒子引發的。或者，甚至在暴脹之前的一些過程以某種方式在嬰兒宇宙中放置了一個經典的模式，暴脹放大了它但沒有創造它。任何一種情況都意味著對我們理解存在最早時刻發生的事情的徹底改變。
尋找訊號
自從1980年代早期暴脹理論發展以來，宇宙學家一直在思考這個謎團——更重要的是，如何解決它。大部分工作都在試圖確定量子真空起源的直接證據會是什麼樣子，以及它是否可以被測量。到目前為止，還沒有人找到令人滿意的答案。許多人懷疑這種方法是否可行。“這非常困難。這是一個非常小的影響，”美國宇航局噴氣推進實驗室的宇宙學家奧利維爾·多雷說，他仔細研究了這個問題。多雷和他的合作者認為，暴脹會將量子真空的任何蛛絲馬跡的跡象壓縮到遠低於實際測量能夠希望發現它們的水平。“很難想到可以測量的東西，”他說。
如果我們不能希望看到量子真空的直接證據，研究人員可以從另一個角度入手，尋找反對量子真空起源故事的證據。多雷和馬爾達西納，他也認為直接方法似乎沒有希望，他們都指向了加州大學聖地亞哥分校的宇宙學家丹尼爾·格林和德國電子同步加速器（DESY）的拉斐爾·波爾圖的一項新的預印本研究。這項工作現已被《物理評論快報》接受發表，表明可以透過仔細研究宇宙大尺度結構中的任何非隨機特徵來實現這種證據。
如果，事實上，我們生活在一個星系從量子混沌中生長出來的暴脹宇宙中，那麼我們應該期望發現它們隨機地散佈在整個空間中。宇宙學家已經在大型結構中發現了一些非隨機特徵。但是 這些觀測可以透過“暴脹後”過程來解釋，例如引力對星系團生長的影響。挑戰在於找到只能透過早期宇宙中的事件來解釋的非隨機性跡象。這種“原始”跡象可以揭示暴脹如何發生的細節，或者可以引導我們對該時期發生的事情有一個全新的認識。
繪製宇宙幾何
例如，研究人員可以透過研究由一組星系形成的幾何形狀來測試隨機性。任何三個可見的星系在天空中形成一個三角形，星系位於角上。問題是：其他三個隨機選擇的星系會形成多少次完全相同的三角形？一種有條不紊的搜尋，試圖解釋每個三角形的形狀並覆蓋天空中的每個點，可能會揭示宇宙學家是否可以期望在任何特定的三點配置中更頻繁地發現不同的星系。一個或多個“首選”三角形的存在——或者對任何其他幾何形狀的偏好，就此而言——將表明存在非隨機模式。宇宙學家然後不得不問，“什麼會導致這種情況？”
格林和波爾圖認為，如果宇宙結構的溫床不是來自量子真空——如果它反而來自非真空量子態或來自其起源早於暴脹的經典態——那麼那些額外的成分將改變最初的星系溫床的模式。這些新模式將以某些蛛絲馬跡的首選形狀出現在大尺度結構中。如果天文學家無法找到證據表明這些配置的出現頻率高於隨機機會所允許的頻率，那麼宇宙的大尺度結構就不可能來自其他起源。
至關重要的是，根據格林的說法，如果他描述的證據存在，那麼天文學家就有真正的希望看到它。第一步是檢測新的非隨機性跡象，無論它們是由原始暴脹還是後來的過程引起的。格林估計，這樣做可能需要將目前繪製星系位置的最新技術提高100倍。當然，這是一個崇高的目標，但它比測量多雷和其他人研究的潛在訊號的微小尺寸要容易得多。
如果觀察者成功檢測到非隨機性，接下來他們將尋找將其與暴脹聯絡起來的跡象，而不是隨後的事件。格林說，這一步是主要困難。然而，即使在這裡，也存在希望。由於宇宙時間後期發生的影響，他和波爾圖研究的首選形狀型別應該像其他形狀一樣引人注目。簡單地說，它們相對容易看到，而不是像對較大值進行的一些小調整那樣被隱藏起來。“你不必大海撈針，”波爾圖說。在沒有任何可檢測到的原始非隨機性跡象的情況下，理論家將很難提出可能掩蓋明顯訊號的令人困惑的影響或實驗缺陷。因此，缺乏任何格林和波爾圖首選形狀的跡象可能是支援暴脹和宇宙結構量子起源的證據。
多雷同意尋找非隨機跡象提供了一個令人興奮的前景，因為所需的測量雖然不能保證，但似乎是可行的。特別是在未來5到10年內，天文學家將通過幾個下一代觀測和望遠鏡（例如計劃於2024年發射的NASA衛星任務SPHEREx）建立前所未有的高質量星系分佈圖。雖然這樣的工作不能保證回答宇宙量子性的問題，多雷認為現在是思考這個問題的時候了。“很難預測，但我認為現在是這些問題非常活躍的時期。我認為有很多新想法出現，我希望會出現一些重要的東西。”
波爾圖也同意。“有很多資料，”他說，“還有很多工作要做。”想要解開宇宙演化的研究人員現在可以從粒子物理學、資料科學和引力波搜尋中引入工具。波爾圖說，當把所有這些放在一起時，“現在是最激動人心的時刻。”