【拔丝学堂 007】探索宇宙的起源

拔丝小蚂蚁

【拔丝学堂 007】探索宇宙的起源

北大84级的“周末讲座”到了第七讲了。本期是由技物系的戴强带同学们探索宇宙的奥妙。下面就是他的讲座内容。

宇宙学 = Cosmology宇宙观 = Cosmogony我觉得有必要先界定一下我们今天这个讨论的范畴。宇宙观（Cosmogony) 和 宇宙学 （Cosmology）是两个不同的概念。宇宙观是对宇宙起源的各种解说。这些解说，有基于神话的，也有基于科学的。宇宙学，基本上是指基于物理学的研究整个宇宙从起源演进到现在乃至将来的科学理论。宇宙学之所以为科学而非神话或“臆测”，是因为它是被基于科学方法的宇宙观察所制约，也是因为它的推演符合我们已知的物理学理论。我们今天这个讨论的范畴属于宇宙学，是宇宙观的一种。

在中文里“宇”是无限空间，“宙”是无限时间，是独立的，并列的存在。“宇宙”即“天地”。这个与牛顿力学时代的概念是一致的。但现在我们知道时空是不可分割的。所以用现代物理的概念来更新一下这个定义的话，可以说“宇宙”是“所有的时空”

The most incomprehensible thing about the world is that it is comprehensible. - Albert Einstein
这个世界里最不可理解的事情是这个世界是可以理解的。— 阿尔伯特.爱恩斯坦

（1）宇宙的历史




这张图可以大概概括我们现在对宇宙的理解。它有个时间的起点：t=0。宇宙起源于一个“量子奇点”，大小在普朗克单位的量级：在1.62e-35米范围内，能量可高达1.22e19 GeV 的数量级 （ 温度 1e32K = 能量 / 玻尔兹曼常数 )。粗略的讲，我们可以把宇宙的演进过程分为几个重要的阶段：- 起始：         t = 0- 暴涨：         t = 1e-36 秒- 最后散射： t = 37 万年- 第一颗星：  t = 2 亿年- 现在：         t = 137.7 亿年

宇宙在最初的奇点状态还不能用现在已知的物理学模型来具体描述，因为在那个状态里，时空本身是量子化的。但从量子力学的角度，我们知道真空并非真空。卡西米尔效应证明了真空中会自发产生正反粒子： 正反电子不断自发产生并立刻堙灭会使放在真空中的两块中性的金属板相互吸引：



所以，产生宇宙起始奇点的一个可能途径是自发产生的一对正反粒子（能量在普朗克数量级）引发空间尺度的暴涨，使它们被永久隔离，无法相互堙灭。我们后面会看到真空的量子振荡会留下一些可观察的印记。

这个宇宙奇点一开始便急剧膨胀，不久广义相对论和量子力学脱离，前者描述的测度结构成为后者的时空背景。量子力学决定了宇宙中物质和能量的组成和演化方式，这些物质和能量直接影响时空测度的演变，也就是宇宙的膨胀方式。再强调一下：这两者都会在宇宙中留下重要的印记。这里我们假设了“广义相对论”和“量子力学”在宇宙的量子奇点状态是一个同一个物理。

宇宙史上一个重要的里程碑是诞生后37万年。在那之前，宇宙的空间尺度和物质的基本要素已经形成，但因为宇宙中充满了带电粒子，包括电子和质子，电磁辐射（光子）不能在空间自由穿行。在37万年左右，宇宙的温度降至3000K左右，电子与离子结合形成中性原子。于是，宇宙透明了，各种频率的光子，可以向各个方向穿行，直到现在，可以被我们观察到。宇宙中的这个界面，叫做”最后散射表面”。

假如我们在现在这个时刻给宇宙拍一个全角度的立体照片，那么它的一个截面看上去是这个样子：



看一下这个图，看看你能发现一点什么线索。正中间是地球。在这个照片里，观察者（我们）在照片的正中心。比较近的地方可以看到太阳系。再远一些，我们可以看到银河系的很多恒星环绕在我们周围（图中约1/3半径处的一圈白色星云）。这些恒星，和我们的太阳系，都在银河系的同一条旋臂上。因为我们处在银河系其中一个旋臂上，银河系的中心和大部分星体结构比我们周围的星云要远的多。它的位置是图上方那个看上去最大的星系。它的右边就是仙女座星系。再往外的一圈白点，每一个基本上都是一个星系。碰巧的话，也许包含一些正在爆发的”超新星”，或者一个正在形成中的超级黑洞。它们离观察者的距离在一亿光年到一百多亿光年。（注意这个图的尺度比例是不一样的，越远越大）

