宇宙，這個一切存在物的總彙，到處提供給我們的只是物質和運動。——〔法〕霍爾巴赫：《自然的體系》

昨天解讀了一下諾獎中“理解宇宙演化”是啥意思，正好說到了在宇宙微波背景形成和大爆炸核合成，今天我們就順著往下說！既然有了初始的物質，那麼往後的宇宙中大尺度網狀結構是如何成長起來的？是在什麼時候停止的？宇宙現在還會不會繼續形成大的結構？

目前我們宇宙的大尺度結構是啥樣的

當我們駐足仰望夜空，跟隨著我們銳利的目光，越過太陽系，穿透銀河系來到廣袤的宇宙，我們看到了什麼？宇宙充滿了物質和運動。然後想想今天的宇宙中有什麼？你可能會想到無數、巨大、稠密的物質團塊佈滿了宇宙空間。例如：衛星、行星、恆星！那麼我們的宇宙真的是充滿了物質，它們在宇宙中真的很擁擠嗎？不是的。

單考慮地球和月球之間的距離，再與它們的實際大小相比，我們就能看出地球和月球之間有著巨大的天文距離！當我們考慮宇宙最大的尺度時，空間的間隔距離更是令我們咋舌。

從我們的角度來看，目前可以觀察到的宇宙其直徑約為920億光年，其中包含了超過1000億個星系。這些星系都是大而密集的物質區域，每個區域都含有氣體，塵埃，和極密集的恆星，行星，白矮星，中子星和黑洞！

儘管這些星系在大尺度上聚集在一起形成了更大的結構（星系群、星系團和超星系團），但宇宙的結構看起來就像一個巨大的絲狀網路，物質聚集的區域被巨大的空間分割開來。

如果我們把宇宙的空間和物質平均一下，我們會發現宇宙的平均密度大約是每立方米一個質子。但是在我們生活的地方，在地球上密度大約是這個平均密度的10^30倍，而星系間的密度很低，並且漸進地接近於零。

所以我們很難想象宇宙開始於一個幾乎完全均勻的狀態。但事實上，如果我們回到早期的宇宙，到處都是一樣的（除了存在微小的密度漲落）！那麼我們是如何從一個統一的、幾乎完美的狀態發展到今天的？讓我們追溯偉大的宇宙歷史，看看我們看到的一切來自何方。

真空量子漲落早就了宇宙結構的“種子”

據我們所知宇宙在最開始的時候，根本不存在任何物質輻射，粒子以及反粒子。只有空的時空，而真空本身固有巨大的能量，並以指數增長的速度膨脹。這就是所謂的宇宙膨脹時期。

隨著宇宙暴脹的發展，越來越多的空間被創造出來，所有的空間都具有相同的、固有的、均勻的特性，包括所有地方相同的能量密度。這時我們的宇宙不是古典的宇宙而是量子宇宙。換句話說，儘管我們對暴漲的具體性質知之甚少，但我們知道宇宙此時應該是一個量子場，而不是一個經典場。

這也意味著這時的宇宙就像所有的量子場一樣，也應該具有量子漲落。

在暴漲的宇宙中有量子漲落，這些漲落隨著空間的膨脹而被拉伸到整個宇宙，導致空間的區域（不論大小）都以輕微的高密度和低密度能量開始。換句話說，是量子漲落創造了宇宙稍微的不均勻。這個稍微的不均勻就是往後微波輻射溫度在微開爾文尺度上波動的原因，也是往後宇宙結構的"種子"！

這個稍微到底有多稍微呢！就像是下圖中的土疙瘩和地球表面相對半徑一樣不均勻！所以我們經常說宇宙早期幾乎完美、幾乎均勻、微波輻射幾乎全天空一致，就是這個道理。

當暴漲結束時，所有的真空能量以及量子漲落造成的能量密度缺陷，就會轉化為物質、反物質、暗物質和輻射。在空間中只保留了少量的真空能量，就是我們現在稱為的暗能量。

宇宙在38萬年間，一直保持著微小、均勻的物質密度

暴漲結束後宇宙仍在膨脹，但不再以指數級的方式膨脹，從現在開始，這些微小的密度缺陷會受到引力的影響，試圖塌縮！

你可能會認為，宇宙從這個時候開始就要形成結構了？密度稍微高區域越來越密集；而低密度區域將逐漸縮小，把它們的物質轉移到更密集的區域，因為密度大的區域在引力上更具有優勢。

直覺沒錯，但是有點將事情簡化了。事實上，當宇宙被輻射所支配時，物質試圖在引力的作用下塌縮，但光子的輻射壓力能夠有效地以幾乎相同的力提供向外推的力。實際上，這時的結構生長非常非常緩慢，只要輻射密度大於物質密度，這時的密度變化幾乎可以忽略不計。

如果這時的宇宙中有一個比平均密度高0.001%的區域（一個相當典型的密度波動），大約10000年的時間裡它不會發展到比周圍的平均密度高出0.002%。

甚至在暴漲結束後的38萬年，宇宙殘留的微波輻射中，最大的波動幅度只增長了6倍左右；那些密度比平均水平高0.001%的區域在38萬年後比平均水平高了0.006%。

宇宙大尺度結構開始“生長”

隨著宇宙繼續膨脹，光子的密度不僅在下降，而且光的波長會發生紅移。結果導致了，宇宙中輻射的能量密度下降的速度比物質密度下降的速度還要快。

隨著輻射能量的降低，原始氣體雲就可以在引力的作用下坍縮了！密度過高的區域將持續增長，吸引越來越多的周圍區域的物質，最終達到一個重要的閾值：比平均密度高約68%。這個數字很重要。

因為這就是所謂的“不歸點”！在這個意義上，一個達到這種密度的區域只有一條路可以走：那就是坍塌，根據區域的物質規模，最終出現一個恆星群，一個星系，甚至更大的結構。

這個數字也確保了宇宙中密度最大的區域能以最快的速度“獲勝”形成結構！這就是宇宙如何從最初幾千萬年沒有恆星到1億年有幾萬億顆恆星到8億年的時候已經擁有10^23顆恆星！

更大的尺度，引力需要有足夠長的時間發生作用，所以恆星在星系形成之前，星系在星系群形成之前，星系群在星團形成之前，星團在超星團和細絲結構形成之前。

總結：暗能量掌控宇宙以後，宇宙結構停止“生長”

在經歷了這一切之後，最大的尺度（超過500萬到10億到20億光年）將不會被束縛在一起。如果在我們的宇宙開始被暗能量主宰之前，空間區域沒有達到“高於平均密度68%”的門檻，所有的物質就會錯過被引力束縛的機會。

目前我們的宇宙中那些沒有被引力束縛在一起的結構將永遠不會被束縛在一起，而絕大多數可觀測宇宙，約97%的物體將永遠會遠離我們。已經被束縛的結構將會保持不變：我們的本星系群和其中的星系，室女座星系團和其中的星系，還有上圖中這個遙遠的星系團和其中的星系，但是我們永遠不會和室女座結合，室女座也永遠不會和上圖中的這個星系團結合。

宇宙結構在引力的作用下經過了數十億年的演化，在45億年前暗能量終於掌控了宇宙，最終宇宙結構的形成也即將結束。