也許任何一個非凡故事中，最引人注目的部分是它的起源：它是如何開始的，其中宇宙是如何起源的，也是最偉大的起源故事，它佔據了詩人、哲學家、神學家和科學家無數千年的思想。

然而，直到20世紀，科學才開始在這個問題上取得進展，最終形成了大爆炸的科學理論。早期，宇宙是非常熱和稠密的，並且已經膨脹、冷卻、和引力成為今天的樣子。但是大爆炸本身並不是一個開始，畢竟，我們有四個獨立的科學證據來證明它之前發生了什麼，並建立了它。

圖注：我們今天看到的恆星和星系並不總是存在的，我們走的越遠，隨著我們進入更熱、更密集和更均勻的時段，宇宙離明顯的奇點越近。然而，這種外推是有限度的，因為回到奇點會產生我們無法回答的謎題。

大爆炸是20世紀20年代廣義相對論早期的一個初步構想。1922年，亞歷山大弗裡德曼第一個認識到，如果有一個宇宙，整個宇宙充滿了物質和能量，沒有首選的方向和位置，它就不可能是靜止和穩定的。在愛因斯坦定律下，空間結構本身要麼膨脹要麼收縮。

1923年，埃德溫·哈勃首次對仙女座進行遠距離測量，首次證明它是一個完全在銀河系之外的星系。通過結合他對星系距離的測量和維斯托·梅爾文·斯里弗的紅移資料，他實際上可以直接測量宇宙的膨脹。1927年，喬治·勒梅特（Georges Lemaître）成為第一個將所有碎片拼湊在一起的人：今天膨脹的宇宙意味著一個更小、更密集的過去，它可以追溯到我們敢推斷的更遠的地方。

喬治·勒梅特（Georges Lemaître）

從20世紀40年代開始，喬治·伽莫夫（George Gamow）和他的合作者開始研究宇宙膨脹和冷卻的後果，但在這個陷阱中，宇宙變得更熱、更密集。特別是，他得出了四個主要結果。

宇宙的膨脹率會隨著時間的推移而變化，這取決於物質和能量的種類和比例。宇宙會經歷引力增長，最初的小超敏度會在時間上成長為恆星、星系和巨大的宇宙網。在過去，宇宙溫度更高，在早期的某個時候會熱到足以阻止中性原子的形成，這意味著當這些中性原子最終形成時，應該會有輻射的餘輝發出。而且，甚至更早的時候，它應該已經足夠熱和密度，足以點燃質子和中子之間的核聚變，這應該創造了宇宙中第一個不平凡的元素。圖注：阿諾·彭齊亞斯和鮑勃·威爾遜在位於紐澤西州霍姆德爾的天線所在地首次發現了宇宙微波背景（CMB）。儘管許多源可以產生低能輻射背景，但宇宙微波背景（CMB）的性質證實了其宇宙起源。

1964年和1965年，貝爾實驗室的兩位無線電天文學家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜發現了天空中從四面八方發出的微弱輻射光。經過短暫的驚訝、困惑和神祕之後，這個訊號被發現與大爆炸輻射的預測相符。隨後幾十年的觀測揭示了更加精確的細節，與大爆炸的預測非常吻合。

宇宙中星系和大尺度結構的生長和演化，宇宙演化史上膨脹率和溫度變化的測量，以及光元素丰度的測量，都是在大爆炸的框架內匹配的。從資料存在的每一個尺度來看，大爆炸都是一次驚人的成功。即使在今天，沒有其他的理論能夠重現所有這些成功。

圖注：與現今銀河系相比，星系數量眾多，但與我們今天看到的星系相比，類似銀河系的年輕星系本質上更小、更藍、更混亂、更富含氣體。對於最初的星系來說，這應該被帶到極端，並且在我們所見過的最早的時候仍然有效。當我們遇到例外時，它們既令人費解又罕見。

但能把宇宙大爆炸的想法帶到多遠以前呢？如果今天宇宙正在膨脹和冷卻，那麼它在過去一定是更熱，更稠密，更小。自然本能是回到物理定律——比如廣義相對論：回到奇點。在某一特定時刻，整個宇宙將被壓縮成一個具有無限能量、密度和溫度的單點。

