大爆炸理论解释了宇宙的起源，这四个证据也让我们置身于大爆炸之外。

< p >也许任何非凡故事中最引人注目的部分是它的起源:它是如何开始的，宇宙是如何起源的，它也是起源的最伟大的故事。几千年来，它一直占据着诗人、哲学家、神学家和科学家的思想。

然而，直到20世纪，科学才开始在这个问题上取得进展，并最终形成了大爆炸的科学理论。在早期，宇宙是非常热和稠密的，并且已经膨胀，冷却，并在重力作用下成为今天的样子。但是大爆炸本身并不是一个开始。毕竟，我们有四个独立的科学证据来证明在它之前发生的事情并建立它。

注意:我们今天看到的恒星和星系并不总是存在。我们走得越远，随着我们进入更热、更密、更均匀的时期，宇宙越接近明显的奇点。然而，这种推断是有限度的，因为回到奇点会导致我们无法回答的难题。

大爆炸是20世纪20年代广义相对论早期的一个初步想法。1922年，亚历山大·弗里德曼第一个认识到，如果有一个宇宙，这个宇宙就充满了物质和能量，没有首选的方向和位置，它就不可能是静止和稳定的。根据爱因斯坦定律，空间结构本身要么膨胀，要么收缩。

1991923年，埃德温·哈勃对仙女座进行了第一次远距离测量，首次证明它是一个完全位于银河系之外的星系通过结合他对星系距离的测量和维斯塔·梅尔文·斯奇尔的红移数据，他实际上可以直接测量宇宙的膨胀1927年，乔治·勒梅成为第一个把所有碎片放在一起的人:今天膨胀的宇宙意味着一个更小、密度更大的过去，可以追溯到比我们敢推断的更远的地方。

< p >乔治·勒迈特

从20世纪40年代开始，乔治·盖莫夫和他的合作者开始研究宇宙膨胀和冷却的后果，但是在这个陷阱中，宇宙变得更热、密度更大特别是，他得出了四个主要结果

宇宙的膨胀速度会随着时间的推移而改变，这取决于物质和能量的类型和比例。宇宙将经历重力增长，最初的小过敏将随着时间的推移成长为恒星、星系和巨大的宇宙网络。过去，宇宙的温度较高，在早期的某个时候，温度高到足以阻止中性原子的形成，这意味着当这些中性原子最终形成时，应该会有余辉辐射。此外，更早的时候，它应该足够热和稠密，足以点燃质子和中子之间的核聚变，这应该创造了宇宙中第一个非凡的元素。

注:阿诺·彭齐亚斯和鲍勃·威尔逊首次在新泽西州霍姆代尔的天线位置发现了宇宙微波背景。虽然许多来源可以产生低能量辐射背景，宇宙微波背景的性质证实了它的宇宙起源。在1991964年和1965年，贝尔实验室的两位射电天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现了来自天空各个方向的微弱辐射。经过短暂的惊讶、困惑和神秘之后，信号被发现与大爆炸辐射的预测一致。随后几十年的观察揭示了更精确的细节，这与大爆炸的预测非常一致。

宇宙中星系和大尺度结构的生长和演化，宇宙演化历史中膨胀速率和温度变化的测量，以及轻元素丰度的测量都在大爆炸的框架内匹配。从数据存在的每一个尺度来看，大爆炸都是惊人的成功。即使在今天，没有其他理论能复制所有这些成功。

注:与现在的银河系相比，有许多星系，但与我们今天看到的星系相比，类似于银河系的年轻星系更小、更蓝、更混乱，而且自然界中的气体更丰富。对于原始星系来说，这应该是极端的，并且在我们所见过的最早时期仍然有效。当我们遇到例外时，它们既令人困惑又罕见。

但是大爆炸的想法能走多远？如果宇宙今天正在膨胀和冷却，那么它过去一定更热、更密、更小。自然本能是回归物理定律——比如广义相对论:回归奇点。在某个时刻，整个宇宙将被压缩成一个具有无限能量、密度和温度的点。

