宇宙在空間和時間上都非常浩瀚，在人類歷史的大部分時間裡，都超出了我們儀器和思想的觸及範圍。這種情況在 20 世紀發生了巨大的變化。這些進步同樣受到強大的思想（從愛因斯坦的廣義相對論到現代基本粒子理論）和強大的儀器（從喬治·埃勒裡·海爾建造的 100 英寸和 200 英寸反射望遠鏡，它將我們帶出了銀河系，到哈勃太空望遠鏡，它將我們帶回了星系的誕生）的驅動。在過去的 20 年裡，隨著人們意識到暗物質不是由普通原子構成、暗能量的發現以及宇宙暴脹和多元宇宙等大膽想法的出現，進展的速度加快了。
100 年前的宇宙很簡單：永恆的、不變的，由一個星系組成，包含數百萬顆可見恆星。今天的景象更加完整和豐富。宇宙始於 137 億年前的大爆炸。在開始後的極短時間內，宇宙是基本粒子、夸克和輕子的熱的、無定形的湯。隨著它的膨脹和冷卻，結構層層發展：中子和質子、原子核、原子、恆星、星系、星系團，最後是超星系團。現在，可觀測宇宙居住著 1000 億個星系，每個星系包含 1000 億顆恆星，可能還有數量相似的行星。星系本身透過神秘的暗物質的引力結合在一起。宇宙繼續膨脹，實際上是以加速的速度膨脹，這是由暗能量驅動的，暗能量是一種更加神秘的能量形式，其引力是排斥而不是吸引。
我們宇宙故事的主題是從夸克湯的簡單性演變為我們在星系、恆星、行星和生命中看到的複雜性。這些特徵在數十億年的時間裡逐一齣現，並受基本物理定律的指導。在我們回到創世之初的旅程中，宇宙學家首先穿越宇宙的既定歷史，回到最初的微秒；然後回到開始後的 10–34 秒內，這些想法已經形成，但證據尚不確鑿；最後回到創世的最早時刻，對於這些時刻，我們的想法仍然只是推測。雖然宇宙的最終起源仍然超出我們的掌握，但我們有一些誘人的猜想，包括多元宇宙的概念，即宇宙包含無限數量的斷開連線的子宇宙。
關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
膨脹的宇宙
1924 年，埃德溫·哈勃使用威爾遜山上的 100 英寸胡克望遠鏡表明，幾百年來一直被研究和推測的模糊星雲是像我們自己的星系一樣的星系，從而將已知的宇宙擴大了 1000 億倍。幾年後，他表明星系正在以數學關係描述的規則模式相互遠離，這種關係現在被稱為哈勃定律，根據該定律，距離較遠的星系移動得更快。正是哈勃定律，在時間上倒放，指向了 137 億年前的大爆炸。
哈勃定律在廣義相對論中找到了現成的解釋：空間本身正在膨脹，星系正在被帶動前進。光線也在被拉伸或紅移——這個過程會消耗它的能量，因此宇宙會隨著膨脹而冷卻。宇宙膨脹為理解今天的宇宙是如何形成的提供了敘述。當宇宙學家想象倒轉時鐘時，宇宙變得更密集、更熱、更極端和更簡單。在探索開端時，我們還透過利用比地球上建造的任何加速器都強大的加速器——大爆炸本身——來探測自然的內部運作。
天文學家透過望遠鏡向太空深處觀察，可以回溯時間——望遠鏡越大，他們回溯的時間就越遠。來自遙遠星系的光揭示了一個更早的時代，而這種光的紅移量表明宇宙在過去幾年中增長了多少。目前的記錄保持者紅移約為 8，代表宇宙大小為現在的九分之一，只有幾億年的歷史。哈勃太空望遠鏡和莫納克亞的 10 米凱克望遠鏡等望遠鏡經常將我們帶回到像我們這樣的星系正在形成的時代，即大爆炸後幾十億年。來自更早時代的光線被強烈紅移，以至於天文學家必須在紅外和無線電波段尋找它。即將推出的望遠鏡，如詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（一個 6.5 米的紅外望遠鏡）和阿塔卡瑪大型毫米波陣列 (ALMA)（位於智利北部的一個由 64 個無線電天線組成的網路），將帶我們回到第一批恆星和星系的誕生。
