宇宙自古即存在，约在138.2亿年前诞生。物质、能量、空间和时间在一个被称为大爆炸的火球中爆发而来。它扩展开来，从冷却的碎片中形成了星系，这些星系就像星星之岛，其中我们的银河系只是大约2万亿之一。这就是大爆炸理论，描述我们宇宙起源的最高理论。但即使大爆炸理论被视为宇宙开始的事实方式，它也存在一些问题。坦率地说，认为宇宙有一个历史，从大约138亿年前的某种诞生开始，实在是奇怪。如果可以归因于原因，那么什么导致了宇宙的存在？如果将一切的起源归因于大爆炸，那么在那之前发生了什么？大爆炸之前存在什么？这是一个长时间困扰科学家的问题。对于大爆炸之前的情况，这是一个有趣的问题，因为就像我刚才说过的，我们没有数据作为基础。那现在是一个开放的问题。
我试着不去想大爆炸之前发生了什么，因为我认为没有答案。但现在，在一次震惊世界的启示中，物理学家和粒子物理学教授Brian Cox声称，他坚决认为宇宙在大爆炸之前就存在了，这使我们对起源的理论完全颠覆。我们曾经认为宇宙在时间的开始处于非常热和非常密集的状态，我们曾经称之为大爆炸，但现在我们强烈怀疑宇宙在那之前就存在了，从这个意义上说，宇宙的时间起源于大爆炸之前。今天，让我们深入探讨Brian Cox是如何反驳大爆炸，以及在宇宙存在之前的创世故事。
Brian Cox教授已经将21世纪的科学领域转变成了每个人都可以理解的东西，经常参与公共辩论和讨论。
大爆炸的早期构想最初是在20世纪20年代由比利时神父乔治·拉马特提出的，他提出宇宙是从一个单一点开始的，这一点被称为原始亚当。这一想法后来被其他人进一步发展，提出了一套附加预测。第一，我们今天所看到的宇宙比过去更加发达。我们在空间中回望的越远，我们在时间上回望的也就越远，所以我们那时看到的物体应该更年轻，引力凝聚少，质量小，含有较少的重元素，并且结构较少发展。甚至应该有一个时期，在这个时期，没有星星或星系。
第二，在某一时刻，辐射是如此之热，中性原子不能稳定地形成，因为辐射会可靠地从他们试图结合的核上踢掉任何电子，所以现在应该有一个来自这个时期的现在冷而稀疏的宇宙辐射浴。第三，在一个非常早期的时刻，它会如此之热，以至于甚至原子核也会被击散，这意味着在恒星形成之前，会有一个早期的恒星前阶段，其中会发生核聚变，这就是大爆炸核合成。从这我们预期，在任何恒星形成之前，宇宙中都会有至少一群轻元素及其同位素。与扩张的宇宙结合在一起，这四点成为大爆炸理论的基石，宇宙的大规模结构，个体星系以及那些星系中发现的恒星群体的增长和演变，都验证了大爆炸的预测。
绝对零度以上仅三开尔文的辐射浴的发现，加上其黑体光谱和温度不完美性，是验证大爆炸并消除其许多最受欢迎的替代方案的关键证据。轻元素及其比率的发现和测量，包括氢、氘、氦-3、氦-4和锂-7，不仅揭示了恒星形成之前发生了哪种类型的核聚变，还揭示了宇宙中存在的正常物质的总量。回溯到证据能够带我们回去的那么远，对科学来说是一个巨大的成功。在炽热大爆炸的最早阶段发生的物理学现象留下了印记，使我们能够测试我们的模型、理论和对宇宙的理解。事实上，最早可观测的印记是宇宙中微子背景，它的效应出现在宇宙微波背景（大爆炸的残留辐射）和宇宙的大规模结构中。这个中微子背景实际上是从炽热大爆炸的第一秒左右传来的。所有这些都使大爆炸理论基本上被接受为我们存在背后的事件。然而，考克斯教授有另一个想法。他认为大爆炸之前存在一个时代，那时宇宙根本不存在。大爆炸的发射点之前，根本不存在物质。存在的只是时空和一片几乎静止的能量海洋，有着轻轻地波动。
他说，这个地方应该被想象成一个几乎静止的能量海洋，填满了虚空。它没有任何结构，空间中的能量会使其剧烈拉伸，这在空间中被称为膨胀。考克斯教授继续解释科学的创世纪，并强调这个故事的重点是一次难以想象的猛烈膨胀。他说：“起初，有一个能量的海洋，驱使了一个被称为膨胀的空间的快速膨胀。当膨胀结束时，有波纹在海洋中，能量的海洋在大爆炸中转化为物质，波纹的模式被印刻在我们的宇宙中，作为氢和氦气形成后密度稍有不同的区域。气体的密集区域坍塌成为第一个恒星和第一个星系，大约90亿年后，一颗新恒星在银河系中形成，太阳。这颗恒星旁边有八大行星，其中包括地球，而我们是在它开始后的138亿年后出现的。”