这将对应于奇点的概念，即物理定律失效的地方。你可以想象，这是空间和时间最初出现的地方。此外，由于我们对宇宙的现代理解，我们总是能够计算出有限时间之前的某个时间:138亿年如果大爆炸是整个宇宙，它将是我们宇宙的终极起源:没有昨天。

注意:如果我们一直推断下去，我们将会得到一个更早、更热、更致密的状态。这最终会导致物理定律本身崩溃的奇点吗？这是一个逻辑推理，但不一定正确。

但是我们看到的宇宙有一些大爆炸无法解释的性质和奥秘。如果在有限的时间内一切都从一个点开始，你会期待:

点 不同的空间区域会有不同的温度，因为它们没有能力交换和交换粒子、辐射和其他形式的信息。 最早和最热时期遗留下来的粒子遗迹，如磁单极子等拓扑缺陷， 由于奇点引起的大爆炸，一定程度的空间曲率不能完全平衡初始膨胀率、总质量和能量密度。

，但这些都不是真的宇宙各处都有相同的温度特征，没有留下高能痕迹，空间的所有方向都是完全平坦的。

要么宇宙生来就具有这些性质，没有任何可预见的原因，要么有一个科学的解释:当这些性质已经存在时，一种导致宇宙诞生的机制。1979年12月7日，物理学家阿兰·古斯有一个惊人的理解，即大爆炸前的早期指数膨胀——我们现在所知的宇宙膨胀——可能导致具有所有这些特殊性质的宇宙诞生。当通货膨胀结束时，这种变化应该会引发一场大爆炸。

当然不能只是在旧理论中建立一个额外的想法，并声称新理论更好在科学上，新理论的举证责任要严重得多。

注意:在上图中，我们的现代宇宙在任何地方都有相同的属性(包括温度)，因为它们来自具有相同属性的区域。在中间的面板中，可以有任何曲率的空间被扩展到这样的程度，以致于我们今天不能观察到任何曲率，从而解决了平面度问题。在底部面板中，扩展了预先存在的高能遗迹，提供了高能遗迹问题的解决方案。这就是通胀如何解决“大爆炸”无法单独解决的三大问题。

要取代任何流行的科学理论，新理论必须做三件事:

为了复制所有现有理论的成功， 解释旧理论无法解释的奥秘， 做出新的、可测试的预测，不同于以前的理论预测。

在20世纪80年代，很明显，通货膨胀很容易实现前两个目标。当我们的观察和测量能力使我们能够将宇宙给我们的东西与新的膨胀预测进行比较时，最终的考验就会到来。如果通货膨胀是真实的，我们不仅需要找出潜在的可观察到的后果是什么，还需要找出一些后果，还要收集这些数据并从中得出结论。

到目前为止，已经对四个预测进行了测试，数据足以全面评估结果。

注意:膨胀的宇宙充满了星系和我们今天观察到的复杂结构，导致了更小、更热、更致密和更均匀的状态。但是即使初始状态也有它的起源，宇宙的膨胀是这一切的主要来源。1)宇宙应该有一个热爆炸达到的最高温度的非无限上限。

大爆炸的余辉——宇宙微波背景——有些区域比平均温度略高，有些区域比平均温度略低。这些差异非常小，大约是30，000分之一，但是它们编码了许多关于年轻的早期宇宙的信息。

如果宇宙经历了膨胀，它应该有一个最高温度，这相当于比普朗克尺度(大约10^19gev)低得多的能量，这是我们在一个任意炎热和稠密的过去所能达到的。我们对这些波动的观察告诉我们，宇宙在任何时候都不会比最大值的0.1%(大约10-16吉伏)更热。这是对膨胀的确认，也是对为什么宇宙中没有磁单极或拓扑缺陷的解释。

