宇宙在空间和时间上都非常浩瀚，在人类历史的大部分时间里，都超出了我们仪器和思想的触及范围。这种情况在 20 世纪发生了巨大的变化。这些进步同样受到强大的思想（从爱因斯坦的广义相对论到现代基本粒子理论）和强大的仪器（从乔治·埃勒里·海尔建造的 100 英寸和 200 英寸反射望远镜，它将我们带出了银河系，到哈勃太空望远镜，它将我们带回了星系的诞生）的驱动。在过去的 20 年里，随着人们意识到暗物质不是由普通原子构成、暗能量的发现以及宇宙暴胀和多元宇宙等大胆想法的出现，进展的速度加快了。
100 年前的宇宙很简单：永恒的、不变的，由一个星系组成，包含数百万颗可见恒星。今天的景象更加完整和丰富。宇宙始于 137 亿年前的大爆炸。在开始后的极短时间内，宇宙是基本粒子、夸克和轻子的热的、无定形的汤。随着它的膨胀和冷却，结构层层发展：中子和质子、原子核、原子、恒星、星系、星系团，最后是超星系团。现在，可观测宇宙居住着 1000 亿个星系，每个星系包含 1000 亿颗恒星，可能还有数量相似的行星。星系本身通过神秘的暗物质的引力结合在一起。宇宙继续膨胀，实际上是以加速的速度膨胀，这是由暗能量驱动的，暗能量是一种更加神秘的能量形式，其引力是排斥而不是吸引。
我们宇宙故事的主题是从夸克汤的简单性演变为我们在星系、恒星、行星和生命中看到的复杂性。这些特征在数十亿年的时间里逐一出现，并受基本物理定律的指导。在我们回到创世之初的旅程中，宇宙学家首先穿越宇宙的既定历史，回到最初的微秒；然后回到开始后的 10–34 秒内，这些想法已经形成，但证据尚不确凿；最后回到创世的最早时刻，对于这些时刻，我们的想法仍然只是推测。虽然宇宙的最终起源仍然超出我们的掌握，但我们有一些诱人的猜想，包括多元宇宙的概念，即宇宙包含无限数量的断开连接的子宇宙。
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膨胀的宇宙
1924 年，埃德温·哈勃使用威尔逊山上的 100 英寸胡克望远镜表明，几百年来一直被研究和推测的模糊星云是像我们自己的星系一样的星系，从而将已知的宇宙扩大了 1000 亿倍。几年后，他表明星系正在以数学关系描述的规则模式相互远离，这种关系现在被称为哈勃定律，根据该定律，距离较远的星系移动得更快。正是哈勃定律，在时间上倒放，指向了 137 亿年前的大爆炸。
哈勃定律在广义相对论中找到了现成的解释：空间本身正在膨胀，星系正在被带动前进。光线也在被拉伸或红移——这个过程会消耗它的能量，因此宇宙会随着膨胀而冷却。宇宙膨胀为理解今天的宇宙是如何形成的提供了叙述。当宇宙学家想象倒转时钟时，宇宙变得更密集、更热、更极端和更简单。在探索开端时，我们还通过利用比地球上建造的任何加速器都强大的加速器——大爆炸本身——来探测自然的内部运作。
天文学家通过望远镜向太空深处观察，可以回溯时间——望远镜越大，他们回溯的时间就越远。来自遥远星系的光揭示了一个更早的时代，而这种光的红移量表明宇宙在过去几年中增长了多少。目前的记录保持者红移约为 8，代表宇宙大小为现在的九分之一，只有几亿年的历史。哈勃太空望远镜和莫纳克亚的 10 米凯克望远镜等望远镜经常将我们带回到像我们这样的星系正在形成的时代，即大爆炸后几十亿年。来自更早时代的光线被强烈红移，以至于天文学家必须在红外和无线电波段寻找它。即将推出的望远镜，如詹姆斯·韦伯太空望远镜（一个 6.5 米的红外望远镜）和阿塔卡玛大型毫米波阵列 (ALMA)（位于智利北部的一个由 64 个无线电天线组成的网络），将带我们回到第一批恒星和星系的诞生。
计算机模拟表明，当宇宙大约 1 亿年时，这些恒星和星系出现了。在那之前，宇宙经历了一个被称为“黑暗时代”的时期，那时宇宙几乎一片漆黑。空间充满了单调乏味的混合物，五份暗物质和一份氢和氦，随着宇宙膨胀而变稀。物质的密度略有不均，引力起到了放大这些密度变化的作用：密度较高的区域比密度较低的区域膨胀得更慢。到 1 亿年时，密度最高的区域不仅膨胀得更慢，而且实际上开始坍缩。这样的区域每个都包含约一百万个太阳质量的物质。它们是宇宙中最早的引力束缚天体。
