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关于我们的宇宙起源的五大秘密

2025-09-30 11:14阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2614811577

关于我们的宇宙起源的五大秘密
从大爆炸到一个先于宇宙膨胀的时期，我们的宇宙起源比从来更清楚。然而这五大谜团仍然存在。
STARTS WITH A BANG — SEPTEMBER 29, 2025
Ethan Siegel
关于我们的宇宙起源的五大秘密

这个宇宙时间线表明从一个拥有一个膨胀的状态的普朗克尺度空间区域，热大爆炸的属性如何被预先设定起来。一旦大爆炸发生，我们的宇宙变得充满有一个原始粒子汤，这些粒子汤演化成我们今天熟知的原子、恒星、星系和大尺度结构。然而，关于膨胀以及在它后浮现的年轻宇宙的回答问题仍然存在。Credit: Ben Gibson/NASA/Pablo Carlos Budassi/Big Think
关键要点
•就在短短100年前，我们甚至已经没有发现这个裤长的宇宙，更不用好早出一个我们的热、密宇宙起源的图片。

•在20世纪和21世纪，我们一起拼凑了热大爆炸的理论和证据，包括建立起它的膨胀状态。
•但甚至现在在2025年，关于我们的终极的宇宙起源仍有许多秘密。这里是所有最大而未决的谜题的五5个。
•在过去的一百年里，我们已经发现了我们的宇宙来自的地方。
一段宇宙膨胀的时期拉伸了空间平坦的，用量子波动播种宇宙。

关于我们的宇宙起源的五大秘密
从一个小的能被想象的空间区域（一路到普朗克尺度），宇宙学膨胀造成宇宙指数级扩张：每过一秒的一个微小分一再的无情倍增。尽管这变空宇宙并平的拉伸它，但它在在它的顶上叠加了包含量子波动——后来将为我们自己宇宙内为宇宙结构提供种子的波动。在膨胀的最后约10^-32秒前发生了什么，包括膨胀是否从它之前某个奇异初始状态发生的问题不仅不是知道的而且可能根本不可知的。Credit: Big Think / Ben Gibson
然后膨胀结束了，将它的场能转化为物质、反物质和辐射。

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对空间中固有的量子波动在宇宙膨胀期间跨宇宙延伸了，诞生了印记在宇宙微波背景上的密度波动。这些波动继而诞生了在当今宇宙中的恒星、星系及其他大尺度结构。这是我们有的整个宇宙如何行为的最佳图片——在这里膨胀先于并设立起大爆炸。遗憾的是，我们只能获取包含在我们的宇宙地平线内的信息，这是约138亿年前一个膨胀结束了区域的相同部分的所有部分。Credit: E. Siegel; ESA/Planck and the DOE/NASA/NSF Interagency Task Force on CMB research
之后，宇宙扩张了和冷却了，形成原子、恒星、星系和人类。

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从热大爆炸直到今天为止，我们的宇宙经历了巨大量的增长和演化，并且在这样做。大约138亿年前，我们整个可观测的宇宙约138亿年前近似的一个谦虚的巨石的尺寸，但今天已扩展至约半径460亿光年。已经发生了的复杂结构一定已经从早期起至少约0.003%平均密度的种子不完美生长，已经经历了原子核、中性原子和恒星首次形成的相，最终诞生我们的太阳系、行星、生命和人类。Credit: NASA/CXC/M. Weiss
然而，尽管我们已经都了解的，这五大秘密仍然存在

关于我们的宇宙起源的五大秘密
一个星系团能让它的质量从可利用的引力透镜数据重建。大部分质量被发现在不在单个星系的如这里峰值显示的，而是来自星系团内的星际介质——在那里暗物质出现住着。更精细的仿真和观测还能揭示暗物质的亚结构，数据强的与冷暗物质的预测一致。暗物质一定是某些分明不同于要么物质要么反物质的东西，它不能是标准模型内的一个粒子。没有暗物质的引力效应，大多数星系会在主要恒星形成时间期间撕裂开它们自己。Credit: A. E. Evrard, Nature, 1998
1.)物质如何战胜反物质的？