当1980年代初宇宙膨胀首次被提出和发展时，它将大爆炸的两个定义分开，提出在炽热的大爆炸之前有一个新的膨胀状态。在我们回溯到奇点的炽热大爆炸中，宇宙达到了随意的高温和高能量，尽管宇宙会有一个平均的密度和温度，但其中会有不完美的部分，过密的区域和欠密的区域。当宇宙扩展和冷却时，它还具有引力，这意味着过密的区域会吸引更多的物质和能量到它们里面，随着时间的推移而增长，而欠密的区域会优先地放弃它们的物质和能量到更密集的周围区域，为最终的宇宙结构网创造种子。但这些细节会在宇宙网中出现，因为大规模结构的种子在非常早期的宇宙中就被印刻了。
今天的恒星、星系、星系团和更大规模的纤维结构都可以追溯到中性原子在宇宙中首次形成时的密度不完美，因为这些种子在数亿甚至数十亿年的时间里会长成我们今天看到的丰富的宇宙结构。这些“种子”逐渐演变为我们今天所看到的丰富的宇宙结构。这些种子遍布整个宇宙，并作为大爆炸遗留下来的背景辐射——宇宙微波背景的温度不均匀性存在至今。2000年代的WMAP卫星和2010年代的Planck卫星测量到，这些温度波动在所有尺度上都有出现，它们对应着早期宇宙的密度波动。这种联系归因于引力以及广义相对论的事实，即物质和能量的存在与浓度决定了空间的曲率。光从它起源的空间区域传播到观察者的眼睛，意味着密度超出平均值的区域由于光必须越过更大的引力势井而看起来比平均温度低，而密度低于平均值的区域则因为光只需越过一个浅的引力势井而看起来比平均温度高。平均密度的区域看起来的温度是宇宙微波背景的平均温度。
但这些初始的不均匀性是从哪里来的呢？我们在大爆炸遗留下来的辉光中观察到的温度不均匀性实际上来自于热大爆炸开始后已经过去的380,000年。根据单一大爆炸解释，宇宙简单地诞生于一组原始的不均匀性，并且这些不均匀性根据引力崩溃、粒子相互作用以及辐射与物质相互作用的规则进行增长和演变，这包括正常物质和暗物质之间的差异。但根据膨胀起源理论，在宇宙膨胀的时期之后，热大爆炸才开始，这些不均匀性是由量子波动所种植的。这意味着由于量子物理中的固有能量时间不确定性关系，在宇宙呈指数级膨胀的膨胀期间发生的波动。这些在较小尺度上生成的量子波动会被膨胀拉伸到较大的尺度，而新的、较晚的波动会在它们上面被拉伸，从而在所有远程尺度上形成这些波动的叠加。这两种图像在概念上是不同的，但对天体物理学家来说，它们之所以有趣，是因为每一张图片都可能导致在大爆炸图像中我们预期看到的波动类型与我们实际观察到的波动类型之间的可观察的差异。
在单一大爆炸图像中，我们预期看到的波动类型将受到光速的限制，这是一个从大爆炸开始以光速移动的信号允许传播的距离。但在经历了膨胀期之后的宇宙中，我们预期在所有尺度上都会有密度波动，包括超出光速允许的信号从热大爆炸开始旅行的尺度，因为膨胀实际上在每个微小的时间段内将宇宙的大小在所有三个维度上翻倍。几百个时间段前发生的波动已经被拉伸到比目前可观察到的宇宙还要大的尺度，尽管后来的波动在早期的、较大尺度的波动上叠加。膨胀使我们能够以超大尺度的波动开始宇宙，这在没有膨胀的情况下以大爆炸奇点开始的宇宙中是不存在的。换句话说，可以进行的最大测试是检查宇宙的所有详细情况，并寻找宇宙历史中某一时刻这个关键特征的存在或缺失，宇宙学家称之为超视界波动。
在宇宙的任何历史时刻，自热大爆炸开始以光速传播的信号所能到达的距离都有一个极限，这一尺度设定了所谓的宇宙视界。小于视界的尺度被称为亚视界，可以被热大爆炸开始后发生的物理事件所影响；等于视界的尺度称为视界，是自热大爆炸开始后可以被物理信号影响的最大尺度；大于视界的尺度称为超视界，超出了由自热大爆炸开始或此后产生的物理信号所能引起的范围。换句话说，如果我们可以在超视界尺度上搜寻宇宙信号，那么这是区分没有膨胀和开始于一个独特的热大爆炸的宇宙（应该全部具有这些特征）与在热大爆炸开始前就有一个膨胀时期的膨胀宇宙（应该拥有这些超视界波动）之间的好方法。
然而，仅仅观察宇宙微波背景的温度波动图是不够的，不能单独区分这两种情况。宇宙微波背景的温度图可以分成不同的组件，有些在天空上的角度尺度更大，有些则更小。问题是，最大尺度上的波动有两个可能的原因：它们可以在膨胀时期产生，但它们也可以仅仅通过在晚期宇宙中的重力结构增长产生，这在早期宇宙中具有更大的宇宙视界。例如，如果你只有一个重力势能井，光子从其中爬出时，这会消耗光子的能量，这在物理学中被称为sax-wolf效应，并发生在光子首次发射的点上。