暗物质占了它们质量的大部分，但顾名思义，它无法发射或吸收光。因此，它仍然处于扩展云中。另一方面，氢气和氦气会发光、失去能量并集中在云的中心。最终，它完全坍缩成恒星。这些第一批恒星比今天的恒星质量大得多——数百个太阳质量。它们的寿命非常短暂，在爆炸并留下第一批重元素之前就结束了。在接下来的十亿年左右的时间里，引力将这些百万太阳质量的云组装成第一批星系。
来自原始氢云的辐射，被膨胀大大红移，应该可以被总收集面积达一平方公里的巨型无线电天线阵列探测到。建成后，这些阵列将观察第一代恒星和星系电离氢气并结束黑暗时代[参见“宇宙的黑暗时代”，作者：亚伯拉罕·勒布；《大众科学》，2006 年 11 月]。
炽热开端的微弱光芒
超越黑暗时代的是红移为 1,100 的炽热大爆炸的光芒。这种辐射已从可见光（红橙色光芒）红移到甚至红外线以外的微波。我们从那时看到的是填充天空的微波辐射墙——宇宙微波背景辐射 (CMB)，由阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊于 1964 年发现。它让我们得以一窥宇宙在 380,000 岁时的样子，即原子形成的时期。在那之前，宇宙是原子核、电子和光子的近乎均匀的汤。当它冷却到约 3,000 开尔文的温度时，原子核和电子结合在一起形成原子。光子不再从电子上散射，而是无阻碍地穿过太空，揭示了恒星和星系存在之前的更简单宇宙。
1992 年，美国宇航局的宇宙背景探测者卫星发现 CMB 的强度有轻微的变化——约 0.001%——反映了物质分布的轻微结块。原始结块的程度足以充当星系和更大结构的种子，这些结构后来将在引力的作用下出现。天空中 CMB 中这些变化的模式也编码了宇宙的基本属性，例如它的整体密度和组成，以及关于其最早时刻的暗示；对这些变化的仔细研究揭示了关于宇宙的许多信息。
当我们从那时开始倒放宇宙演化的电影时，我们看到原始等离子体变得越来越热和越来越稠密。在大约 100,000 年之前，辐射的能量密度超过了物质的能量密度，这阻止了物质结块。因此，这个时间标志着宇宙中今天看到的所有结构的引力组装的开始。再往前追溯，当宇宙不足一秒大时，原子核尚未形成；只有它们的组成粒子——即质子和中子——存在。原子核出现在宇宙几秒大时，当时的温度和密度恰好适合核反应。这个大爆炸核合成过程只产生了元素周期表中最轻的元素：大量的氦（约占宇宙中原子质量的 25%）和少量的锂以及同位素氘和氦 3。其余的等离子体（约 75%）保持质子的形式，这些质子最终将变成氢原子。元素周期表中所有其余的元素都在数十亿年后在恒星和恒星爆炸中形成。
核合成理论准确地预测了在宇宙最原始样本（即最古老的恒星和高红移气体云）中测量的元素和同位素的丰度。氘的丰度对宇宙中原子的密度非常敏感，它起着特殊的作用：它的测量值意味着普通物质占总能量密度的 4.5 ± 0.1%。 （其余的是暗物质和暗能量。）这个估计值与从 CMB 分析中收集到的成分完全一致。这种对应关系是一次伟大的胜利。这两种非常不同的测量方法，一种基于宇宙一秒大时的核物理学，另一种基于宇宙 380,000 岁时的原子物理学，它们的一致性不仅是对我们宇宙演化模型的有力检验，也是对所有现代物理学的有力检验。
夸克汤中的答案
早在微秒之前，甚至质子和中子都无法存在，宇宙是自然界基本构成模块的汤：夸克、轻子和力载体（光子、W 和 Z 玻色子和胶子）。我们可以确信夸克汤存在，因为粒子加速器实验已经在今天的地球上重新创造了类似的条件[参见“最初的几个微秒”，作者：迈克尔·里尔丹和威廉·A·扎伊克；《大众科学》，2006 年 5 月]。
