從宇宙微波背景到星系團(tuán)再到單個(gè)星系，這些觀測(cè)結(jié)果都需要用暗物質(zhì)來(lái)解釋。

這也許是最重要的問(wèn)題之一，因?yàn)樗粌H詢(xún)問(wèn)一切從何而來(lái)，還詢(xún)問(wèn)一切最初是如何形成的。迄今為止，科學(xué)還未能為我們解答這個(gè)難題。

當(dāng)我們觀察宇宙時(shí)，可觀察到的整個(gè)范圍，甚至考慮到廣闊的未知領(lǐng)域，都指向一個(gè)統(tǒng)一的場(chǎng)景。宇宙是由物質(zhì)（而不是反物質(zhì)）組成的，并且無(wú)論在何時(shí)何地都遵循相同的物理定律。據(jù)我們所知，宇宙始于138億年前的一次熾熱的大爆炸。宇宙受廣義相對(duì)論支配，其體積不斷膨脹，溫度不斷降低。暗能量和暗物質(zhì)構(gòu)成了宇宙的大部分，其余部分由普通物質(zhì)、中微子和輻射組成。

即使在真空中，基本相互作用場(chǎng)固有的量子漲落仍然存在。在早期宇宙的暴脹過(guò)程中，這些波動(dòng)會(huì)在整個(gè)宇宙中極大地延伸，從而產(chǎn)生今天仍然可以觀察到的溫度波動(dòng)。

如今，宇宙中充滿了星系、恒星、行星、重元素，至少一顆行星上存在著擁有先進(jìn)技術(shù)的智慧生命。但這些結(jié)構(gòu)并不是永遠(yuǎn)存在的，而是在宇宙演化過(guò)程中逐漸出現(xiàn)的。 20 世紀(jì)的科學(xué)家們?cè)诳茖W(xué)上取得了重大飛躍，他們追溯了宇宙的時(shí)間線，描述了宇宙是如何從沒(méi)有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、只含有氫和氦的時(shí)代演化到現(xiàn)在充滿大量氣體的。天體結(jié)構(gòu)。的外觀。

如果我們從今天開(kāi)始，回到過(guò)去，追溯每一個(gè)結(jié)構(gòu)、每一個(gè)組成部分的起源。每得到一個(gè)答案，我們就可以進(jìn)一步問(wèn)：“但是這是從哪里來(lái)的？這是怎么出現(xiàn)的？”直到最后沒(méi)有答案：“我不知道，至少到目前為止我沒(méi)有任何線索?！蹦菚r(shí)，我們可以回顧一下眼前的情況并問(wèn)：“這是怎么出現(xiàn)的？它從虛無(wú)中出現(xiàn)？”

那么讓我們開(kāi)始吧。

圖為宇宙膨脹過(guò)程中宇宙結(jié)構(gòu)形成的模擬圖像，描繪了數(shù)十億年來(lái)在富含暗物質(zhì)的宇宙中引力的增長(zhǎng)過(guò)程。圖中的細(xì)絲和團(tuán)簇主要是由暗物質(zhì)作用形成的，普通物質(zhì)的作用很小。

今天的生命都是由復(fù)雜的分子組成的，而這些分子又是由元素周期表中的原子組成的，這些原子與構(gòu)成宇宙中所有普通物質(zhì)的“原材料”相同。但宇宙并不是誕生時(shí)就有這么多原子的。而是經(jīng)歷了多輪恒星的誕生和死亡，以及每次核反應(yīng)產(chǎn)物的不斷循環(huán)，才逐漸走到了現(xiàn)在的境地。如果沒(méi)有這個(gè)過(guò)程，行星和復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)就不可能發(fā)生。

為了形成現(xiàn)代恒星和星系，引力首先需要將較小的星系和星團(tuán)拉在一起形成較大的星系并刺激新恒星的形成。這需要該區(qū)域通過(guò)重力收集一定量的質(zhì)量；這就需要暗物質(zhì)提前包圍并形成環(huán)，以防止這些物質(zhì)在恒星形成過(guò)程中被彈射出去；這需要普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和輻射之間存在一定的平衡。平衡，宇宙微波背景的形成，需要在大爆炸中形成較輕的元素，并達(dá)到所需的豐度和分布模式；這需要宇宙產(chǎn)生初始波動(dòng)，或密度缺陷；而這需要找到這些缺陷是如何形成的，以及最初的暗物質(zhì)和普通物質(zhì)是如何形成的。

這些都是大爆炸初期所需的“基本原材料”。此外，我們還需要物理定律、空間和時(shí)間、物質(zhì)和能量，所有這些都需要以某種方式從頭開(kāi)始創(chuàng)建。

