大爆炸理论是毫无疑问的，并揭示了为什么科学家们确信宇宙起源于近140亿年前的一场灾难性爆炸，包括哈勃的膨胀发现、宇宙微波背景辐射的证据、以及粒子加速器实验对大爆炸时期条件的模拟。大爆炸之前可能存在的时空泡沫和奇点，以及宇宙膨胀理论如何解释我们宇宙的起源。
一切是如何开始的？这是人类几千年来思考的问题。在上个世纪左右的时间里，科学已经找到了答案：大爆炸。这描述了宇宙如何在近 140 亿年前的一场灾难性爆炸中诞生。在不到一秒的时间里，可观测的宇宙就扩大了相当于一个细菌膨胀到银河系大小。早期宇宙异常炎热且极其致密。但我们怎么知道这件事发生了呢？
我们先来看看证据。 1929年，美国天文学家埃德温·哈勃发现遥远的星系正在相互远离，从而认识到宇宙正在膨胀。
如果我们将时钟拨回宇宙诞生时，膨胀将会逆转，星系将在 140 亿年前相互重叠。这个年龄与我们观测到的最古老天体的年龄非常吻合。
这个想法最初遭到了怀疑——实际上是一个怀疑论者，英国天文学家弗雷德·霍伊尔创造了这个名字。 1949 年 3 月 28 日，霍伊尔在接受 BBC 电台采访时讽刺地驳斥了这一假设，称其为“大爆炸”。
然后，在 1964 年，阿诺·彭齐亚斯 (Arno Penzias) 和罗伯特·威尔逊 (Robert Wilson) 检测到一种充满整个太空的特殊类型的辐射。这被称为宇宙微波背景（CMB）辐射。它是宇宙大爆炸的一种余辉，在宇宙只有38万年的时候释放出来。
宇宙的历史。 （美国宇航局）
宇宙微波背景提供了一个了解宇宙初始时炎热、稠密条件的窗口。彭齐亚斯和威尔逊因其发现而荣获1978 年诺贝尔物理学奖。
最近，大型强子对撞机 (LHC) 等粒子加速器上的实验揭示了更接近大爆炸时期的情况。我们对这些高能物理的理解表明，在大爆炸后的最初时刻，当今存在的四种基本物理力最初组合成一种力。
目前四种力是重力、电磁力、强核力和弱核力。随着宇宙的膨胀和冷却，一系列称为相变（如水的沸腾或冻结）的剧烈变化将这些力分开。
粒子加速器的实验表明，大爆炸后数十亿分之一秒发生了最新的相变。当电磁力和弱核力不再结合时，这就是弱电统一的崩溃。这是宇宙中所有物质都呈现其质量的时候。
埃德温·哈勃发现星系正在相互远离。 （ NASA、ESA 和哈勃遗产团队 (STScI/AURA)-ESA/哈勃合作）
随着时间的推移，宇宙中充满了一种叫做夸克胶子等离子体的奇怪物质。顾名思义，这种“原始汤”是由夸克和胶子组成的。这些是产生强核力的亚原子粒子。夸克-胶子等离子体分别于 2010 年和2015 年在布鲁克海文国家实验室和大型强子对撞机上人工产生。
夸克和胶子彼此之间具有很强的吸引力，如今它们以质子和中子的形式结合在一起，而质子和中子又是原子的组成部分。然而，在早期宇宙炎热而稠密的条件下，它们是独立存在的。
夸克-胶子等离子体并没有持续多久。大爆炸后仅百万分之几秒，随着宇宙膨胀和冷却，夸克和胶子聚集在一起形成质子和中子，这种情况一直持续到今天。这一事件称为夸克禁闭。
早期宇宙非常热且致密，很像太阳的中心。 （美国宇航局/SDO ）
随着宇宙进一步膨胀和冷却，宇宙中的高能光子（光粒子）比以前更少。这是称为大爆炸核合成（BBN）过程的触发因素。
此时，第一个原子核（由质子和中子组成的致密物质块，位于原子中心）通过核聚变反应形成，就像为太阳提供动力的核聚变反应一样。
当宇宙中存在更多高能光子时，任何形成的原子核都会很快被它们摧毁（这一过程称为光崩解）。 BBN 在大爆炸后几分钟就停止了，但其后果今天仍然可见。
天文学家的观测为我们提供了这些聚变反应中产生的元素原始丰度的证据。结果与BBN理论非常吻合。如果我们继续下去，经过近 140 亿年的时间，我们就会达到今天的局面。但我们能多接近地了解大爆炸时刻附近发生的事情呢？
科学家们没有直接证据证明弱电统一崩溃之前（电磁力和弱核力停止结合）发生了什么。在如此高的能量和如此早期的时代，我们只能凝视大爆炸的奥秘。那么理论表明什么呢？
当我们回顾宇宙的历史时，距离和体积会缩小，而平均能量密度会增加。在大爆炸时，距离和体积降至零，宇宙的所有部分相互重叠，宇宙的能量密度变得无限大。
我们描述空间演化和宇宙膨胀的数学方程充斥着零和无穷大，失去了意义。
我们称之为奇点。阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论描述了时空是如何形成的。时空是描述宇宙三维几何形状的一种方式，与时间混合在一起。时空的弯曲会产生引力。
但数学表明，宇宙中有些地方时空曲率变得无限。这些位置被称为奇点。黑洞中心就是这样一个例子。在这些地方，广义相对论就失效了。
宇宙随着继续膨胀而冷却。 ( NASA、ESA、CSA、STScI、J. Diego (Instituto de Física de Cantabria, 西班牙)、J. D'Silva (U. 西澳大利亚)、A. Koekemoer (STScI)、J. Summers 和 R. Windhorst (ASU) ）和 H. Yan（密苏里州）。