为了探索这个时代，宇宙学家不是依靠更大更好的望远镜，而是依靠来自粒子物理学的强大思想。30 年前粒子物理学标准模型的建立导致了大胆的推测，包括弦理论，关于看似不同的基本粒子和力是如何统一的。事实证明，这些新想法对宇宙学的影响与热大爆炸的原始想法一样重要。它们暗示了非常大的世界和非常小的世界之间深刻而意想不到的联系。关于三个关键问题的答案——暗物质的性质、物质与反物质之间的不对称性以及结块夸克汤本身的起源——正在开始出现。
现在看来，早期的夸克汤阶段是暗物质的诞生地。暗物质的身份仍然不清楚，但它的存在是非常确定的。我们的星系和所有其他星系以及星系团都通过看不见的暗物质的引力结合在一起。无论暗物质是什么，它都必须与普通物质微弱地相互作用；否则它会以其他方式显示出来。寻找自然界力和粒子的统一框架的尝试导致了可能构成暗物质的稳定或长寿命粒子的预测。这些粒子今天将作为夸克汤阶段的残余物存在，并且预计与原子相互作用非常微弱。
一个候选者被称为中性微子，这是一类假定的新粒子中最轻的粒子，这些粒子是已知粒子的较重对应物。人们认为中性微子的质量是质子的 100 到 1,000 倍，正好在日内瓦附近的欧洲核子研究中心 (CERN) 的大型强子对撞机进行的实验可以达到的范围内。物理学家还建造了超灵敏的地下探测器，以及卫星和气球载探测器，以寻找这种粒子或其相互作用的副产品。
第二个候选者是轴子，一种超轻粒子，质量约为电子的万亿分之一。标准模型预测的夸克行为的细微之处暗示了它的存在。检测它的努力利用了这样一个事实，即在非常强的磁场中，轴子可以转变成光子。中性微子和轴子都具有重要的特性，即它们在特定的技术意义上是“冷的”。尽管它们是在滚烫的条件下形成的，但它们移动缓慢，因此很容易结块成星系。
早期的夸克汤阶段也可能掌握着为什么今天的宇宙主要包含物质而不是物质和反物质的秘密。物理学家认为宇宙最初具有相等的物质和反物质数量，但在某个时候，它发展出轻微的物质过剩——大约每十亿个反夸克就多一个夸克。这种不平衡确保了在宇宙膨胀和冷却时，有足够的夸克能够从与反夸克的湮灭中幸存下来。40 多年前，加速器实验表明，物理定律在物质方面略有偏差，并且在早期一系列尚待理解的粒子相互作用中，这种轻微偏差导致了夸克过剩的产生。
人们认为夸克汤本身是在极早的时候产生的——可能在大爆炸后 10-34 秒，在被称为暴胀的宇宙膨胀爆发中产生的。这种爆发是由被称为暴胀子的新场（大致类似于电磁场）的能量驱动的，它将解释宇宙的基本属性，例如其普遍均匀性和为星系和宇宙中其他结构播种的结块。当暴胀子场衰减时，它将其剩余能量释放到夸克和其他粒子中，从而产生了大爆炸的热量和夸克汤本身。
暴胀导致了夸克和宇宙之间深刻的联系：亚原子尺度上暴胀子场的量子涨落在快速膨胀中被放大到天体物理尺寸，并成为我们今天看到的所有结构的种子。换句话说，在 CMB 天空中看到的图案是亚原子世界的巨大图像。对 CMB 的观测结果与这一预测相符，这为暴胀或类似暴胀的现象发生在宇宙历史的早期提供了最有力的证据。
宇宙的诞生
当宇宙学家试图更进一步了解宇宙本身的开端时，我们的想法变得不那么确定了。爱因斯坦的广义相对论为一个世纪以来我们在理解宇宙演化方面取得的进展提供了理论基础。然而，它与当代物理学的另一个支柱量子理论不一致，该学科面临的最大挑战是调和两者。只有通过这样一种统一的理论，我们才能解决宇宙的最早时刻，即所谓的普朗克时代，大约在 10-43 秒之前，那时空本身正在形成。
对统一理论的初步尝试导致了一些关于我们最初起源的非凡推测。例如，弦理论预测存在额外的空间维度，并且可能存在漂浮在更大空间中的其他宇宙。我们称之为大爆炸的事件可能是我们的宇宙与另一个宇宙的碰撞[参见“时间开端的迷思”，作者：加布里埃莱·韦内齐亚诺；《大众科学》，2004 年 5 月]。弦理论与暴胀概念的结合或许导致了迄今为止最大胆的想法，即多元宇宙——即宇宙包含无限数量的断开连接的部分，每个部分都有其自身的局部物理定律[参见“弦理论景观”，作者：拉斐尔·布索和约瑟夫·波尔钦斯基；《大众科学》，2004 年 9 月]。