計算機模擬表明，當宇宙大約 1 億年時，這些恆星和星系出現了。在那之前，宇宙經歷了一個被稱為“黑暗時代”的時期，那時宇宙幾乎一片漆黑。空間充滿了單調乏味的混合物，五份暗物質和一份氫和氦，隨著宇宙膨脹而變稀。物質的密度略有不均，引力起到了放大這些密度變化的作用：密度較高的區域比密度較低的區域膨脹得更慢。到 1 億年時，密度最高的區域不僅膨脹得更慢，而且實際上開始坍縮。這樣的區域每個都包含約一百萬個太陽質量的物質。它們是宇宙中最早的引力束縛天體。
暗物質佔了它們質量的大部分，但顧名思義，它無法發射或吸收光。因此，它仍然處於擴充套件雲中。另一方面，氫氣和氦氣會發光、失去能量並集中在雲的中心。最終，它完全坍縮成恆星。這些第一批恆星比今天的恆星質量大得多——數百個太陽質量。它們的壽命非常短暫，在爆炸並留下第一批重元素之前就結束了。在接下來的十億年左右的時間裡，引力將這些百萬太陽質量的雲組裝成第一批星系。
來自原始氫雲的輻射，被膨脹大大紅移，應該可以被總收集面積達一平方公里的巨型無線電天線陣列探測到。建成後，這些陣列將觀察第一代恆星和星系電離氫氣並結束黑暗時代[參見“宇宙的黑暗時代”，作者：亞伯拉罕·勒布；《大眾科學》，2006 年 11 月]。
熾熱開端的微弱光芒
超越黑暗時代的是紅移為 1,100 的熾熱大爆炸的光芒。這種輻射已從可見光（紅橙色光芒）紅移到甚至紅外線以外的微波。我們從那時看到的是填充天空的微波輻射牆——宇宙微波背景輻射 (CMB)，由阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜於 1964 年發現。它讓我們得以一窺宇宙在 380,000 歲時的樣子，即原子形成的時期。在那之前，宇宙是原子核、電子和光子的近乎均勻的湯。當它冷卻到約 3,000 開爾文的溫度時，原子核和電子結合在一起形成原子。光子不再從電子上散射，而是無阻礙地穿過太空，揭示了恆星和星系存在之前的更簡單宇宙。
1992 年，美國宇航局的宇宙背景探測者衛星發現 CMB 的強度有輕微的變化——約 0.001%——反映了物質分佈的輕微結塊。原始結塊的程度足以充當星系和更大結構的種子，這些結構後來將在引力的作用下出現。天空中 CMB 中這些變化的模式也編碼了宇宙的基本屬性，例如它的整體密度和組成，以及關於其最早時刻的暗示；對這些變化的仔細研究揭示了關於宇宙的許多資訊。
當我們從那時開始倒放宇宙演化的電影時，我們看到原始等離子體變得越來越熱和越來越稠密。在大約 100,000 年之前，輻射的能量密度超過了物質的能量密度，這阻止了物質結塊。因此，這個時間標誌著宇宙中今天看到的所有結構的引力組裝的開始。再往前追溯，當宇宙不足一秒大時，原子核尚未形成；只有它們的組成粒子——即質子和中子——存在。原子核出現在宇宙幾秒大時，當時的溫度和密度恰好適合核反應。這個大爆炸核合成過程只產生了元素週期表中最輕的元素：大量的氦（約佔宇宙中原子質量的 25%）和少量的鋰以及同位素氘和氦 3。其餘的等離子體（約 75%）保持質子的形式，這些質子最終將變成氫原子。元素週期表中所有其餘的元素都在數十億年後在恆星和恆星爆炸中形成。
核合成理論準確地預測了在宇宙最原始樣本（即最古老的恆星和高紅移氣體雲）中測量的元素和同位素的丰度。氘的丰度對宇宙中原子的密度非常敏感，它起著特殊的作用：它的測量值意味著普通物質佔總能量密度的 4.5 ± 0.1%。 （其餘的是暗物質和暗能量。）這個估計值與從 CMB 分析中收集到的成分完全一致。這種對應關係是一次偉大的勝利。這兩種非常不同的測量方法，一種基於宇宙一秒大時的核物理學，另一種基於宇宙 380,000 歲時的原子物理學，它們的一致性不僅是對我們宇宙演化模型的有力檢驗，也是對所有現代物理學的有力檢驗。
夸克湯中的答案
早在微秒之前，甚至質子和中子都無法存在，宇宙是自然界基本構成模組的湯：夸克、輕子和力載體（光子、W 和 Z 玻色子和膠子）。我們可以確信夸克湯存在，因為粒子加速器實驗已經在今天的地球上重新創造了類似的條件[參見“最初的幾個微秒”，作者：邁克爾·里爾丹和威廉·A·扎伊克；《大眾科學》，2006 年 5 月]。
