北京時間4月1日消息，據國外媒體報道，我們的宇宙誕生於大約137億年前的一次大規模爆炸中，並像一個巨大的氣球一樣迅速膨脹。簡而言之，這就是幾乎所有宇宙學家和理論物理學家都認可的大爆炸理論。支持這一觀點的證據是廣泛而令人信服的。我們知道，即使是現在，宇宙仍在不斷加速膨脹。
科學家還發現了大爆炸理論所預言的熱力學印記，一種遍布宇宙的微波背景輻射。此外，我們還沒有觀察到任何明顯年齡超過137億年的物體，這表明宇宙是在137億年左右形成的。
所有這些結果都使大爆炸理論建立在一個極其堅實的基礎上。宇宙大爆炸是一個非常成功的理論。那麼，這個理論能告訴我們什麼呢？我們的在宇宙誕生時究竟發生了什麼？它又是如何演變成我們今天所觀察到的模樣？
宇宙初開
傳統的大爆炸理論認為，宇宙起源於一個奇點，即一個密度和溫度都趨於無限的點——人類的大腦很難理解這一本質。然而，研究人員表示，這可能還無法準確地反映現實，因為我們對奇點的認識都來源於愛因斯坦的廣義相對論。
問題是，對於奇點，沒有任何理由相信廣義相對論，這將是錯誤的做法，因為它沒有考慮到量子力學。一旦進入宇宙歷史的這個階段，量子力學肯定會變得非常重要。
因此，宇宙的起源問題依然撲朔迷離。科學家們認為，他們可以在大爆炸后大約10^-36秒開始講述這個故事。在那個時候，宇宙經歷了一個極其短暫而又戲劇性的暴脹時期，膨脹速度超過光速。在極短時間內，宇宙的體積膨脹到原來的100倍甚至更多。
科學家表示，暴脹似乎違反了狹義相對論，但事實並非如此。狹義相對論認為，在空間的兩點之間，任何信息或物質的傳播速度都不能超過光速，但暴脹是空間本身的膨脹。膨脹是宇宙大爆炸中的“大爆炸”，在暴脹之前，宇宙只有一點點，很可能也只膨脹了一點點，需要像暴脹這樣的過程來讓宇宙變大。
這個快速膨脹的宇宙幾乎沒有任何物質，但卻蘊含著大量的暗能量。暗能量是一種神秘的力量，科學家認為正是它推動着當前宇宙的加速膨脹。在暴脹期間，暗能量使宇宙變得平滑並加速膨脹，但它並沒有停留太久。
這只是暫時的暗能量，通過一個名為“再加熱”的過程，轉化為普通物質和輻射。在所有這些暗能量消失后，宇宙從暴脹時期的低溫狀態變成了後來的高溫狀態。但科學家仍不清楚是什麼觸發了暴脹，這依然是大爆炸宇宙學的關鍵問題之一。
大反彈
大多數宇宙學家都把暴脹理論作為解釋宇宙特徵的前沿理論。這裡所說的宇宙特徵，具體來說，就是為什麼宇宙相對平坦而均勻，而且向各個方向有大致相同數量的物質均勻分佈，各種證據都表明，暴脹過程是真實發生過的。
不過，暴脹理論並不是試圖解釋宇宙結構的唯一觀點。理論家們提出了另一種模型——循環模型（cyclic model）。該模型基於一個更早的概念：火宇宙理論。
這種觀點認為，宇宙並不是從一個單一的點或任何類似的點出現的。相反，它是從一個已經存在，但一直在收縮的宇宙反彈回膨脹狀態——其速度比暴脹理論預測的要平穩得多。如果這個理論是正確的，那我們的宇宙很可能已經經歷過無數次的爆炸和擠壓。
火宇宙理論的提出者之一、美國賓夕法尼亞大學的伯特·奧夫魯特說：“宇宙的起源可能是很美好的，而且是有限的。”
循環模型假設我們的宇宙由11個維度組成，只有4個維度我們可以觀察到，包括3個空間維度和1個時間維度。宇宙的四維部分被稱為“膜”（brane）。該模型還認為，在11維空間中可能潛伏着其他的膜。兩個膜之間的碰撞可能使宇宙從收縮到膨脹，產生了我們今天所看到的宇宙大爆炸證據。
我們所知的宇宙如何成形？
但首先，我們所處的宇宙是如何從無到有的呢？宇宙學家猜測，支配宇宙的四種力——引力、電磁力和強、弱核力——在宇宙誕生之初由於極端的溫度和密度而相互擠壓在一起，統一成一種力。
而隨着宇宙的膨脹和冷卻，情況發生了變化。在暴脹時期，強核力可能分離了出來。在大爆炸后大約10萬億分之一秒的時候，電磁力和弱核力也各自獨立。在暴脹之後，宇宙很可能充滿了熾熱稠密的等離子體。但研究人員認為，在大爆炸后大約1微秒（百萬分之一秒）左右，宇宙已經冷卻到足以形成第一批質子和中子。
在大爆炸后的前三分鐘，這些質子和中子開始聚變，形成氘（也被稱為重氫）。之後氘原子相互結合，形成氦-4。
複合：宇宙變得通透