因为比例的关系，在图上看上去太阳系离银河系很远，其实在里面。图中最外面的暗红色的一圈，就是“最后散射表面”。它代表我们用光学或电磁手段可以看到的宇宙最早的时刻（或者说是在某个特定的时刻可以看到的最远的地方）。假如我们把上面这个图切出一个视角来，它看上去是这样的：



“最后散射表面”是最里面的那条圆弧线。再往外，代表更早期的宇宙。虽然我们没法用光学或电磁手段直接观察这个时候的状态，我们后面会讲到有哪些其他的直接或间接的手段来观察。但我们知道，越往外走，温度越高，离宇宙的量子奇点越近。从“最后散射表面”上发射出来的光子，基本上是在宇宙诞生后10秒钟以后产生。从宇宙诞生后10秒开始，宇宙进入“光子时代”，因为基本粒子的三种相互作用已经完全脱离，强相互作用和弱相互作用已经成为短程作用，电磁作用成为最主要的活动，宇宙中充满了各种电磁辐射。

其实决定原子核性质的弱相互作用在宇宙更早期就已经与电磁作用脱离。这在宇宙诞生后 1e-32秒发生。只不过那个时候宇宙的温度还非常高，所以夸克，胶子，重子，轻子，电子和它们对应的反粒子和其他的交换子处于一个热平衡中的”等离子态”。随着温度逐渐下降，粒子/反粒子对逐渐堙灭，成为高能辐射。

再往上回溯宇宙的历史，我们进入了一个非常重要的阶段：暴涨时代。这个时代发生在宇宙诞生后 1e-36秒 到 1e-32秒 之间。在这个阶段，宇宙的尺度发生了剧烈的（指数形式的）扩张。这个扩张不是一种热力学形式的扩张，也不是一种流体力学形式的扩散，而是“时空尺度”本身的扩张。我们以后会看到，时空的均匀扩张（即宇宙膨胀）一直到现在还在进行中，以后还会持续下去。但在暴涨时期，这个扩张尤其剧烈，宇宙的尺度在一瞬间扩大了至少30个数量级（30个数量级是根据现在的观察和理论给出的下限，暴涨期间尺度也有可能扩大一百多个数量级）。

宇宙的尺度“扩大30个数量级”是什么概念？就是原来一纳米的距离扩大到了10万光年。我们现在看到的宇宙的大尺度结构的框架，就是在暴涨中形成的。驱动暴涨的能量，在暴涨中得到释放，形成极高温的以夸克，反夸克，胶子为主的等离子态均匀地弥漫在整个宇宙。这些物质，在产生以后，基本上在局部震荡，但它们之间的相对距离，会因为宇宙尺度的膨胀而急剧拉长。在暴涨前和暴涨过程中产生的密度波动，成为后来星系形成的”原核”。我们知道雨点，珍珠等的形成需要一些“杂质”作为“原核”，星系的形成也需要“原核”，否则宇宙中的物质都会待在原地不动（最多是量子振荡）。

这个剧烈的尺度膨胀有几个重要的后果：（1）暴涨前，哪怕宇宙有内在的曲率，暴涨以后会被拉平；（2）暴涨前和暴涨过程中产生的密度和温度上的空间波动都会因为尺度的剧增而变成及其微小的波动，在大尺度上，宇宙的密度和温度会非常均匀；（3）暴涨使宇宙中在大尺度上的细微变化成为永久的烙印，因为对于宇宙中任何一个固定的观察点来说，大部分的宇宙会在“狭义相对论意义上的”因果视界之外，所以任何“当地”的变化，包括粒子之间的转化，原子的产生和演化，分子的产生和化学变化，星系的形成和演化，等等，都无法改变宇宙的大尺度结构。正是因为这个原因，我们现在可以对宇宙早期的状态有一个非常好的观察和理解。

