- 图注：我们的整个宇宙历史在理论上是很清楚的，但这仅仅是因为我们理解了它的基础引力理论，而且因为我们知道宇宙目前的膨胀率和能量组成。光将一直在这个不断膨胀的宇宙中传播，我们将继续在遥远的未来任意地接收光，但它将在时间上被限制在我们所能到达的范围内。我们对宇宙起源仍有未解之谜，但物理学可能从根本上限制我们所能知道的。
138亿年前，宇宙中所有的物质和能量都集中在一个足球大小的空间里。然而，即使在这么小的空间里有这么多能量，我们也没有坍缩成黑洞。取而代之的是，宇宙以迅速的速度膨胀，从而精确地平衡了能量密度，以至于在我们测量的所有宇宙历史中，我们一度走在膨胀和重新坍塌之间这条细线上。
今天，我们在宇宙中所能看到的一切向四面八方延伸了约460亿光年，科学家们可以将这一起源追溯到一个热的、稠密的、更均匀的、更迅速膨胀的状态。像许多理论家一样，你可能会想把它推得更远，回到一个任意热的稠密状态：奇点。但这种诱惑是我们对宇宙诞生的大多数误解的根源。毕竟，大爆炸并不是开始。相反，这一荣誉归于宇宙膨胀，每个人都应该明白为什么。
- 图注：宇宙不只是均匀地膨胀，而是在其内部有微小的密度缺陷，这使得我们能够随着时间的推移形成恒星、星系和星系团。在均匀背景上增加密度不均匀性是理解当今宇宙的起点。
当我们观察今天的宇宙时，我们看到许多可观察到的事实，它们迫切需要一个解释。它们包括：
- 事实上，更远的星系似乎与我们的距离成正比，
- 星系距离更远，看起来更小、更蓝、更年轻、更不进化，
- 事实上，在更远的距离上，宇宙似乎不那么笨拙，更为均匀，在大尺度上也不那么聚集，
- 事实上，重元素（比氢和氦重的原子）的百分比在最大距离处渐趋为0%，
- 事实上，我们在太空中看到了一个非常寒冷但清晰可见的黑体辐射背景。
值得注意的是，有一个框架与这些观测中的每一个都是一致的：大爆炸。
- 图注：与现今银河系相当的星系是众多的，但银河系中较年轻的星系一般比我们今天看到的星系更小，更蓝，更混乱，更丰富的气体。对于所有的第一个星系来说，这应该是极端的，并且在我们之前看到的是有效的。宇宙结构的形成和形成需要宇宙时间尺度，直到我们今天看到的为止。
根据大爆炸的大思想，宇宙在过去是更热、更致密、更均匀的，它通过膨胀、冷却和引力形成了一个巨大的宇宙网，演变成今天的宇宙。随着时间的推移，空间结构本身也在不断扩展，因为广义相对论定律要求宇宙在各个方向和位置充满大致相等数量的物质和能量，导致光子的波长拉伸，质量粒子的动能降低，使引力缺陷稳定增长。
在大爆炸的框架中，前面提到的每个可观测现象都得到了物理解释：遥远的星系似乎是红移的，因为膨胀的宇宙延伸了光的波长；更遥远的星系真的更年轻，更不进化；宇宙在过去更少聚集；原始原子比是75%的氢、25%的氦和0.00000007%的锂；剩余的辐射在20世纪60年代中期被发现。
- 图注：根据彭齐亚斯和威尔逊的原始观测，银河系的平面放射出一些天体物理辐射源（中心），但在上面和下面，剩下的只是一个近乎完美、均匀的辐射背景。这种辐射的温度和光谱现在已经被测量出来了，与大爆炸的预测非常一致。如果我们能用眼睛看到微波，整个夜空看起来就像是绿色的椭圆形。上一次的发现几乎扼杀了大爆炸的每一个替代品，并将大爆炸作为我们可观测宇宙中一切事物的宇宙起源故事。宇宙从这个早期的热、密、均匀的状态中出现，并随着时间的推移而膨胀和冷却。
当它冷却到一个特定的能量阈值以下时，它就不能自发地产生质量（通过e=mc2）太大的粒子；在一秒钟的前几分钟，除了正电子和反中微子之外的所有反物质粒子都会湮灭。
大爆炸后大约1秒，中微子和反中微子“冻结”，这意味着它们（依赖能量的）相互作用速率下降到如此低的频率，以至于它们实际上再也不会相互作用了。
当我们向前移动时，核反应就会发生，然后停止；中性原子稳定地形成，释放原始辐射；引力不完美在逐渐增大的更大和更大的尺度上生长，导致形成第一个恒星，然后形成星系，然后形成巨大的宇宙网络。