多元宇宙概念仍处于起步阶段，它基于两个关键的理论发现。首先，描述暴胀的方程式强烈暗示，如果暴胀发生过一次，它应该会一次又一次地发生，随着时间的推移，会产生无限数量的暴胀区域。这些区域之间没有任何东西可以传播，因此它们彼此之间没有影响。其次，弦理论表明，这些区域具有不同的物理参数，例如空间维度的数量和稳定粒子的种类。
多元宇宙的概念为科学领域中两个最大的问题提供了新颖的答案：大爆炸之前发生了什么，以及为什么物理定律是现在的样子（爱因斯坦关于“上帝对定律是否有任何选择”的名言）。多元宇宙使大爆炸之前的问题变得毫无意义，因为存在无限多次大爆炸开端，每次大爆炸开端都由其自身的暴胀爆发触发。同样，爱因斯坦的问题也被搁置一旁：在无限的宇宙中，物理定律的所有可能性都已尝试过，因此没有特别的理由说明为什么支配我们宇宙的定律是现在的样子。
宇宙学家对多元宇宙持有复杂的感情。如果断开连接的子宇宙真的无法沟通，我们就不可能测试它们的存在；它们似乎超出了科学领域。我的一部分想尖叫，一次一个宇宙，拜托！另一方面，多元宇宙解决了各种概念问题。如果正确的话，它将使哈勃将宇宙扩大了仅仅 1000 亿倍，以及哥白尼在 16 世纪将地球从宇宙中心驱逐出去的举动，在理解我们在宇宙中的位置方面显得微不足道。
现代宇宙学让我们感到谦卑。我们是由质子、中子和电子组成的，它们加起来只占宇宙的 4.5%，而我们的存在仅仅是因为非常小和非常大之间微妙的联系。受微观物理定律指导的事件使物质在反物质中占据主导地位，产生了为星系播种的结块，用提供引力基础设施的暗物质粒子填充了空间，并确保暗物质可以在暗能量变得显著并且膨胀开始加速之前构建星系。与此同时，宇宙学本质上是傲慢的。我们可以理解像我们的宇宙这样在空间和时间上都如此浩瀚的事物，这在表面上看来是荒谬的。这种谦卑和傲慢的奇怪混合使我们在过去一个世纪中在增进我们对当前宇宙及其起源的理解方面取得了相当大的进展。我对未来几年的进一步进展持乐观态度，我坚信我们正生活在宇宙学的黄金时代。
在黑暗中
我们当前宇宙观的一个核心特征，以及它最大的奥秘，是暗能量，这是最近发现的非常奇怪的能量形式，它正在导致宇宙膨胀加速。暗能量在几十亿年前从物质手中夺走了控制权。在此之前，由于物质施加的引力吸引，膨胀一直在减速，引力能够将结构从星系塑造为超星系团。现在，由于暗能量的影响，大于超星系团的结构无法形成。事实上，如果暗能量比现在更早地接管——例如，当宇宙只有 1 亿年时——结构形成甚至在星系形成之前就会停止，而我们将不会在这里。
宇宙学家对暗能量可能是什么只有初步的线索。加速膨胀需要排斥力，爱因斯坦的广义相对论预测，极具弹性的能量形式的引力实际上可能是排斥的。填充真空的量子能量以这种方式运作。问题在于，量子真空能量量的理论估计与观测所需的量不符；事实上，它们超过了观测值许多数量级。或者，宇宙加速可能不是由一种新的能量类型驱动的，而是由一种模仿这种能量的过程驱动的，也许是广义相对论的崩溃或看不见的空间维度的影响[参见“宇宙难题”，作者：劳伦斯·M·克劳斯和迈克尔·S·特纳；《大众科学》，2004 年 9 月]。
如果宇宙继续以当前的速度加速膨胀，那么在 300 亿年后，所有大爆炸的痕迹都将消失[参见“宇宙学的终结？”，作者：劳伦斯·M·克劳斯和罗伯特·J·舍勒；《大众科学》，2008 年 3 月]。来自除少数几个附近星系之外的所有星系的光线都将被红移得太厉害而无法探测到；宇宙背景辐射的温度将太低而无法测量；宇宙看起来将类似于天文学家在 100 年前所知的宇宙，那时他们的仪器还不够强大，无法揭示我们今天所知的宇宙。
注意：本文最初印刷时的标题为“宇宙的起源”。