這將與奇點的概念相對應，奇點是物理定律失效的地方。可以想象，這是空間和時間最初產生的地方。而且，由於我們對宇宙的現代理解，我們可以一直推算到有限時間前的某個特定時刻：138億年。如果大爆炸是宇宙的全部，這將是我們宇宙的最終起源：沒有昨天的那一天。

圖注：如果我們一路推演，我們會得到更早，更熱，更密集的狀態。這是否最終導致了一個奇點，在那裡物理定律本身就崩潰了？這是邏輯推斷，但未必正確。

但我們所看到的宇宙有一些大爆炸無法解釋的性質和謎團。如果一切都是在有限的時間前從一個單一的點開始的，你會預料到：

不同的空間區域會有不同的溫度，因為它們沒有能力交流和交換粒子、輻射和其他形式的資訊，最早、最熱時期遺留下來的粒子遺物，如磁單極子等拓撲缺陷，一定程度的空間曲率，因為由奇點引起的大爆炸，無法如此完美地平衡初始膨脹率、總物質和能量密度。

但這些都不是真的。宇宙到處都有相同的溫度特性，沒有遺留下來的高能遺蹟，而且在空間上各個方向都是完全平坦的。

要麼宇宙天生就具有這些性質，根本沒有可預見的原因，要麼就有一種科學解釋：一種導致宇宙在這些性質已經存在的情況下誕生的機制。1979年12月7日，物理學家阿蘭·固斯（Alan Guth）有了一個驚人的認識：在大爆炸之前的一個指數膨脹的早期階段——我們現在所知道的宇宙膨脹——可能導致宇宙誕生時具有所有這些特殊性質。當膨脹結束時，這種轉變應該會引發一場轟轟烈烈的大爆炸。

當然，不能只是在舊理論中建立一個額外的想法，並宣稱新理論更好。在科學上，新理論的舉證責任要嚴重得多。

圖注：在頂部面板中，我們的現代宇宙在任何地方都具有相同的屬性（包括溫度），因為它們起源於具有相同屬性的區域。在中間的面板中，原本可以有任意曲率的空間被膨脹到今天我們無法觀察到任何曲率的程度，從而解決了平面度問題。在底部面板中，預先存在的高能遺蹟被膨脹，為高能遺蹟問題提供了解決方案。這就是通貨膨脹如何解決"大爆炸"無法獨自解決的三大難題。

要取代任何流行的科學理論，新的理論必須做三件事：

再現所有已有理論的成功，解釋舊理論無法解釋的奧祕，並做出新的，可測試的預測，不同於以前理論的預測。

在20世紀80年代，很明顯膨脹可以輕易地完成前兩個目標。當我們的觀測和測量能力使我們能夠將宇宙給我們的東西與膨脹的新預測進行比較時，最終的考驗就會到來。如果膨脹是真的，我們不僅要弄清楚那些潛在的可觀察的後果是什麼——而且還有一些後果——而且要收集這些資料並據此得出結論。

到目前為止，其中四個預測已經進行了試驗，資料已經足夠好，可以全面評估結果。

圖注：不斷膨脹的宇宙，充滿了星系和我們今天觀察到的複雜結構，產生於一個更小、更熱、更密集、更均勻的狀態。但即使是最初的狀態也有它的起源，宇宙膨脹是這一切的主要來源。1）宇宙應該有一個在熱大爆炸中達到的最高溫度的非無限上限。

大爆炸留下的餘輝——宇宙微波背景——有一些區域比平均溫度稍高一些，有些區域比平均溫度稍低一些。這些差異很小，約為30000分之一，但卻編碼了大量關於年輕早期宇宙的資訊。

如果宇宙經歷了膨脹，應該有一個最高溫度，相當於比普朗克尺度（約10^19gev）低得多的能量，這是我們在一個任意熾熱稠密的過去所能達到的。我們對這些波動的觀察告訴我們，宇宙在任何時候都不會比最大值的0.1%（約10^16gev）更熱，這是對膨脹的確認，也是對為什麼宇宙中沒有磁單極子或拓撲缺陷的解釋。