宇宙从最初的量子奇点状态到暴涨阶段，经历了一个相变。在相变的一边，广义相对论和量子力学是统一的，时空处于一个量子态；在相变的另一边，时空进入经典状态，可以用广义相对论的测度来描述。宇宙诞生时拥有的能量成为一种势能，以一种纯量场的形式存在（类似希格斯场）。也就是说，宇宙从一个量子化的时空结构转化为一个经典时空背景上的高能量子态。这个纯量场与强弱电的统一场有相互作用，同时是驱动暴涨的原动力。

宇宙”年谱”：t=1e-36秒。”暴涨时代“，强相互作用脱离弱电作用。t=1e-32秒。进入“弱电时代“，弱相互作用脱离电磁作用。t=1e-12秒。进入“夸克时代”。四个基本作用都已经分离，但宇宙的温度还很高，所以夸克，胶子，轻子和对应的反粒子以一个极高温的“等离子态”形式共同存在。t=1e-6秒。宇宙进入“重子时代”，温度逐渐下降，夸克开始结合成为重子。这个阶段开始时宇宙充满了重子/反重子对，到后期大部分重子/反重子相互湮灭。t=1秒。进入“轻子时代”。宇宙中的物质主要以轻子/反轻子形式存在，到后期大多数轻子/反轻子相互湮灭。t=10秒。进入“光子时代”。大部分重子和轻子都与反粒子湮灭，宇宙中物质主要以光子（辐射）形式存在。残留的重子开始核反应，轻原子核开始形成。t=1月。宇宙背景辐射代表的黑体辐射最后成型。t=1万年。宇宙中物质密度超过辐射能量密度。t=37万年。宇宙温度降至三千度。原子核（离子）与电子结合形成中性的原子（主要是氢氦锂等轻原子）。这时候光子可以开始在宇宙中自由穿行。宇宙被背景辐射照亮。在其后的137亿年里，经过1090倍的红移，成为我们现在观察到的弥漫在整个宇宙的微波辐射（2.725K，波长1.99毫米，频率160兆赫）。=====t=两亿年。星系等天文结构开始产生，宇宙继续膨胀。t=88亿年=今天-50亿年。宇宙膨胀开始加速。t=137.7亿年=今天。宇宙的膨胀速度是 67.4 ± 0.5 公里 / 秒 / 百万秒差距（哈勃常数），1 秒差距 = 3.26 光年。大尺度上有异常均匀的背景微波辐射。这个背景随观察角度有些细微的变化。

年谱里简单的叙述了一下各种基本粒子和相关的量子作用力的演化过程。（2）历史的印记
（A）微波背景辐射1964年，Arno Penzias and Robert Wilson 发现了宇宙中充满了异常均匀的背景辐射，频率相当于2.726K的温度。这个发现被授予1978年诺贝尔奖。这个辐射在大尺度上的均匀程度非常”异常”，因为没有显然的物理机制可以使相隔足够远的区域之间达到热力学平衡。更精密的观察证明这是一个近乎完美的黑体辐射。



上面这个图，是美国的一颗专门发上去观察宇宙背景辐射的卫星 （COBE）得到的结果。当时在物理学年会上发布这个结果时，大家都惊呆了，全场起立鼓掌。这个是背景辐射的能谱，一个几乎完美的黑体辐射能谱。这个 COBE 观察的精度如此之高，图上的误差值几乎看不出来。现在我们知道。这个辐射是宇宙早期活动留下的证据。宇宙刚诞生不久是完全黑暗的，但有各种温度下的黑体辐射。37万年后，重子物质和轻子物质结合形成了原子，光子可以在宇宙中自由游弋，黑体辐射最后成型，当时的温度是3000K，黑体辐射的光谱在以后的137亿年经历了1090倍的“红移”。

3000/1090 = 现在观察到的辐射波长所代表的温度。假如我们可以在那个时候观看宇宙，那么周围的一切都是橙色的。假如我们从离”最后的散射表面越来越远的地方看这个表面，我们会看到它的颜色从橙色慢慢变成红色，最后又变成漆黑一片，因为从那里发射出的光子都进入了红外频道，只能用微波探测器才能看到。