為了探索這個時代，宇宙學家不是依靠更大更好的望遠鏡，而是依靠來自粒子物理學的強大思想。30 年前粒子物理學標準模型的建立導致了大膽的推測，包括弦理論，關於看似不同的基本粒子和力是如何統一的。事實證明，這些新想法對宇宙學的影響與熱大爆炸的原始想法一樣重要。它們暗示了非常大的世界和非常小的世界之間深刻而意想不到的聯絡。關於三個關鍵問題的答案——暗物質的性質、物質與反物質之間的不對稱性以及結塊夸克湯本身的起源——正在開始出現。
現在看來，早期的夸克湯階段是暗物質的誕生地。暗物質的身份仍然不清楚，但它的存在是非常確定的。我們的星系和所有其他星系以及星系團都透過看不見的暗物質的引力結合在一起。無論暗物質是什麼，它都必須與普通物質微弱地相互作用；否則它會以其他方式顯示出來。尋找自然界力和粒子的統一框架的嘗試導致了可能構成暗物質的穩定或長壽命粒子的預測。這些粒子今天將作為夸克湯階段的殘餘物存在，並且預計與原子相互作用非常微弱。
一個候選者被稱為中性微子，這是一類假定的新粒子中最輕的粒子，這些粒子是已知粒子的較重對應物。人們認為中性微子的質量是質子的 100 到 1,000 倍，正好在日內瓦附近的歐洲核子研究中心 (CERN) 的大型強子對撞機進行的實驗可以達到的範圍內。物理學家還建造了超靈敏的地下探測器，以及衛星和氣球載探測器，以尋找這種粒子或其相互作用的副產品。
第二個候選者是軸子，一種超輕粒子，質量約為電子的萬億分之一。標準模型預測的夸克行為的細微之處暗示了它的存在。檢測它的努力利用了這樣一個事實，即在非常強的磁場中，軸子可以轉變成光子。中性微子和軸子都具有重要的特性，即它們在特定的技術意義上是“冷的”。儘管它們是在滾燙的條件下形成的，但它們移動緩慢，因此很容易結塊成星系。
早期的夸克湯階段也可能掌握著為什麼今天的宇宙主要包含物質而不是物質和反物質的秘密。物理學家認為宇宙最初具有相等的物質和反物質數量，但在某個時候，它發展出輕微的物質過剩——大約每十億個反夸克就多一個夸克。這種不平衡確保了在宇宙膨脹和冷卻時，有足夠的夸克能夠從與反夸克的湮滅中倖存下來。40 多年前，加速器實驗表明，物理定律在物質方面略有偏差，並且在早期一系列尚待理解的粒子相互作用中，這種輕微偏差導致了夸克過剩的產生。
人們認為夸克湯本身是在極早的時候產生的——可能在大爆炸後 10-34 秒，在被稱為暴脹的宇宙膨脹爆發中產生的。這種爆發是由被稱為暴脹子的新場（大致類似於電磁場）的能量驅動的，它將解釋宇宙的基本屬性，例如其普遍均勻性和為星系和宇宙中其他結構播種的結塊。當暴脹子場衰減時，它將其剩餘能量釋放到夸克和其他粒子中，從而產生了大爆炸的熱量和夸克湯本身。
暴脹導致了夸克和宇宙之間深刻的聯絡：亞原子尺度上暴脹子場的量子漲落在快速膨脹中被放大到天體物理尺寸，併成為我們今天看到的所有結構的種子。換句話說，在 CMB 天空中看到的圖案是亞原子世界的巨大影像。對 CMB 的觀測結果與這一預測相符，這為暴脹或類似暴脹的現象發生在宇宙歷史的早期提供了最有力的證據。
宇宙的誕生
當宇宙學家試圖更進一步瞭解宇宙本身的開端時，我們的想法變得不那麼確定了。愛因斯坦的廣義相對論為一個世紀以來我們在理解宇宙演化方面取得的進展提供了理論基礎。然而，它與當代物理學的另一個支柱量子理論不一致，該學科面臨的最大挑戰是調和兩者。只有透過這樣一種統一的理論，我們才能解決宇宙的最早時刻，即所謂的普朗克時代，大約在 10-43 秒之前，那時空本身正在形成。
對統一理論的初步嘗試導致了一些關於我們最初起源的非凡推測。例如，弦理論預測存在額外的空間維度，並且可能存在漂浮在更大空間中的其他宇宙。我們稱之為大爆炸的事件可能是我們的宇宙與另一個宇宙的碰撞[參見“時間開端的迷思”，作者：加布裡埃萊·韋內齊亞諾；《大眾科學》，2004 年 5 月]。弦理論與暴脹概念的結合或許導致了迄今為止最大膽的想法，即多元宇宙——即宇宙包含無限數量的斷開連線的部分，每個部分都有其自身的區域性物理定律[參見“弦理論景觀”，作者：拉斐爾·布索和約瑟夫·波爾欽斯基；《大眾科學》，2004 年 9 月]。