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早期宇宙充斥着物质和辐射，如此热和密以致它防止所有复合粒子如质子、中子在第一个一秒的一个分数内稳定形成。只有夸克-胶子等离子体和其它粒子（带电轻子、中微子及其他玻色子）子以接近光速的速度疾驰着。这个原始汤由粒子、反粒子和辐射构成，一种高度对称的状态。相比之下，今天的宇宙是更不对称的——比反物质有更多的物质。现有已知的物理学理不能解释这个。Credit: Models and Data Analysis Initiative/Duke University
所有已知的粒子物理反应只创造或消灭等量的物质和反物质。

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物质和反物质之间的差异被电荷共轭对称性解释：一种为反粒子交换粒子反之亦然的离散对称性。在这种对称性成立的地方，作为诺特定理有一个被关联的守恒的量。在这种对称性被违反的地方，守恒定律不再必然的成立。Credit: zombiu26 / Adobe Stock
今天的物质为主的宇宙仍然是一个未解之谜

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如果我们允许在大统一理论中被预测存在的X粒子和Y粒子高能玻色子来衰变为图示的夸克与轻子结合，它们的反粒子对应物将衰变为对应的反粒子结合。如果CP被违反者被预计是，那么衰变路径——或衰变一种方式对另一种方式的粒子比例——相比反X粒子和反Y粒子对X粒子和Y粒子能是不一样的，造成重子多于反重子和轻子多于反轻子的一个净产量。Credit: E. Siegel/Beyond the Galaxy
2.)什么是暗物质，它如何发生的？

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一个仅被普通物质管理的星系（左图）会在周边展示比朝向中心远更低的旋转速度，类似于太阳系中行星如何运动。然而观测表明旋转速度大体上独立于星系中心半径（右图），导致一个大量不可见的暗物质一定存在的推断。这类观测在帮助天文学家理解宇宙中暗物质必要性中是革命的，还解释在一个星系旋臂内物质的形状和行为。Credit: Ingo Berg/Wikimedia Commons; Acknowledgement: E. Siegel
我们观测的宇宙结构需要丰富量的暗物质

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不同碰撞星系团的X射线（粉色）和整体物质（蓝色）的映射显示一个清晰地普通物质和引力效应之间的分离，暗物质的一些最强证据。X射线以两类而来，软X射线（低能）和硬X射线（高能），在那里星系碰撞能创造范围从数十万至约1亿开尔文的温度。同时引力效应（蓝色）被从来自普通物质（粉色）的位置偏移的事实表明暗物质一定存在。没有暗物质，这些观测一道有许多其他的不能被充分解释。Credit: NASA, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland; University of Edinburgh, UK), R. Massey (Durham University, UK), T. Kitching (University College London, UK), and A. Taylor and E. Tittley (University of Edinburgh, UK)
然而，暗物质的本质和它的起源仍然无法解释。

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我们看到的宇宙之网——整个宇宙中最大的尺度结构——主要被暗物质统治。宇宙的大尺度结构的仿真必须同时包括暗物质和普通物质，包括恒星形成、反馈机制和气体坠入效应，因为所有的它们对预测可见结构的浮现是必须的。识别哪些区域是足够密和大质量来对应星团、星系、星系团和细丝以及确定它们什么时候形成和在什么条件下是现代宇宙学的重要成就之一。Credit: Ralf Kaehler/SLAC National Accelerator Laboratory
3.)第一颗恒星什么时候形成的？它们像什么一样？

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这张图表显示哈勃望远镜、詹姆斯·韦伯太空望远镜近红外相机（JWST NIRCam）和近红外光谱仪（JWST NIRSpec）对RXJ2129-z8HeII星系的观测数据的结合。该天体的恒星光谱有一个异常强的蓝色倾斜，但在高度富集的气体和是存在的恒星对任何原始物质的证据是太脆弱不能做出一个任何第三族（即a.k.a.，即“第一代”）恒星存在的迫人的案例。截至2025年，没有此类恒星群体已经被发现。Credit: X. Wang et al., Astrophysical Journal Letters, 2024
尽管有喧嚣的宣称，但没有真正原始的恒星已经被观测到。