圖注：在膨脹過程中發生的量子漲落確實在宇宙中被拉伸，但它們也會導致總能量密度的漲落。這些場漲落導致早期宇宙中的密度缺陷，進而導致我們在宇宙微波背景中所經歷的溫度漲落。2）膨脹應具有量子波動，這種漲落成為宇宙中100%絕熱的密度缺陷。

如果有一個宇宙，其中一個區域比平均密度（和冷）或密度（和熱）低，這些波動可以是絕熱或等曲率性質。絕熱意味著“恆定熵”，而等曲率意味著“恆定空間曲率”，其中最大的區別在於能量如何在不同型別的粒子之間分佈，如正常物質、暗物質、中微子等。

這個特徵出現在今天的宇宙大尺度結構中，允許我們測量哪些分數是絕熱的，哪些分數是等曲率的。當我們進行觀察時，我們發現這些早期的漲落至少是98.7%的絕熱（與100%一致）和不超過1.3%（與0%一致）的等曲率。如果沒有膨脹，大爆炸根本不會做出這樣的預測。

圖注：來自宇宙微波背景的最好和最新的極化資料來自普朗克，可以測量到小到0.4微開爾文的溫差。極化資料強烈地表明了超視界漲落的存在和存在，這種漲落在沒有膨脹的宇宙中是無法解釋的。3）一些波動應該出現在超視界尺度上：自大爆炸以來，比光更大的尺度上的波動本可以傳播。

從大爆炸的那一刻起，粒子以有限的速度在太空中傳播：不超過光速。有一個特定的尺度，我們稱之為宇宙視界，它代表了自大爆炸以來光訊號可能經過的最大距離。

如果沒有膨脹，漲落將被限制在宇宙視界的範圍內。有了膨脹，由於它拉伸了在這個指數膨脹階段發生的量子漲落，你可以有超視界漲落：在比宇宙視界大的尺度上。這些波動在WMAP和Planck衛星提供的極化資料中已經看到，與通貨膨脹完全一致，並且與非膨脹的大爆炸相反。

圖注：早期宇宙膨脹期的大、中、小尺度波動決定了大爆炸餘輝中的冷熱（密度不足和密度過高）點。這些波動，在宇宙膨脹中被拉長，在小尺度上應該與大尺度上略有不同。4）這些波動應該幾乎是尺度不變的，但不是完全不變的，在大尺度上的幅度略大於小尺度上的幅度。

宇宙中所有的基本場都被認為是量子性質的，而導致膨脹的場也不例外。量子場都是波動的，在膨脹過程中，這些波動在宇宙中被拉伸，在那裡它們提供了我們現代宇宙結構的種子。

在膨脹中，這些波動幾乎是標度不變的，這意味著無論大小，它們在所有標度上都是相同的量級。但在更大的尺度上，它們的震級應該稍大一些，只有幾個百分點。我們使用標量光譜指數（ns）來測量它，ns=1對應於完美的尺度不變性。我們現在精確地測量了它：0.965，不確定度約為1%。這種對尺度不變性的輕微偏離，在沒有通貨膨脹的情況下是無法解釋的，但膨脹可以完美地預測它。

圖注：熱點和冷點的大小以及它們的尺度表明了宇宙的曲率。盡我們所能，我們測量它是完全平坦的。重子聲波振盪和CMB一起，提供了最好的方法來限制這一點，降低到0.4%的綜合精度。精確地說，宇宙是完全平坦的，與宇宙膨脹一致。

還有其他關於宇宙膨脹的預言。膨脹預測宇宙應該是幾乎完全平坦的，但不是完全平坦的，曲率在0.0001%和0.01%之間。標量光譜指數，測量時稍微偏離標度不變性，應該“滾動”（或在膨脹的最後階段變化）約0.1%。應該有一組不只是密度波動，而是由膨脹引起的引力波波動。到目前為止，觀測結果與所有這些都是一致的，但我們還沒有達到測試它們所必需的精度水平。

但四個獨立的測試足以得出結論。儘管有一些反對者拒絕接受這一證據，但我們現在可以自信地說，我們已經在大爆炸之前走了，宇宙膨脹導致了我們宇宙的誕生。下一個問題，在膨脹結束之前發生了什麼，這是我們21世紀宇宙學的研究前沿。