注意:膨胀过程中发生的量子波动确实在宇宙中被拉长了，但是它们也导致了总能量密度的波动。这些场的波动导致早期宇宙中的密度缺陷，进而导致我们在宇宙微波背景中经历的温度波动。2)膨胀应该有量子涨落，这成为宇宙中100%绝热密度的缺陷

如果有一个宇宙的面积低于平均密度(和冷)或密度(和热)，这些波动可以是绝热的或曲率相等的绝热意味着“恒定熵”，而恒定曲率意味着“恒定空间曲率”。最大的区别在于能量是如何在不同类型的粒子之间分配的，如正常物质、暗物质、中微子等。

的特征出现在今天宇宙的大尺度结构中，允许我们测量哪些部分是绝热的，哪些部分是等曲率的当我们观察时，我们发现这些早期波动至少是98.7%绝热的(与100%一致)，并且不超过1.3%(与0%一致)的等曲率。没有通货膨胀，大爆炸根本不会做出这样的预测。

注:来自宇宙微波背景的最佳和最新偏振数据来自普朗克，它可以测量0.4微开尔文的温差。极化数据强烈地表明超视界波动的存在和存在，这在没有膨胀的宇宙中是无法解释的。3)一些波动应该发生在地平线以外的尺度上:自大爆炸以来，比光更大尺度的波动可能已经扩散

从大爆炸那一刻起，粒子以有限的速度在太空中扩散:不超过光速有一个特定的尺度，我们称之为宇宙地平线，它代表了自大爆炸以来光信号可以传播的最大距离。

如果没有膨胀，波动将被限制在宇宙视界的范围内对于膨胀，因为它拉伸了在指数膨胀阶段发生的量子波动，你可以有超视界波动:在比宇宙视界更大的尺度上在WMAP和Planck卫星提供的极化数据中可以看到这些波动，它们与膨胀完全一致，与非膨胀的大爆炸相反。

注:宇宙早期膨胀期的大、中、小尺度波动决定了大爆炸余辉中的冷热点(密度不足和密度过高)。这些波动随着宇宙的膨胀而拉长，在小尺度上应该与大尺度上略有不同。4)这些波动在规模上应该几乎是恒定的，但不是完全恒定的。大尺度上的振幅略大于小尺度上的振幅。

宇宙中所有的基本场都被认为是量子性质的，导致膨胀的场也不例外。量子场都在波动。在膨胀的过程中，这些波动在宇宙中被拉伸，在那里它们提供了我们现代宇宙结构的种子。

在扩展中，这些波动在尺度上几乎是恒定的，这意味着它们在所有尺度上都具有相同的幅度，而不管其大小如何。但从更大的范围来看，它们的规模应该稍大一些，只有几个百分点我们用标量谱指数(ns)来衡量它，ns=1对应于完美的标度不变性我们现在已经精确地测量了它:0.965，不确定度约为1%没有通货膨胀，就无法解释这种与标度不变性的轻微偏离，但通货膨胀可以完美地预测它。

注:热点和冷点的大小和它们的尺度表明了宇宙的曲率。尽我们所能，我们测量出它是完全平坦的。重子声振荡与CMB一起提供了限制这一点的最佳方法，并将其降低到0.4%的综合精度准确地说，宇宙是完全平坦的，与宇宙的膨胀相一致。

还有其他关于宇宙膨胀的预测膨胀预测宇宙应该是几乎完全平的，但不是完全平的，曲率在0.0001%和0.01%之间标量光谱指数在测量期间稍微偏离标度不变性，应该“滚动”(或在膨胀的最后阶段改变)大约0.1%应该有一组引力波波动，不仅由密度波动引起，还由膨胀引起。到目前为止，观察结果与所有这些都是一致的，但是我们还没有达到测试它们所必需的精度水平。

但是四个独立的测试足以得出一个结论尽管一些反对者拒绝接受这一证据，但我们现在可以自信地说，在大爆炸和宇宙膨胀导致我们的宇宙诞生之前，我们已经离开了。下一个问题，在通货膨胀结束之前发生了什么，是21世纪宇宙学的研究前沿。