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艺术家的宇宙内一个区域随它首次形成恒星可能看起来像什么一样的概念。随恒星照耀、积累物质和收缩电磁辐射和引力波将被释放。在恒星内部，气体压力对抗引力，把持着各内部层反抗引力坍塌。围绕恒星形成区是黑暗——因为中性原子有效吸收了发射的星光，而发射的紫外星光从内部工作电离这些物质出去。Credit: Pablo Carlos Budassi/Wikimedia Commons
我们还没有发现它们什么时候被第一次点爆，也不知道它们拥有什么属性。

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这幅插图展示在宇宙中首批恒星的一个例子：它们在被中性气体的茧状包围下启动并辉煌的闪耀着。没有金属来冷却它们或辐射掉能量，仅在最重质量区域中大质量团块能形成恒星。所有最早的恒星很可能当宇宙刚好仅3000万岁至1亿岁时或一个值约30到70之间的红移时形成。作为对比，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）已经只看回到大爆炸后2.85亿年或一个红移值14。Credit: Nicole Rager Fuller / NSF
4.)发生了何种类型的膨胀？

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按照我们有的最严格的约束——来自最新BICEP/凯克望远镜数据，红色阴影区域是所有被允许的膨胀模型能去的。理论学家们一直在围绕能被很快排除的区域（绿色、蓝色部分）添枝加叶，但可行的r值能小到我们关心来构建我们模型的。在许多模型中绿色曲线能被向下延伸更远。我们在该参数空间中约束越严格，我们能更好排除各类膨胀模型。Credit: APS/Alan Stonebreaker, modified by E. Siegel
许多膨胀模型与我们的观测是适配的。

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这张映射展示被普朗克卫星在2015年测量的宇宙微波背景（CMB）偏振信号。上下两幅插图分别的显示在5度和一度的1/3度特定角度尺度上过滤数据之间的差异。虽然温度数据单单能证明CMB是宇宙本质的，但偏振信号给我们相关到宇宙膨胀细节的关键信息片——包括哪些“类型”的暴胀是被允许的和哪些是不被允许的。Credit: ESA and the Planck Collaboration, 2015
未来的宇宙微波背景和透镜观测站可以进一步约束膨胀的本质。

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这张图像展示了2025年2月西蒙斯天文台的大型口径望远镜的巨大的6米主镜和次镜。该望远镜已经见到第一光并将很快开启前所未有的新宇宙微波背景科学。Credit: M. Devlin/Simons Observatory
5.)膨胀之前发生了什么？

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从凡是前存在状态开始了它的，膨胀预测一系列独立的宇宙将随膨胀继续被滋生，每个宇宙都与其他宇宙完全的隔绝，被更膨胀的空间分隔。其中一个“泡沫”在那里膨胀终止了，约138亿年前诞生了我们的宇宙。今天，暗能量通知着宇宙并造成空间也指数级膨胀。这些场景可能被关联，但我们没有在热大爆炸前膨胀持续了多久的想法——只有能力来说“至少有10^-32秒”左右。Credit: Nicolle Rager Fuller
膨胀态本身必然是过去时间一样不完整

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如果你推断一个充满辐射（蓝色）、物质（红色）或膨胀场能量（黄色）向后回到时间中，你会发现物质或辐射填充的状态终止在过去中某个有限时间的一个奇点上。然而膨胀状态永远不如此做。2001年证实了所有膨胀的空时是过去时间线不完整的，规定宇宙膨胀发生之前一些其他状态。Credit: E. Siegel
它如何发生了、是否空时有一个起源事件可能永远不被知道。

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在已知的宇宙历史最早阶段，一段被称为宇宙膨胀的无情的指数级膨胀时期发生了，在那里膨胀的结束对应我们的最初的热大爆炸。这种膨胀状态至少持续了大约10^-32秒，但可能已经持续了更长。然而，其他状态一定已经早于膨胀的，而科学已经没有可能的不能够确定——该状态是奇点的还是非奇点的起源。Credit: Ben Gibson / Big Think / Adobe Stock
大多沉默的星期一以图像和视觉效果不超过200个单词高速一个天文学故事。.
https://bigthink.com/starts-with-a-bang/5-biggest-mysteries-origin-universe/

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