所以總之，如果想要回答宇宙能否從無(wú)到有的問(wèn)題，就必須先揭開(kāi)上述未解之謎。

超新星爆炸遺跡（左圖）和行星狀星云（右圖）都可以將恒星中“燃燒”的重元素回收到星際介質(zhì)中，供下一代恒星和行星使用。重元素是生命形成不可缺少的元素。很難想象如果宇宙中缺少這些重元素，智慧生命是如何形成的。

要理解為什么宇宙中物質(zhì)多于反物質(zhì)，我們必須回到宇宙的最初階段，那個(gè)階段的物理定律充滿了不確定性。據(jù)我們所知，物理定律在物質(zhì)和反物質(zhì)之間具有一定的對(duì)稱(chēng)性：我們創(chuàng)造或觀察到的每一個(gè)反應(yīng)都可以用等量的反物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。盡管在宇宙極熱和致密的初始狀態(tài)下，物質(zhì)和反物質(zhì)可能同樣豐富，但宇宙后來(lái)一定以某種方式發(fā)展出了目前的物質(zhì)/反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)性。

對(duì)于這一結(jié)果有多種解釋?zhuān)覀儾淮_定早期宇宙實(shí)際上經(jīng)歷了哪一種。無(wú)論什么情況，以下三個(gè)要素是密不可分的：

1. 膨脹和冷卻的宇宙中自然發(fā)生的一系列不平衡狀況；

2. 違反重子數(shù)的相互作用；

3.產(chǎn)生足夠的C和CP破壞（C指電荷共軛，P指宇稱(chēng)）以形成足夠量的物質(zhì)/反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)性。

盡管標(biāo)準(zhǔn)模型具有上述所有要素，但這還不夠。如果把一開(kāi)始就具有物質(zhì)/反物質(zhì)對(duì)稱(chēng)性的宇宙視為“無(wú)”，那么宇宙一定是從無(wú)到有、憑空創(chuàng)造了各種后續(xù)事物，盡管我們不明白這是如何發(fā)生的。的。

考慮到大統(tǒng)一理論的適當(dāng)性質(zhì)，相等數(shù)量的完全對(duì)稱(chēng)的物質(zhì)和反物質(zhì)玻色子也可以產(chǎn)生在當(dāng)前宇宙中觀察到的物質(zhì)/反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)性。這個(gè)解釋并不完美，但我們不確定真相是什么。

創(chuàng)造暗物質(zhì)的方法也有很多可能。從廣泛的測(cè)試和搜索工作中我們知道，無(wú)論暗物質(zhì)是什么，它都不能包含標(biāo)準(zhǔn)模型中的任何粒子。無(wú)論暗物質(zhì)的真實(shí)本質(zhì)是什么，它都涉及我們目前還不了解的物理定律。但創(chuàng)造暗物質(zhì)的方法有很多。例如，它是在炎熱的早期宇宙中受熱量影響而形成的，但后來(lái)并沒(méi)有完全湮滅，而是保持穩(wěn)定狀態(tài)；或者在宇宙膨脹和冷卻過(guò)程中通過(guò)物質(zhì)。相變自發(fā)發(fā)生；或者以新型中微子的形式；或者它是一種簡(jiǎn)單的引力現(xiàn)象，可以形成超大質(zhì)量粒子（例如WIMPzilla，巨型弱相互作用大質(zhì)量粒子）。

但即使沒(méi)有暗物質(zhì)，今天的宇宙似乎也運(yùn)行得很好。那么暗物質(zhì)的存在有何意義呢？在以前從未有過(guò)暗物質(zhì)的情況下，暗物質(zhì)憑空誕生一定是有原因的。無(wú)論采用上述哪種途徑來(lái)產(chǎn)生暗物質(zhì)，都需要能量。這種能量從哪里來(lái)？根據(jù)宇宙膨脹理論（關(guān)于大爆炸起源的最流行的理論），暗物質(zhì)實(shí)際上可能是憑空產(chǎn)生的。對(duì)此我們需要多解釋幾句。

當(dāng)談到大爆炸早期時(shí)，你想到的一定是某種極其致密、高能、極其均勻的狀態(tài)。如果有人問(wèn)：“這是如何實(shí)現(xiàn)的？”我們通常有兩種反應(yīng)?？梢越栌肔ady Gaga的歌名來(lái)回答—— 《天生如此》：宇宙誕生時(shí)就具有這些特征，我們可以稱(chēng)之為“初始條件”，無(wú)需進(jìn)一步解釋。但對(duì)于理論物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，這種解釋無(wú)異于投降?；蛘呶覀兛梢宰隼碚撐锢韺W(xué)家最擅長(zhǎng)的事情：嘗試建立一個(gè)可以解釋這些初始條件的理論機(jī)制，梳理出與標(biāo)準(zhǔn)不同的預(yù)測(cè)，然后測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)。

