“在整個宇宙裡只存在著一個實體,只是它的形式有各種變化。”——〔法〕拉美特利:《人是機器》

當我們說到宇宙的時候，我們經常會說：即使是現在的宇宙看起來也十分的平滑和均勻。你可能不理解這句話啥意思，因為你經常會看到在宇宙中充滿了像地球這樣的行星、像太陽這樣的恆星、像銀河系這樣的星系，它們都是密度較大的物質團塊，有些地方確實空無一物的宇宙空間，怎麼可能是平滑、均勻的？

你其實說的也沒有錯，但是你考慮的尺度太小了，如果你考慮的是數十億光年的宇宙尺度，在這樣的大尺度上，宇宙中的物質形成了由物質團塊和細絲組成的網狀結構，各處的物質分佈和密度看起來都是平滑、均勻的。而在早期的宇宙，即使在較小的尺度上也是平滑和均勻的，但在更小的尺度上也存在微小的密度漲落！

這些微小的密度漲落就是今天物質結構的種子，在後來的演化中形成了今天所看到的任何物質團塊（包括恆星、星系、星系群和星系團），那麼問題是：這些密度漲落是咋來了？從量子力學的角度來看，有沒有可能存在一個完全均勻的宇宙？如果不可能，是否可以存在一個比我們的宇宙一開始更加均勻的宇宙，這個宇宙會在更長的時間尺度上才能形成一個與我們今天的宇宙相似的宇宙？

讓我們從今天的宇宙開始說起

在我們銀河系的尺度上，我們可以看到很多密集的物質團塊，像恆星、行星、衛星、小行星甚至是人類。在這些物質團塊間是廣袤無垠的星際空間，但其中也充斥也大量的更加彌散的氣體、塵埃和等離子體，這些物質要麼是之前死亡恆星的殘骸，要麼就是還未形成恆星的原始物質。所有這些物質團塊結合在一起就構成了我們的星系：銀河系。

在更大的尺度上，單個星系可以獨立的存在與宇宙中（這種星系叫場星系），也可以由少數的幾個星系組成一個叢集（如：我們的本星系群），也可以由更多的星系（數百到數千）組成一個星系團！如果我們再觀察更大的尺度就會發現，這些星系群、星系團沿著巨大的絲狀結構排列，延申數十億光年。在這些細絲之間就是巨大的宇宙空洞，一個低密度區域，其中只存在少量的星系和恆星。

如果我們在更大的尺度上觀察宇宙就會發現，我們看到的任何一個特定的區域與其他任何一個區域看起來都是一樣的，它們有著相同的物質密度，有著相同的溫度，有著相同數量和型別的恆星和星系等等，反正就是看起來一摸一樣。

也就是說，在最大的尺度上，宇宙中的任何一塊區域不會比其他區域看起來更特說。空間的不同區域在我們看來都具有相同的性質。這就是我們常說的各向同性問題。

但是早期的宇宙並不是由目前我們所看到的物質團塊、細絲和空洞組成的。當我們觀察宇宙微波背景輻射的時候，由於一開始測量精度的問題，無論我們怎麼測量都發現早期的宇宙物質分佈是完美均勻的，全天空溫度都在2.725K，這就讓人大惑不解！要知道一個完全均勻的宇宙是不會形成任何物質結構的。

直到在20世紀90年代，我們才微波輻射中有些區域的密度比平均密度高，有些區域的密度比平均密度低，這就是上文所說的微小的密度波動，大約相差80-90微開爾文。也就是說宇宙早期是非常非常均勻的，只跟完美均勻相差了0.003%左右。

上圖就是普朗克衛星對微波輻射溫度微小波動的詳細測量，這些不動在各個位置和尺度上都是一致的，所以當今的宇宙分佈在大尺度上也是一致的，簡單的說，早期宇宙結構的種子是一致的，結出來的果實肯定也是一致的。

上圖中紅色的“熱點”就是密度小的地方，藍色的“冷點”就是密度大的地方，而密度大的地方在未來就會在引力的作用下形成恆星和星系，密度小的肯定就對應著宇宙空洞。宇宙結構的形成需要這些不完美的密度波動。