红移有三种，最基本的是“多普勒效应”，大家应该都熟悉。光子从宇宙早期一直到我们现在的探测器里的红移，主要是因为宇宙的尺度膨胀造成的。背景辐射不可能是因为现在宇宙中的热源产生的，因为它太均匀了。所以只能是宇宙早期产生的。

我们现在讲讲背景辐射中隐含的更多的信息。背景辐射看上去几乎是完全均匀的，各个方向的变化小于十万分之一。但就是在这个十万分之一以下的细微变化中，隐藏着宇宙早期活动非常重要的证据。背景辐射偏离平均温度的角分布（数量级：十万分之一度）。



上图是背景辐射温度的全角度测绘结果，是比COBE更精密的普朗克探测器得到的结果。上面蓝色的地方表示在那个角度的温度略低于平均值，暖色的地方表示略高于平均值，这些不同观察角度上的细微偏差的数量级是10万分之一度。



上面是一个傅立叶振荡的标准振荡模式。傅立叶能谱分析是这个样子：



这些细微的波动，其实代表早期宇宙中的声波！宇宙中的粒子，在引力和辐射的拉锯下，会产生密度的振荡波动，因而引起背景辐射随角变量的细微振荡波动。2006年物理学诺贝尔奖授予George Smoot 和 John C. Mather。他们发现了微波背景辐射的黑体辐射性质及其微妙的角分布。假如背景辐射的角变化是随机的，那么傅立叶频谱应该是一条水平线。频谱中的结构与我后面宇宙学理论可以达到高度吻合。

（C）大尺度的均匀平坦在大尺度上，我们的宇宙从物质和能量的密度上看上去非常均匀，而且空间几何性质上非常平坦（没有曲率）。大尺度上的密度（和温度）均匀是件费解的事情，因为不同的地方距离如此之远，远远的在狭义相对论意义上的因果光锥之外，所以不可能相互协调。(具体的说，最后散射表面上两点之间的角距超过1.7度就没有因果关系。）空间的几何曲率也会影响背景辐射的角分布。通过分析角分布，可以看到我们这个宇宙几乎没有任何几何曲率。

平坦的测度刚发现时也很费解，因为理论上可以证明，在宇宙早期的条件下，平坦的测度是不稳定的。平坦就是平坦，比较直观，我就不展开了。但后面会讲到，没有暴涨，”平坦”的宇宙几乎是不可能的。

（D）宇宙在膨胀100年前，天体物理学家已经发现宇宙深处的星系在所有方向远离我们而去。距离越远，飞离的速度越大。感觉就像所有的星系固定在一个球上，而整个球在膨胀。膨胀的速度，就是哈勃-勒梅特定律 （Hubble-Lemaître Law)：v = H x d，d 是两个遥远星系之间的距离，v 是它们相互飞离的相对速度。





这个也很直观：上面两个图是远处星系飞离速度与地球距离的关系。前面的是哈勃的结果，后面的是更精确的结果（用更远的星系）。H，哈勃常数，最精确的测量结果是67.4 ± 0.5 公里/秒/百万秒差距。也就是说，假如一个星系与地球的距离比另一个远一百万个“秒差距” (一个秒差距 parsec 相当于 3.26 光年），那么它飞离的速度要增加每秒67.4公里。这个膨胀速度下，足够远的星系飞离我们的速度显然会超过光速。这是否违背了爱恩斯坦的狭义相对论？不是的！因为宇宙的膨胀，不是物质在空间的扩散，而是空间尺度本身的膨胀。

也就是说，宇宙早期的一米和现在的一米是不一样的概念。物质和能量可以影响宇宙的尺度（包括曲率），反过来宇宙的尺度可以影响物质和能量的运动方式。这，正是广义相对论的精髓。爱恩斯坦场方程：



这个方程我们就不解了，1927年前后弗里德曼已经解出来了。R：时空测度张量；T：物质和能量张量弗里德曼尺度和哈勃系数的理论推导：（根据宇宙是完全对称均匀的假设解出爱恩斯坦场方程）



这里，”a(t)” 代表宇宙的尺度，是随时间变化的。（E）膨胀速度在加快Adam Riess, Brian Schmidt, Saul Perlmutter 发现了宇宙膨胀速度在加快，并因此获得2011年物理学诺贝尔奖。