早期宇宙中過(guò)于密集的區(qū)域?qū)㈦S著時(shí)間的推移繼續(xù)“生長(zhǎng)”，但這一過(guò)程一方面受到其初始大小的限制，另一方面受到高能輻射的限制（以防止天體結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)過(guò)快）。第一批行星的出現(xiàn)需要數(shù)千萬(wàn)甚至數(shù)億年的時(shí)間，但早在這之前宇宙中就已經(jīng)存在物質(zhì)團(tuán)塊了。

宇宙膨脹理論就是采用第二種方法的結(jié)果，它極大地改變了我們對(duì)宇宙如何形成的認(rèn)識(shí)。該理論并沒(méi)有推斷出“熱而致密”的前身是無(wú)限熱、無(wú)限致密的奇點(diǎn)，而是指出：“或許在大爆炸之前的一段時(shí)期，空間本身的能量密度極大，導(dǎo)致宇宙暴脹結(jié)束后，這種能量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)、反物質(zhì)和輻射，這就是我們所知的大爆炸的產(chǎn)生方式?！?

在以這種方式形成的宇宙中，不僅溫度和空間是均勻的，而且我們今天觀察到的密度波動(dòng)也是可以預(yù)料的。通過(guò)這個(gè)自然過(guò)程，整個(gè)可觀測(cè)的宇宙從真空中出現(xiàn)，并逐漸演化成我們今天看到的各種天體結(jié)構(gòu)。

這應(yīng)該是對(duì)“宇宙是如何從無(wú)到有”這個(gè)問(wèn)題最好的解釋?zhuān)⒉皇撬腥硕荚敢饨邮苓@個(gè)說(shuō)法。在很多人看來(lái)，宇宙有時(shí)間和空間，有物理定律，有基本常數(shù)，還有空間附帶的非零場(chǎng)能，這似乎與“無(wú)”的概念相去甚遠(yuǎn)。畢竟，完全有可能想象一個(gè)空間之外的地方、一個(gè)超越時(shí)間限制的時(shí)刻、一組沒(méi)有任何實(shí)際物理限制的條件。這些想象是完全有道理的，至少在哲學(xué)上是這樣。

我們今天觀察到的宇宙始于一次大爆炸，這是一種極熱、致密、均勻、膨脹的狀態(tài)，具有一組特定的初始條件。但如果我們想了解大爆炸是如何發(fā)生的，我們就不能假設(shè)大爆炸是宇宙的絕對(duì)開(kāi)始，也不能默認(rèn)“我們無(wú)法預(yù)測(cè)的事情一定是無(wú)法解釋的”。

但哲學(xué)層面的“無(wú)”與物理學(xué)定義的“無(wú)”是有區(qū)別的。 2018年的一篇論文指出，目前對(duì)“無(wú)”有四種科學(xué)定義，每種定義在相應(yīng)的情況下都是合理的：1、不存在我們所理解的“物體”的一段時(shí)間； 2. 空無(wú)一物的物理空間； 3、沒(méi)有任何東西可以達(dá)到的最低能量狀態(tài)的時(shí)空； 4.除去整個(gè)宇宙和支配它的各種法則后剩下的一切。

如果我們使用前兩個(gè)定義，那么我們完全可以說(shuō)“宇宙是憑空創(chuàng)造的”，但第三個(gè)定義就不行了。對(duì)于第四種，我們沒(méi)有足夠的信息來(lái)做出判斷。除非我們能找到一套新的物理理論來(lái)描述宇宙之外、當(dāng)前物理定律范圍之外的事物，否則從物理上來(lái)說(shuō)，根本不可能定義什么是真正的“無(wú)”。

量子尺度上的時(shí)空漲落在宇宙膨脹過(guò)程中會(huì)被極大地拉伸，跨越整個(gè)宇宙，形成密度缺陷和引力波。雖然通貨膨脹空間在很多層面上都可以被認(rèn)為是“空的”，但并非所有人都同意。

在物理層面上，很難弄清楚什么是絕對(duì)虛無(wú)。 “時(shí)空之外”到底是什么？時(shí)間和空間如何能夠以合理且可預(yù)測(cè)的方式從無(wú)到有？如果沒(méi)有空間和時(shí)間就無(wú)法定義時(shí)間或地點(diǎn)，那么空間和時(shí)間如何出現(xiàn)在特定的時(shí)間或地點(diǎn)呢？支配量子的定律從何而來(lái)？

如果我們接受“無(wú)”的物理學(xué)定義，那么我們今天所知道的宇宙在很大程度上確實(shí)是憑空出現(xiàn)的。但如果考慮到各種物理限制，宇宙的原始起源就變得無(wú)從談起。

然而，宇宙膨脹抹去了可觀測(cè)宇宙出現(xiàn)之前留下的所有可能的證據(jù)。雖然想象是無(wú)限的，但我們只能根據(jù)物理現(xiàn)實(shí)并在可以進(jìn)行測(cè)試的前提下得出結(jié)論。其他想法無(wú)論邏輯上多么可行，也只能停留在思維層面。