這些新產生的原子都帶正電，因為宇宙仍然太熱，不利於捕獲電子。但這一切在大爆炸發生38萬年後發生了改變。在這段被稱為“複合”（recombination）的時期，氫離子和氦離子開始捕獲電子，形成電中性原子。光對自由電子和質子的散射很顯著，但對中性原子的散射則小得多。於是，此時光子就可以更自由地在宇宙中漫遊了。
複合極大地改變了宇宙的面貌；原來一團不透明的霧，現在變得通透了。我們今天觀察到的宇宙微波背景輻射就是從這個時代開始的。不過，在複合時期之後的很長一段時間內，宇宙還是相當黑暗的，只有到大爆炸后大約3億年時，第一批恆星開始發光，宇宙才真正亮起來。這些恆星在很大程度上抵消了複合所取得的效果。早期恆星——或許還有其他一些神秘的來源——釋放出足夠的輻射，將宇宙中的大部分氫分裂成組成質子和電子。
這個過程被稱為“再電離”，似乎在大爆炸后10億年時就結束了。今天的宇宙已經膨脹得如此之大，不會再像複合之前那麼不透明。科學家認為，宇宙的物質非常稀薄，因此光子的散射相互作用相對罕見。
隨着時間的推移，恆星聚集在一起形成星系，導致宇宙中形成越來越大的結構。行星聚集在一些新形成的恆星周圍，就像我們的太陽系。38億年前，生命在地球上萌芽。
大爆炸之前？
目前，關於宇宙最初若干時刻的許多問題仍然只停留於推測，而另一個更加神秘且難以解決的問題是：大爆炸之前發生了什麼？
首先，這個問題本身可能毫無意義。如果像一些理論家認為的那樣，宇宙是從無到有，那麼大爆炸就標誌着時間本身開始的那一刻。卡羅爾指出，在這種情況下，就不會有“以前”這回事了。
關於宇宙誕生的另一些概念或許可以提供答案。例如，循環模型表明，收縮的宇宙先於膨脹的宇宙，它可能只是在大爆炸發生之前存在的虛空，然後由一些量子漲落產生了像我們所處的這種宇宙，你可以想象成一個空間小氣泡通過波動被壓縮，並充滿了非常小的能量塊，然後這些能量塊可以長成經過暴脹所形成的宇宙，宇宙的時間是從大爆炸開始的，但同時也屬於一個前身，一個母宇宙開始的波動。
我們會知道答案嗎？
歐洲空間局的普朗克（Planck）衛星任務從2009年到2013年環繞地球運行，幫助宇宙學家更準確理解了宇宙的本質及其起源。倫敦帝國理工學院的天體物理學家戴夫·克萊門茨表示，該任務生成的宇宙微波背景詳細地圖顯示，我們的宇宙，即使有可能從一個前身發展而來，也不太可能在未來再次收縮。
普朗克任務不能完全排除宇宙大反彈的概念，但考慮到目前的宇宙學參數值，我們的宇宙不會再次收縮，目前正在加速宇宙膨脹的暗能量成分必須改變，才能逆轉這種膨脹並引發大收縮。
利用普朗克空間望遠鏡的數據，科學家們得以微調他們對宇宙年齡的估計，以及宇宙中可見物質、暗物質和暗能量的比例。克萊門茨表示，這次任務其實並沒有帶來任何驚喜，而且基本上證實了現有的理論。普朗克任務的研究結果也提出了一些新的問題。例如，對於描述宇宙膨脹速率的哈勃常數，普朗克衛星在遙遠宇宙中測量到的值與哈勃太空望遠鏡在近宇宙中測量到的值略有不同。
所有這些信息都有助於宇宙學家更好地模擬宇宙的演化，並更接近於回答有關萬物起源的重大問題。歐洲空間局即將進行的歐幾里得（Euclid）衛星任務預計將於2023年發射，將在這一方向上邁出重要的一步。
接下來是什麼？
歐幾里得任務將觀察星系團和星系如何在大尺度上分散於宇宙中，從而幫助天文學家更好地理解暗能量的影響。它還將研究天文學家所謂的弱引力透鏡效應，即由超大質量物體的引力牽拉引起的光扭曲現象。由於宇宙中超過80%的物質是不可見的，引力透鏡效應的強度可以給天文學家提供暗物質分佈的線索。歐幾里得衛星能夠做的就是在更大的尺度上展開測量，可能包括銀河系外近一半或更多的天空。
破解這個宇宙謎題的更多線索可能來自對引力波的研究。引力波是超大質量物體（如黑洞和中子星）碰撞時產生的時空漣漪。
暴脹時期一定會產生引力波，這是宇宙存在之初一段快速膨脹的時期。因此，探測這些早期的引力波並破譯它們的特徵，可能會為我們了解宇宙的誕生提供前所未有的洞見。
這將告訴我們一些推動宇宙早期快速膨脹的物理過程，我們也能回到宇宙最早期的階段。如果我們能更好地理解暴脹，就有希望了解大爆炸是否的確是一個單獨的事件，抑或宇宙反彈的觀點才是正確的。