- 图：我们今天看到的恒星和星系并不总是存在，而我们越走越远，宇宙就越接近一个明显的奇点，我们进入更热、更密集、更均匀的状态。然而，这种推断是有限度的，因为一路回到奇点就会产生我们无法回答的谜题。
但是大爆炸的起源故事呢？大爆炸本身是从哪里来的？
如果你把膨胀和冷却的宇宙一直推到理论物理允许你去的地方，你就会遇到一个过去被称为奇点的事件。从本质上说，你将把宇宙中的所有物质和能量打包成一个点。（一旦你达到每粒子10^19Gev的极高能量，相当于宇宙大爆炸后10^(-43)秒的“宇宙年龄”，物理定律就会崩溃，不再给出合理的答案。）
从广义相对论的角度来看，奇点是唯一能对应时空起点或终点的事件。因此，我们可以一路推演回到大爆炸框架中的奇点，并得出一个我们可以合理地称之为“开始”的点。
- 图：如果我们一路推演，我们会得到更早，更热，更密集的状态。这是否最终导致了一个奇点，在那里物理定律本身就崩溃了？这是逻辑推断，但未必正确。
从20世纪20年代到70年代，科学家认为他们对我们的宇宙起源有一个令人满意的故事，只有几个问题没有得到解决。然而，他们都有一些共同点：他们都问了一些不同的问题：“为什么宇宙是从一组特定的属性开始的，而不是其他属性？”
- 为什么宇宙在空间上是完全平坦的，其总物质和能量密度完全平衡了初始膨胀率？
- 为什么宇宙在各个方向上都具有完全相同的温度，准确度高达99.997％，即使宇宙没有存在足够的时间让不同区域热化并达到平衡状态呢？
- 为什么，如果宇宙尽早达到了这些超高能量，为什么没有通过粒子物理学标准模型的一般扩展来预测高能遗迹（如磁单极子）？
- 又为什么由于系统的熵总是增加，所以宇宙诞生于今天的低熵构型呢？
- 图注：如果宇宙的密度稍高一点（红色），它就会重新出现；如果宇宙的密度稍低一点，它就会膨胀得更快，变得更大。大爆炸本身并没有解释为什么宇宙诞生时的初始膨胀率如此完美地平衡了总能量密度，根本没有空间弯曲。我们的宇宙在空间上看起来非常平坦，初始总能量密度和初始膨胀率彼此平衡，至少达到20个以上的有效数字。
既然一个系统的熵总是增加的，那么为什么相对于今天的结构，宇宙诞生于如此低的熵结构中呢？
在物理学中，我们有两种方法来处理这样的问题。因为所有这些问题都是关于初始条件的，也就是说，为什么我们的系统（宇宙）是从这些特定条件开始的，而不是从其他任何条件开始的，所以我们可以选择：
- 我们可以尝试编造一个理论机制，把任意的初始条件转化为我们所观察到的条件，包括再现热大爆炸的所有成功，然后梳理出新的预测，使我们能够在不做任何改变的情况下，用普通老大爆炸的旧理论来检验新理论。
- 或者，我们可以简单地断言初始条件就是它们，并且不仅没有对这些值/参数的解释，而且我们不需要任何解释。
虽然不是每个人都清楚，但第一种选择是唯一科学的；第二种选择，经常被那些对景观或多元宇宙进行哲学思考的人吹捧，等于完全放弃科学。
- 图注：正是考虑到许多经过微调的场景（并考虑到鲍勃·迪克提出的那些微调问题），艾伦·古特才想到宇宙膨胀，宇宙起源的主要理论。
今天，真正成功的大构想被称为宇宙膨胀。1979/80年，艾伦·古特提出，宇宙早期的一个阶段，所有的能量不是在粒子或辐射中，而是在空间本身的结构中，将导致一种特殊的指数膨胀，称为德西特阶段。在这种状态下，宇宙中任何开始膨胀的初始区域都会：
- 在极短的时间尺度上被拉伸到如此大的尺寸以至于它的拓扑结构对于任何观察者来说都无法区分，
- 在任何地方都有相同的初始条件（密度和温度），直到量子涨落的尺度，它们叠加在一个均匀的背景上，因为我们整个可观测的宇宙在遥远的过去曾经都是在同一个空间区域中因果相连的，
- 只有达到一个最显著的温度，当膨胀结束并转变成热的、密集的、均匀的、膨胀的和冷却的状态，我们与热尺度大爆炸联系在一起时，普朗克温度（10^19 GeV能量尺度）就大大降低了。