宇宙膨胀在加速的证据由两个团队同时得到，所以他们的领头人共享了诺贝尔奖。这个结果很重要，因为它证明了宇宙膨胀的动力还有一个看不到的来源：暗能量。

（F）暗物质宇宙中存在一种物质，它的存在只能通过它的引力作用来感知，所以称为暗物质。通过观察大规模的星系群的运动模式，可以估算出宇宙中暗物质的能量大约是普通物质的五倍。暗物质存在的证据是多方面的，最重要的一个证据是基于对20多万个星系的测绘分析得到的结论。还有通过引力成像（gravitational lensing) 得到的证据。还有通过分析星系M100和Butler Cluster的证据。

暗物质到底是什么呢？2015年的物理学诺贝尔奖授予Takaaki Kajita and Arthur B. McDonald。他们发现了中微子的”振荡现象” (基本粒子三个家族中的中微子会相互转换），由此证明中微子是有质量的。中微子质量的来源还很费解，最受欢迎的”拉锯理论”认为宇宙中不但有左旋的质量很小的中微子，还有右旋的质量很大的中微子，而且两者的质量是成反比的。假如这个大质量的右旋中微子被某个探测器发现，接下去那年的诺贝尔奖就没有任何悬念了。大质量的中微子，假如存在，很可能是暗物质的一个重要组成部分。基于”拉锯理论”的”轻子生成理论”可以解释为什么宇宙中物质多于反物质。

（G）上帝啊！这么多星星！”God, it‘s full of stars！” last message from Dave Bowman，2001: a Space Odyssey，before he travels into spacetime。这个是哈勃望远镜拍摄的宇宙早期的星系。





星系形成之前，暗物质在引力作用下组成一个蜘蛛网一样的结构（the Cosmic Web)。Illustris 模拟，暗物质密度。



普通物质因为引力被吸附在暗物质上，然后相互聚集，成为气体和尘埃。这些气体和尘埃相互吸引，开始在中心密集区域形成高温高压的原始恒星，并在恒星内部开始通过聚变制造重元素。超大质量的原始恒星最后发生引力崩塌，产生巨大的爆炸（超新星），爆炸中向空间发射出大量的物质（包括各种轻重元素），成为星际间的气体和尘埃。其内核则成为中子星或黑洞。
Illustris 模拟，45亿年



Illustris 模拟，106亿年。



星系的中心往往有一个超大型的黑洞，这些超大的黑洞会吸引周围的物质，有些成为高速旋转的类星体。分析早期形成的类星体的光谱，是研究宇宙演化过程和物质分布的重要手段。类星体的年龄，可以通过光谱的红移推算出来。类星体的转速，可以通过发射线的宽度推算出来。类星体光谱中的吸收线，可以告诉我们类星体和地球之间的宇宙空间中物质的元素成分和密度分布。

恒星中的聚变会产生一些重元素，包括铁元素。更重的“超重元素”，需要通过“中子捕获”方式的产生。这些过程包括“AGN反馈”（AGN：活性引力核）。

活性引力核 （AGN）。



（3）宇宙大尺度动力学


（A）现在和将来我们现在观察到的宇宙的大尺度结构，基本上可以用广义相对论的语言来描述，具体的框架最早于1927年左右为弗里德曼等物理学家发现。他们发现了一个丈量宇宙的测度，Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker 测度。这是爱恩斯坦场方程的一个真空解。根据宇宙膨胀加速的证据，我们可以推理出宇宙将来的演进模式，主要是由一个宇宙常数(暗能量）来驱动。也就是说，爱恩斯坦场方程中的 Λ > 0. 在这个假设下，并假设宇宙的大尺度几何结构是平坦的，爱恩斯坦场方程的解称为”得-西特宇宙” （de-Sitter universe)。根据现在所有的证据，我们相信宇宙从50亿年前开始向得-西特宇宙趋近。而且这个宇宙将永远膨胀下去。最后，我们周围的星系，除了仙女座星系将与银行星系合并，其他都将永远飞离我们的（相对论意义上的）因果视野。下图中最后一个是德-西特宇宙