這一點很好理解，如果宇宙真的是那種完美均勻的分佈，各處的引力都是相等的，那麼就不會有任何一個區域會吸引到更多的物質，引力不增長恆星肯定就無法形成。如果存在密度的不均勻，隨著時間的推移，引力吸積物質，宇宙在5000萬到1億年間就會發生第一批恆星，數億年後星系就形成了，到5億年得時候，宇宙就會形成更多的恆星和星系，高能輻射重新電離宇宙中的中性氣體，可見光就可以在宇宙中自由的穿梭。數十億年後，我們就看到今天宇宙的模樣。

那麼宇宙一開始的密度漲落是咋來的？

有沒有可能創造出一個沒有任何密度波動的宇宙？也就是一個完美均勻的宇宙？總的來說，要是以目前宇宙誕生的方式創造宇宙，就不會存在一個沒有密度波動的宇宙。我們知道宇宙誕生於熾熱的大爆炸，在這個時期，宇宙中充滿了高溫、高密度的物質、反物質和輻射。

而熱大爆炸的狀態自於宇宙暴漲結束後，真空能量轉化為物質和輻射，但是真空能量本身就存在量子波動，並在暴漲期間被拉伸到了整個宇宙中！而真空能量的波動就是最後物質密度波動的根源。

如果宇宙本身有一個暴漲的起源階段，並且遵循我們所知的物理定律，就一定會存在波動，導致形成密度過高和密度過低的區域。

但是是什麼決定了波動的大小呢？它可以再小一些嗎？

答案是肯定的！

如果通貨膨脹發生在較低的能量尺度上，或者暴漲的性質與我們宇宙誕生時的性質完全不同，那麼這些密度波動可能會小得多。不僅可以小十倍，還可以小100倍、1000倍、100倍、10億倍甚至更小！

但是宇宙最初的密度波動非常重要，因為宇宙結構的形成需要很長的時間。在我們的宇宙中，從最初的波動到微波背景輻射的發出需要幾十萬年的時間。從宇宙微波背景輻射到萬有引力促成第一批恆星的形成，大約需要1億年的時間。

從第一批恆星到一個暗能量主導的宇宙只需要78億年，這個關鍵，因為暗能量主導宇宙以後，引力就在更大的尺度上失去了作用，而且在暗能量導致宇宙加速膨脹之前，還沒有被引力束縛在一起形成的結構的物質，都是加速遠離對方。

這就意味著如果最初的密度波動更小，那麼形成第一批恆星的時間就會推遲，星系的形成也會推遲，宇宙的結構就會發生很大的變化。更甚者，如果密度波動非常小，有可能還沒等來得及形成第一批恆星，暗能量都導致所有物質加速遠離彼此，那麼宇宙中就真的什麼也沒有了。

那麼無法形成任何結構的最初密度波動需要多小？實際上答案很令人震驚，僅比我們宇宙擁有的波動小几百倍。也就是下圖中曲線的波動值在十幾，而不是幾千。

如果是這樣的宇宙發展到今天，不會形成任何恆星、星系，當然我們也不會存在，其與我們實際所看到的宇宙毫無相似之處。

所以對宇宙最初密度波動的限制其實是因為暗能量的存在，如果沒有暗能量，不管最初的波動有多小，只要時間足夠長，物質在引力的作用下都會形成結構。但是一個會在某個時期加速膨脹的宇宙就給宇宙物質結構的形成帶來了一種緊迫感，如果在暗能量掌控宇宙之前還沒有形成所有的結構，就再也沒有機會了。

所以，要想形成一個我們今天看到的宇宙，平均漲落的幅度至少超過平均密度的0.00001%，這樣才會形成一個有明顯束縛結構的宇宙。

我們的宇宙之所以會成為今天看到的宇宙，是因為它有特定的膨脹率和物質密度不動，如果這兩個因素出現差錯，要麼就會導致一個物質結構更小，甚至是沒有結構的宇宙，要麼宇宙就會在早期快速、瘋狂的形成更多大型結構，導致一個充滿黑洞的災難性宇宙。

要創造出我們今天所處的宇宙，就需要一系列極其偶然的組合，而幸運的是，我們宇宙看起來剛剛好！