多元宇宙概念仍處於起步階段，它基於兩個關鍵的理論發現。首先，描述暴脹的方程式強烈暗示，如果暴脹發生過一次，它應該會一次又一次地發生，隨著時間的推移，會產生無限數量的暴脹區域。這些區域之間沒有任何東西可以傳播，因此它們彼此之間沒有影響。其次，弦理論表明，這些區域具有不同的物理引數，例如空間維度的數量和穩定粒子的種類。
多元宇宙的概念為科學領域中兩個最大的問題提供了新穎的答案：大爆炸之前發生了什麼，以及為什麼物理定律是現在的樣子（愛因斯坦關於“上帝對定律是否有任何選擇”的名言）。多元宇宙使大爆炸之前的問題變得毫無意義，因為存在無限多次大爆炸開端，每次大爆炸開端都由其自身的暴脹爆發觸發。同樣，愛因斯坦的問題也被擱置一旁：在無限的宇宙中，物理定律的所有可能性都已嘗試過，因此沒有特別的理由說明為什麼支配我們宇宙的定律是現在的樣子。
宇宙學家對多元宇宙持有複雜的感情。如果斷開連線的子宇宙真的無法溝通，我們就不可能測試它們的存在；它們似乎超出了科學領域。我的一部分想尖叫，一次一個宇宙，拜託！另一方面，多元宇宙解決了各種概念問題。如果正確的話，它將使哈勃將宇宙擴大了僅僅 1000 億倍，以及哥白尼在 16 世紀將地球從宇宙中心驅逐出去的舉動，在理解我們在宇宙中的位置方面顯得微不足道。
現代宇宙學讓我們感到謙卑。我們是由質子、中子和電子組成的，它們加起來只佔宇宙的 4.5%，而我們的存在僅僅是因為非常小和非常大之間微妙的聯絡。受微觀物理定律指導的事件使物質在反物質中佔據主導地位，產生了為星系播種的結塊，用提供引力基礎設施的暗物質粒子填充了空間，並確保暗物質可以在暗能量變得顯著並且膨脹開始加速之前構建星系。與此同時，宇宙學本質上是傲慢的。我們可以理解像我們的宇宙這樣在空間和時間上都如此浩瀚的事物，這在表面上看來是荒謬的。這種謙卑和傲慢的奇怪混合使我們在過去一個世紀中在增進我們對當前宇宙及其起源的理解方面取得了相當大的進展。我對未來幾年的進一步進展持樂觀態度，我堅信我們正生活在宇宙學的黃金時代。
在黑暗中
我們當前宇宙觀的一個核心特徵，以及它最大的奧秘，是暗能量，這是最近發現的非常奇怪的能量形式，它正在導致宇宙膨脹加速。暗能量在幾十億年前從物質手中奪走了控制權。在此之前，由於物質施加的引力吸引，膨脹一直在減速，引力能夠將結構從星系塑造為超星系團。現在，由於暗能量的影響，大於超星系團的結構無法形成。事實上，如果暗能量比現在更早地接管——例如，當宇宙只有 1 億年時——結構形成甚至在星系形成之前就會停止，而我們將不會在這裡。
宇宙學家對暗能量可能是什麼只有初步的線索。加速膨脹需要排斥力，愛因斯坦的廣義相對論預測，極具彈性的能量形式的引力實際上可能是排斥的。填充真空的量子能量以這種方式運作。問題在於，量子真空能量量的理論估計與觀測所需的量不符；事實上，它們超過了觀測值許多數量級。或者，宇宙加速可能不是由一種新的能量型別驅動的，而是由一種模仿這種能量的過程驅動的，也許是廣義相對論的崩潰或看不見的空間維度的影響[參見“宇宙難題”，作者：勞倫斯·M·克勞斯和邁克爾·S·特納；《大眾科學》，2004 年 9 月]。
如果宇宙繼續以當前的速度加速膨脹，那麼在 300 億年後，所有大爆炸的痕跡都將消失[參見“宇宙學的終結？”，作者：勞倫斯·M·克勞斯和羅伯特·J·舍勒；《大眾科學》，2008 年 3 月]。來自除少數幾個附近星系之外的所有星系的光線都將被紅移得太厲害而無法探測到；宇宙背景輻射的溫度將太低而無法測量；宇宙看起來將類似於天文學家在 100 年前所知的宇宙，那時他們的儀器還不夠強大，無法揭示我們今天所知的宇宙。
注意：本文最初印刷時的標題為“宇宙的起源”。