下图中第三个是德-西特宇宙的二维截面的形状：



（B）过去：暴涨结束到现在这段历史可以用宇宙学的标准模型来得到令人满意的解释：Lambda-CDM 或 ΛCDM (Lambda cold dark matter，暗能量暗冷物质模型)。在这个模型里，宇宙由三种成分组成：（i）Λ，也就是爱恩斯坦的宇宙常数, 俗称”暗能量”；（ii) CMD，俗称”冷暗物质”；（iii) 普通物质（重子物质）。这些成分决定了能量物质密度与时空尺度的关系。基于这个关系，再加上宇宙原理的假设（宇宙在大尺度上是均匀并各向同性的），可以用广义相对论推导出宇宙时空尺度从奇点出现后一千亿个普朗克单位（10^-32秒）到现在以及将来的演化过程。



在这个演化过程中，能量密度随着尺度负四次方的速度下降，质量密度随着尺度负三次方的速度下降，曲率代表的能量密度随尺度的负二次方下降，暗能量的密度不随尺度变化。结合”暴涨理论”，ΛCDM 模型可以系统地解释：宇宙微波背景的存在及其结构；星系分布的大尺度结构；轻原子氢（包括氘），氦，和锂的相对丰富；在遥远的星系和超新星的光线中观察到的宇宙的加速膨胀，等等。结合宇宙观察和天体观察，现在对宇宙中暗能量，暗物质，和普通（重子）物质的比例的估算是：74%，22%，和4%。也就是说，我们能通过各个波段直接观察到的物质，包括各种星球和宇宙中的尘埃和气体，只有宇宙总物质和能量的4%。暗物质可能包括一些稳定但质量很重的粒子，比如中微子，WIMP，磁单极，等，也可能代表我们现有理论框架之外的物质。暗能量可能起源于时空的量子振荡，代表”真空”的一种性质。它的存在不违背广义相对论。



（C）过去：早期的暴涨标准的大爆炸理论并没有说明什么东西爆炸了，爆炸的原因，或爆炸之前发生了什么。暴涨理论是”大爆炸理论”中那个”爆炸“的理论。  - 艾伦.古斯（1997）早期的”大爆炸”理论，有四个问题：- 结构问题- 均温问题- 平整问题- 膨胀问题ΛCDM模型解决了膨胀问题，但其他几个问题还是没法解决。后来观察到的背景辐射的细微的角分布，也超出ΛCDM的解释范围。现在，多数物理学家同意，在进入 ΛCDM 描述的状态之前，宇宙经历了一个“暴涨时代” (inflationary epoch）。这个时代发生的时间大致是大爆炸后 10^-36 秒 到 10^-32 秒 之间。在这段时间里，宇宙的尺度以指数形式暴涨了30个以上的数量级 （相当于一纳米拉长到10.6光年），尺度 ～ exp(H x t), H 为当时的哈勃系数，比现在的哈勃常数大接近50个数量级 （所以是暴涨）。暴涨时代处于大统一时代和弱电时代之间。暴涨发生的原因是大统一时代结束时发生了一个相变，这个相变形成了一个纯量场(inflaton)，宇宙在这个场中处于一个不稳定的高能态/假真空态，需要向一个稳定的真空态演化。在这个演化过程中，宇宙尺度因为广义相对论效应得到剧烈膨胀，同时能级转换中释放出来的能量使宇宙充满了极高能量的正反夸克和胶子。随着暴涨过程中温度的降低，强相互作用与弱电作用脱离，W，Z，和希格斯子开始出现，宇宙在暴涨结束后进入”弱电时代”。在这个阶段，宇宙还是完全黑暗的。观察这个时代的手段是通过探测暴涨过程中产生的引力波，和当时的密度波动在暴涨后遗留下的大尺度的细微波动。



提出和构建暴涨理论的物理学家主要是斯坦福的Andrei Linde （我在宇宙学上的启蒙老师）和 麻省理工的 Alan Guth。暴涨理论给出了五个非常具体的预言，其中四个已经得到观察证实。未得到证实的关系到暴涨时发生的引力波。

l < 50 的部分来自于暴涨时期的振荡。暴涨理论预言这部分的强度应该是比较平坦的。第一个高峰来自引力与辐射压力之间的拉锯所引起的重子密度振荡，是一种声波，假如当时宇宙是平坦的，这个峰应该出现在 l=220。其他高峰代表重子密度其他更高频的振荡模式。从这些振荡模式，我们可以估算出当时物质相对于能量的密度和其他一些重要的参数。重子密度的振荡造成温度的微妙变化，所以也反映在黑体背景辐射里微妙的振荡。这两种震荡之间的关联也已被观察证实。暴涨理论虽然成功地解释了很多观察到的现象，它本质上还是一个维象理论。真正从粒子物理学基础上建立暴涨的原动力的发生机制，还有待粒子物理理论更深层的完善和对宇宙早期相变过程的更深了解。