从1965年到1966年，英国理论物理学家斯蒂芬·霍金和罗杰·彭罗斯提出了许多数学定理，证明膨胀宇宙的时空必须终止于过去的一个奇点：大爆炸奇点。
彭罗斯于 2020 年获得诺贝尔奖。霍金于 2018 年去世，诺贝尔奖不追授。空间和时间出现在大爆炸奇点处，因此大爆炸“之前”发生了什么的问题还没有得到很好的定义。据科学所知，以前没有这样的事；现在也没有这样的事。大爆炸是时间的开始。
然而，仅靠广义相对论并不能准确地描述自然，尽管后者已经存在了 100 多年并且尚未被证明是错误的。广义相对论无法描述原子、核聚变或放射性。这些现象是通过量子理论来解决的。
来自“经典”物理学的理论，例如相对论，是确定性的。这意味着某些初始条件具有明确的结果，因此绝对具有预测性。另一方面，量子理论是概率论的。这意味着宇宙中的某些初始条件可能会产生多种结果。
量子理论在某种程度上具有预测性，但是以概率的方式。结果被分配了存在的概率。如果概率的数学分布在某个结果处急剧达到峰值，那么这种情况就可以通过广义相对论等“经典”理论很好地描述。
但并非所有系统都是这样。在某些系统中，例如原子，概率分布是分散的并且经典描述不适用。
那么重力呢？在绝大多数情况下，经典物理学很好地描述了重力。经典时空是光滑的。
然而，当曲率变得极端、接近奇点时，引力的量子性质就不能被忽视。在这里，时空不再光滑，而是粗糙，就像一块地毯，远看光滑，近看却布满了纤维和丝线。
因此，在大爆炸奇点附近，时空结构不再光滑。数学定理表明，时空会被“粗糙”的特征所淹没：钩子、环和气泡。这种快速波动的情况被称为时空泡沫。
在时空泡沫中，因果关系不适用，因为时空存在闭环，其中事件的未来也是其过去（因此其结果也可能是其原因）。
量子理论的概率本质表明，当概率分布均匀分布时，所有结果都同样可能，并且我们与经典物理学理解相关联的舒适的因果关系概念就会消失。
因此，如果我们回到过去，在遇到大爆炸奇点之前，我们会发现自己进入了一个引力量子效应占主导地位且因果关系不适用的时代。这称为普朗克纪元。
时间不再是线性的，从过去到未来，而是变得缠绕、混乱和随机。这意味着“为什么大爆炸会发生？”的问题。没有任何意义，因为在因果关系之外，事件的发生不需要原因。
为了理解物理学在像大爆炸这样的奇点上是如何运作的，我们需要一种根据量子理论来解释引力如何表现的理论。不幸的是，我们没有。在这方面有许多努力，例如圈量子引力和弦理论，及其各种形式。
在大爆炸奇点附近，时空呈现出类似于泡沫的结构。 （ NASA/CXC/M.Weiss ）
然而，这些努力充其量是不完整的，因为这个问题非常困难。这意味着时空泡沫具有图腾般的强大神秘感，就像希腊人相信一开始就存在的赫西奥德的古代混沌一样。
那么，我们膨胀的、很大程度上是经典的宇宙是如何逃离时空泡沫的呢？这给我们带来了宇宙膨胀。后者被定义为早期宇宙加速膨胀的时期。它由俄罗斯理论物理学家阿列克谢·斯塔罗宾斯基 (Alexei Starobinsky)于 1980 年首次提出，同年由美国物理学家艾伦·古斯 (Alan Guth)提出，他创造了这个名字。
根据观测，暴胀使宇宙变得巨大且均匀。它还迫使宇宙在空间上变得平坦，这是一种不稳定的情况，但也已被观测所证实。
此外，暴胀提供了一种自然机制，可以产生宇宙密度的原始不规则性，这对于星系和星系团等结构的形成至关重要。
理论得到证实
近几十年来对宇宙微波背景的精确观测已经惊人地证实了膨胀的预测。我们还知道宇宙确实可以经历加速膨胀，因为在过去的几十亿年里它又开始这样做了。
这和时空泡沫有什么关系？好吧，事实证明，如果膨胀的条件（偶然）出现在一块波动的时空中，就像时空泡沫一样，那么这个区域就会膨胀并开始符合经典物理学。
根据俄裔美国物理学家安德烈·林德（Andrei Linde）首先提出的一个想法，暴胀是早期宇宙混沌初始条件的自然结果，也许是不可避免的结果。
关键是，我们的经典宇宙可能是通过经历最初的膨胀而从混乱的条件中出现的，就像时空泡沫中的条件一样。这会引发宇宙的膨胀。事实上，宇宙微波背景天文学家的观察表明，最初的推动是爆炸性的，因为膨胀期间的膨胀是指数级的。
2014年3月20日，艾伦·古斯（Alan Guth）简洁地解释道： “我通常将暴胀描述为大爆炸‘爆炸’的理论：它描述了我们称之为大爆炸的推进机制。”
所以，你就知道了。我们宇宙 140 亿年的故事始于太空各处的灾难性爆炸，我们称之为大爆炸。这是毫无疑问的。
这次爆炸实际上是一个爆炸性膨胀的时期，我们称之为宇宙膨胀。但是，在通货膨胀之前会发生什么？是时空奇点，还是时空泡沫？答案很大程度上是未知的。
事实上，它甚至可能是不可知的，因为有一个数学定理禁止我们获取有关暴胀开始的信息，就像阻止我们了解黑洞内部的定理一样。因此，从我们的角度来看，宇宙膨胀就是大爆炸，是引发一切的爆炸。
Konstantinos Dimopoulos ，兰卡斯特大学粒子宇宙学教授。本文根据知识共享许可从The Conversation重新发布。