将宇宙的历史倒转回热大爆炸的起点，我们并不会发现一个无限小、无限热的奇点。相反，观测证据，特别是宇宙微波背景辐射中的微小波动，为宇宙的“最热”阶段设定了一个温度上限。这个上限大约是 10¹⁵ GeV，意味着我们可以追溯到的最早时刻约为 10⁻³⁵ 秒，当时可观测宇宙的最小尺寸约为 1.5米。这表明，在热大爆炸之前，宇宙经历了一个由“宇宙暴胀”主导的、截然不同的阶段。
宇宙的演化法则
要理解宇宙的过去和未来，我们需要依赖物理定律，主要是爱因斯坦的广义相对论。这套理论告诉我们，只要知道宇宙中有什么物质和能量，就能推算出空间在任何时间点的演化方式，包括膨胀或收缩。
我们的宇宙有两个关键特征，这简化了计算：
- 各向同性: 从宏观上看，宇宙在所有方向上都呈现出相同的性质。
- 均匀性: 从宏观上看，宇宙在所有位置也都具有相同的性质。
基于这两个前提，我们可以使用弗里德曼方程来精确描述宇宙的膨胀。只要我们知道今天宇宙的成分和膨胀速度，就能推断出它在过去任何时刻的大小、膨胀率以及各种能量形式所占的比重。
宇宙的成分
今天的宇宙由多种能量形式构成，它们在宇宙膨胀过程中的变化方式各不相同，这对于理解早期宇宙至关重要。
- 暗能量 (68%): 它是空间本身固有的能量。随着宇宙膨胀，新的空间产生，但暗能量的密度保持不变。
- 暗物质 (27%): 它像普通物质一样会聚集，其密度随着宇宙体积的增大而降低。
- 普通物质 (4.9%): 和暗物质一样，密度随体积增大而稀释。
- 中微子 (0.1%): 在早期高温宇宙中，它们的行为像辐射；在今天冷却的宇宙中，它们的行为更像物质。
- 辐射 (0.01%): 也就是光子。随着宇宙膨胀，辐射不仅因体积增大而密度下降，其能量也会因波长被拉伸而减弱。因此，它的密度下降得最快。
在宇宙最初的几万年里，辐射是能量的主导形式，几乎是唯一重要的成分。
奇点理论的问题
如果宇宙从一开始就只由物质和辐射构成，那么将时间倒推，必然会得到一个密度无限、温度无限的奇点。然而，这个模型会产生一个与我们观测结果相悖的后果。
如果宇宙诞生于一个任意热的状态，那么它遗留下来的“宇宙微波背景辐射”中的温度波动应该会非常大。
但实际观测到的温度波动非常微小，比奇点模型预测的要小几万倍。这强有力地证明了，宇宙在开始时并没有达到任意高的温度。
解决方案：宇宙暴胀
对宇宙微波背景辐射的精确测量表明，在热大爆炸的最热阶段，宇宙的最高温度不超过 10¹⁵ GeV。这意味着在热大爆炸开始之前，宇宙必然经历了一个不同的阶段来“设定”初始条件。这个阶段被称为宇宙暴胀。
宇宙暴胀理论认为：
- 宇宙曾由一种能量主导，类似于暗能量，但强度要大得多。
- 这股能量导致宇宙以指数级速度疯狂膨胀，变得极其空旷和寒冷。
- 在某个时刻，这个“暴胀场”发生衰变，将其巨大的能量转化为我们今天所知的物质和辐射。
- 这次能量转换，标志着热大爆炸的开始。
宇宙的最小尺寸
既然我们知道了宇宙的最高温度，就可以计算出热大爆炸开始时，我们可观测宇宙的最小尺寸。
我们可以沿着时间线往回追溯：
- 138亿年后 (今天): 可观测宇宙的半径约为 461 亿光年。
- 大爆炸后 1 秒: 宇宙温度极高，连原子核都无法稳定存在。此时可观测宇宙的范围大约是 10 光年，仅能容纳离我们最近的几个恒星系统。
- 大爆炸后 10⁻¹² 秒: 可观测宇宙的范围大约相当于地球绕太阳的轨道半径。
当我们追溯到暴胀结束、热大爆炸开始的那一刻（大约是 10⁻³⁵ 秒），对应于约 10¹⁵ GeV 的最高温度，我们发现：
可观测宇宙的最小尺寸约为 1.5 米，大约相当于一个成年人的臂展。
任何比这个尺寸更小的推论，都会与我们观测到的、极其平滑的宇宙微波背景辐射相矛盾。
在热大爆炸之前，是暴胀主宰着一切。暴胀的过程抹去了之前宇宙可能存在的任何信息，只在宇宙中留下了它结束前最后一刻的印记。我们无法知道暴胀持续了多久，也无法知道是什么触发了暴胀。这为我们认识宇宙的起源划定了一道根本性的边界，也体现了倾听宇宙本身所揭示的真理是一种多么 humbling 的体验。