（D）起始：量子奇点宇宙从诞生到“暴涨”开始这段时间的行为现在还没有太详细的理解。这是一个“量子引力”或更严格的说“量子时空”的场景。超弦理论的场景，或许比这个要宽大，但必须包含这个场景。最终的理解，还应该包含对暗能量和冷暗物质的理解，它们有可能在现在的理论框架内，也可能在外面，代表全新的物理。但这个时段发生的故事，还是有可能在宇宙中留下不可磨灭的烙印。更加精密的宇宙观察可以为我们提供不少线索。其中一个正在等待结果的精细观察与宇宙最早期（暴涨前）的量子振荡有关系。根据暴涨理论，暴涨前的量子振荡是现在观察到的宇宙中的星系结构的原核。并且，这些振荡会使背景辐射中的一些光子具有一个独特的偏振角度。这些预言，假如得到证实，那么宇宙学就正式进入了”量子宇宙学”。

（4）结语宇宙早期的”暴涨”，等于给宇宙当时的状态拍了一个照片，这个照片通过暴涨被凝固在时空里。宇宙背景辐射的结构就是这张照皮的一部分。这是一个几近全息的照片，我们可以看到当时宇宙的重子的密度分布，温度分布，辐射分布，或许中微子和引力子的分布，甚至磁单极的分布。这些分布在“暴涨”以后的大尺度结构不会发生改变，因为它们之间的距离不允许它们之间发生（狭义相对论意义上的）相互作用。星系的历史演变相对来说是极小范围的现象，在这些小范围内，能量/质量基本上是守衡的。所以星系形成后的原子和化学反应都和宇宙在大尺度上的演化没有关系。人类或许最终可以征服和改变我们的星系，但不可能改变宇宙的大尺度结构。星系在大尺度上的分布，也是这张照片的一部分。一个雨点或一颗珍珠的形成，都需要借助一粒微核。宇宙早期的声波，在暴涨后成为星系赖以形成的微核。宇宙的大尺度结构，将是以后验证物理学理论的主要的实验室。

（5）哲学问题任何一个逻辑自洽的系统，总有一个本系统无法解答的终极问题。在宇宙这个系统里，现代物理已经把这个问题压缩到了一个比较小的范围。但最后，或许还是无法解答一个终极的问题：假如我们能满意地把宇宙起源追溯到这个原始的量子奇点，那么这个奇点从何而来？或许，这是一个 ”元物理”问题（meta-physical problem)。或许等同于”时间之前是不是有时间”的问题。物理学家或许可以提供一个或几个答案，但或许永远无法证明任何一个答案是唯一正确的答案。但现在有足够的证据表明：我们的宇宙有一个有限的历史，我们现在可以看到它诞生后三十万年开始透明的时刻。或许以后还可以看到它诞生一秒之内的某个时刻 (通过中微子，引力波）。它很大，大的不可想象。但它是有边际的，虽然大部分已经在我们的因果视界之外。（根据一个初略的估算，我们可见的宇宙相对于我们这个宇宙的大小，相当于一个原子相对于我们可见的宇宙的大小）我们的宇宙不会崩塌，但最后所有在银河系和仙女座星系引力范围之外的星系，都会飞离我们的视界。对我们人类来说。最重要的是我们的银河系（还有未来将要与之合并的仙女座星系）。我们或许要做好迁移出太阳系的准备，但银河系（和仙女座系）应该有很多可以为家的地方。人类的身体很渺小，但我们的意识很壮观。用我们意识的眼睛，我们可以看到很远的过去，也可以看到很远的将来。假如我们相信科学，我们可以在银河系和仙女座系之间永存。所以我们有足够的时间来探索那个终极的问题：时间的前面是什么？