- 从膨胀宇宙的较低熵态到热大爆炸的更高熵态，熵将继续增加，就像我们观察到的宇宙一样。
- 图注：在顶部图中，我们的现代宇宙在任何地方都具有相同的属性（包括温度），因为它们起源于具有相同属性的区域。在中间的面板中，原本可以有任意曲率的空间被膨胀到今天我们无法观察到任何曲率的程度，从而解决了平面度问题。在底部图中，预先存在的高能物质被膨胀，提供了解决高能遗留问题的方法。这就是通胀如何解决大爆炸本身无法解释的三大难题。
自从上世纪80年代初至中期首次提出并完善膨胀以来，我们对宇宙起源有了很多了解。除了再现热大爆炸的成功并解释这些原本无法解释的初始条件外，它还对宇宙今天应该具有的性质作出了六项新的预测，其中四项经观测证实，两项尚未得到足够的检验，无法确定。在研究早期宇宙的大多数人中，膨胀被认为是新的共识理论。我们可能不知道关于膨胀的一切，但要么它——或者类似于它的东西——我们没有观察到它们的区别——一定发生了。
尽管如此，这对我们的宇宙起源意味着什么？从时间轴的角度来看，首先是什么：大爆炸还是膨胀？
- 图注：蓝线和红线代表了一个“传统的”大爆炸场景，一切都从时间t=0开始，包括时空本身。但在膨胀的情况下（黄色），我们永远不会到达奇点，在那里空间会变成一个奇异的状态；相反，它只能在过去变得任意的小，而时间却永远在倒退。只有最后一个微小的一秒，从膨胀结束，印记自己在我们今天可观测的宇宙。hawking-hartle无边界条件和borde-guth-vilenkin定理一样，挑战了这种状态的寿命，但两者都不是确定的。
信不信由你，上面的图表包含了你需要知道的所有信息。其中两条曲线——红色和蓝色——代表一个由物质或辐射主宰的宇宙。你可以清楚地看到，如果你把它们任意地推回到过去，在t=0的有限时间内，你会得到一个极小的尺寸，这是一个奇点。
但如果在早期，宇宙不是由物质或辐射控制的，而是由空间本身固有的能量形式控制的，你就会得到黄色曲线。注意这条黄色的曲线，因为它是指数曲线，它的大小永远不会达到零，而只是接近它，即使你在时间上无限远。膨胀的宇宙并不像物质主导或辐射主导的宇宙那样从奇点开始。我们只能肯定地说，我们称之为“热大爆炸”的地区是在通胀结束后才出现的。它没有提到膨胀的根源。
- 图：宇宙固有的量子涨落，在宇宙膨胀期间横跨宇宙，引起了在宇宙微波背景中的密度波动，这反过来又引起了今天宇宙中的恒星、星系和其他大规模结构。这是我们对整个宇宙如何运行的最好的描述，在那里，膨胀先于大爆炸并导致大爆炸。
事实上，我们整个可观测的宇宙几乎没有任何来自它的前大爆炸历史的特征；只有最后10^(-32)秒（或大约）的膨胀甚至在我们的宇宙上留下可观测的印记。然而，我们不知道通胀状态来自何方。它可能起源于一个具有奇异性的预先存在的状态，它可能永远存在于它的膨胀形式中，或者宇宙本身甚至可能是周期性的。
有很多人在说“大爆炸”的时候都是指“最初的奇点”，而对有些人来说，我认为你应该与时俱进，这已经过去很久了。热大爆炸不能推回奇点，只能推到它之前的通胀状态的尽头。我们不能满怀信心地陈述，因为即使在原则上，也没有任何迹象表明膨胀的最后阶段已经到来。有奇点吗？也许吧，但即使是这样，也与大爆炸无关。
- 图注：在这个时间轴/宇宙历史图形中，BICEP2 协作将大爆炸置于通货膨胀之前，这是一个常见但不可接受的错误。尽管这在近40年的时间里一直不是这一领域的主导思想，但今天它已成为人们的榜样，通过简单的缺乏关注而弄错了众所周知的细节。
首先是膨胀，它是第一位的，它的结束预示着大爆炸的到来。 仍然有些人不同意，这样的历史已经有将近40年了。当他们断言“大爆炸是开始”时，您会知道为什么宇宙膨胀实际上首先出现。至于最后一秒的膨胀之前发生了什么？ 您的假设与任何人的假设一样好。
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