宇宙大爆炸前存在的最有力证据

宇宙并非始于一个无限小的奇点，而是在热大爆炸之前经历了一个名为“宇宙暴涨”的阶段。这一结论的最有力证据来自对宇宙微波背景辐射（CMB）的观测。科学家们发现了“超视界尺度涨落”——一种规模巨大、无法用传统奇点大爆炸模型解释的结构模式。这些涨落的存在证明，一个早期的暴涨阶段将微观的量子涨落拉伸到了宇宙级别，从而为今天我们所见的星系等宏大结构播下了种子。

重新审视宇宙的开端

长期以来，大爆炸理论被理解为宇宙从一个密度和温度无限高的奇点开始。然而，这个模型无法解释宇宙的某些观测特性。为了解决这些难题，科学家在1980年代提出了宇宙暴涨理论。

• 传统奇点模型： 认为热大爆炸就是宇宙的绝对起点。
• 宇宙暴涨模型： 提出在热大爆炸之前，宇宙经历了一个极速膨胀的阶段。这个阶段为热大爆炸创造了初始条件，意味着宇宙的开端并非一个奇点。

我们要想知道宇宙真正的起源，就必须从宇宙本身寻找证据。关键在于区分一个以奇点开始的宇宙和一个以暴涨阶段开始的宇宙，它们留下的印记是不同的。

宇宙结构种子的来源

我们今天看到的星系、星系团等宇宙结构，都起源于早期宇宙中微小的密度不均匀。这些不均匀的“种子”在宇宙微波背景辐射（CMB）中留下了温度涨落的印记。问题是，这些种子最初从何而来？

• 奇点模型的解释： 宇宙诞生时就“自带”了一套初始的随机涨落。
• 暴涨模型的解释： 在暴涨期间，微观尺度的量子涨落被指数级的空间膨胀拉伸到了宏观尺度。这些被拉伸的涨落成为了宇宙结构的种子。

关键证据：超视界尺度涨落

区分这两种模型的关键在于一个叫做“宇宙视界”的概念。宇宙视界指的是自热大爆炸开始以来，光所能传播的最远距离。任何物理过程的影响范围都被这个视界所限制。

• 视界内涨落： 尺度小于宇宙视界，可以用热大爆炸之后的物理过程来解释。
• 超视界尺度涨落： 尺度大于宇宙视界。这种涨落的存在，意味着它们一定是在热大爆炸开始之前就已形成，因为没有任何信号能在大爆炸后传播得那么远。

如果宇宙始于一个奇点，那么我们不应该观测到超视界尺度的涨落。相反，如果宇宙经历了暴涨，那么这种涨落就是必然存在的。

如何找到确凿证据

仅仅测量宇宙微波背景辐射的温度图谱并不足以做出最终判断，因为后期宇宙结构的引力效应也可能在大的角尺度上产生类似的温度变化。

真正的突破口在于同时分析宇宙微波背景辐射的温度和偏振数据。光作为一种电磁波，具有偏振属性。通过分析光的E-模偏振与温度涨落之间的关联性，科学家可以区分不同来源的信号。

两种模型对超视界尺度上“温度-偏振”的关联性做出了截然不同的预测。这为我们提供了一个清晰的检验标准。

决定性的观测结果

根据理论预测：

• 在奇点模型中，超视界尺度上的温度-偏振关联应该非常微弱。
• 在暴涨模型中，则应该存在一个显著的负相关区域。

早在2003年，WMAP卫星的数据首次揭示了这个在超视界尺度上的负相关信号。随后，观测精度更高的普朗克卫星在2018年发布了最终数据，以压倒性的证据证实了这一发现。

数据清晰地显示，宇宙中确实存在超视界尺度的涨落。这一信号的显著性是无可辩驳的。

这个结果是一个决定性的证据，它表明没有暴涨的奇点大爆炸模型与我们观测到的宇宙不符。我们的宇宙并非从热大爆炸开始，而是由一个更早的暴涨阶段所引发。这一发现是理解宇宙起源的里程碑。