但是，如果光子在途中掉入一个重力势能井，它会获得能量，然后当它再次爬出来时，它会失去能量。如果重力缺陷随着时间的推移增长或收缩，那么不同的空间区域会因为其中的密度缺陷的增长或收缩而比平均值更热或更冷，这被称为综合sax-wolf效应。所以，当我们看到宇宙微波背景中的温度缺陷，特别是在这些大的宇宙尺度上，单靠它们自己我们无法知道1）它们是由sax-wolf效应生成的，并归因于膨胀，还是2）它们是由综合sax-wolf效应生成的，并归因于前景结构的增长或收缩，或者3）它们归因于前两者的某种组合。但幸运的是，观察宇宙微波背景的温度并不是我们了解宇宙的唯一方式。我们还可以观察来自这个背景的光的偏振数据。当光穿越宇宙时，它会与其中的物质相互作用，特别是与电子。
请记住，光是一种电磁波。如果光按照放射对称方式偏振，那就是电偏振的一个例子；如果光按照顺时针或逆时针方式偏振，那就是磁偏振的一个例子。但仅仅检测偏振本身还不足以显示超视界波动的存在。你需要做的是在相同的角度尺度上对偏振光和宇宙微波背景的温度波动进行相关性分析。这就是事情变得非常有趣的地方，因为这是从观测上看我们的宇宙，能够区分没有膨胀的独特大爆炸和导致热大爆炸的膨胀状态的地方。在这两种情况下，我们都期望在宇宙微波背景的e-mode偏振和宇宙微波背景内的温度波动之间看到亚视界的相关性，无论是正相关还是负相关。
在这两种情况下，我们都期望看到在宇宙微波背景中的e-模式偏振和宇宙微波背景内的温度波动之间的次视界相关性，包括正负两种。在大约一度的角度尺度和大约为200至220的多极矩的宇宙视界尺度上，这些相关性都将为零。然而，在超视界尺度上，单一大爆炸场景只会显示当大量恒星形成并重新电离星际介质时，e-模式偏振和宇宙微波背景中的温度波动之间的一个大的相关性峰值。另一方面，膨胀大爆炸场景包括这一点，但也在大约1到5度的尺度或1等于30到1等于200的多极矩之间的超视界尺度上，包括e-模式偏振和温度波动之间的一系列负相关性。
wmap团队在2003年发布的第一幅图表，完整地展示了宇宙学家所称的te交叉相关谱，在我们看到的所有角度尺度上，显示e-模式偏振和宇宙微波背景中的温度波动之间的相关性。如你所见，在次视界尺度上，正负相关性都存在，但在超视界尺度上，数据中确实出现了一个大的凹陷，与膨胀预测（实线）一致，而与非膨胀的单一大爆炸预测（虚线）不一致。当然，那是20年前的事，wmap卫星后来被性能更好的Planck卫星取代。它以更多的波长带观测宇宙，它观测的角度尺度更小，温度灵敏度更高，它包含了一个专门的极化仪器，它对整个天空的取样次数更多，进一步减少了误差和不确定性。
当我们查看下面的2018年的Planck te交叉相关数据时，结果令人震惊。正如你所见，我们看到的超尺度视界波动在宇宙中无疑是存在的，这一信号的显著性是压倒性的。我们看到的超视界波动，并不仅仅是来自于重新电离，正如它们被预测存在于膨胀中那样，这是一个确定的事实。非膨胀的单一大爆炸模型与我们观测到的宇宙不符。相反，我们了解到，我们只能将宇宙回溯到热大爆炸的某个截止点，而在那之前，一个膨胀状态必须在热大爆炸之前出现。
我们希望能够更多地了解宇宙，但不幸的是，这些都是可以观测的限制。在更大的尺度上的波动和痕迹对我们可以看到的宇宙没有任何影响。还有其他的膨胀测试我们可以查找，例如几乎是尺度不变的纯粹的绝热波动，热大爆炸的最大温度的截止，从宇宙学的曲率中略微偏离完美的平坦性，以及原初引力波谱等。然而，超视界波动测试是一个容易进行的测试，并且完全是稳健的。它足以告诉我们宇宙并没有以一个热大爆炸开始，而是一个膨胀状态先行。虽然这通常不是这样描述的，但这一发现本身就是一个容易获得诺贝尔奖的成就。好了，这就是我们今天为您提供的所有信息。如果您喜欢今天的文章，请不要忘记给我点个赞。如果您还没有关注，请关注我，这样您就不会错过未来的内容，如果可以，还能给我的公众号加个星标。如果您对我的内容有什么看法，或者您想听到什么内容，都可以私信给我。每个人的支持都激励我继续提供这样的高质量内容，并始终改进。一如既往，感谢您的阅读，我们下次再见。
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