宇宙是如何開始的？早期的宇宙樣貌又是如何？

接下來有更多的研究工作，幫助解釋大霹靂發生的過程。理論是這樣的：在宇宙存在的最初10^-43 秒內，宇宙非常緊緻，甚至小於單一原子的十兆兆分之一。人們認為，在如此難以理解的緻密高能量狀態下，四種基本力──重力、電磁力、強核力和弱核力──融合為單一的力，但目前的理論還沒有弄清楚這種單一的統一力量如何發揮作用。為了實現此一目標，我們需要知道重力如何在次原子尺度上發揮作用，但目前我們還無法得知。

科學家也認為，這樣極度緊緻的空間能讓宇宙中最早的粒子混合，並穩定處於大致相同的溫度。然後，在難以想像的極短瞬間，所有的物質和能量幾乎均勻地向外膨脹，但量子尺度上的波動又提供了微小的變化。這種高速的膨脹模型稱為「暴脹」（inflation），可以解釋為什麼宇宙的溫度和物質分布會如此均勻。

宇宙在暴脹之後持續膨脹，但速度要慢得多。目前我們還不清楚到底是什麼推動了宇宙暴脹。

↑↑↑↑↑ 101科學教室：宇宙起源

宇宙暴脹的後果

物質隨著時間流逝逐漸冷卻，有更多種類的粒子開始形成，最後凝結成目前宇宙的恆星和星系。

當宇宙形成十億分之一秒時，宇宙已經冷卻到足以讓四種基本力彼此分離的程度。宇宙的基本粒子也隨之形成。但此時的溫度還是很高，這些粒子還沒有形成現今的眾多次原子粒子，例如質子。隨著宇宙不斷膨脹，這種稱為「夸克－膠子電漿」（quark-gluon plasma）的滾燙原始湯繼續冷卻。包括歐洲核子研究組織（CERN）大型強子對撞機（Large Hadron Collider）在內的部分粒子對撞機，其威力足以重建這種夸克－膠子電漿。

早期宇宙中的輻射非常強烈，以至於碰撞的光子可以形成由物質和反物質組成的粒子對，反物質和普通物質除了帶有相反的電荷之外，在其他各方面都非常相似。科學家認為早期宇宙含有等量的物質和反物質，但隨著宇宙冷卻，光子不再具有足夠的能量，能形成物質－反物質對。這就像一場大風吹的極限遊戲，許多物質和反物質粒子互相配對並湮滅。

不知道為什麼，有些多餘的物質倖存下來──成為現今構成人類、行星和星系的物質。我們的存在清楚地顯示，自然法則對待物質和反物質的方式略有不同。研究人員藉由實驗，觀察到了這種稱為規則不平衡「電荷－宇稱不守恆」（CP violation）的實際情況。物理學家仍在試圖弄清，物質是如何在早期宇宙取得勝利。

一種名為微中子（neutrino）的微小鬼魅粒子，和它對應的反物質「反微中子」（antineutrino），可以為這個問題提供一些線索。名為「地下深處微中子實驗」（Deep Underground Neutrino Experiment，簡稱DUNE）和「頂級神岡探測器」（Hyper-Kamiokande）的兩個大型實驗，正在利用這些無電荷、又幾乎無質量的粒子，試圖解開這個謎團。

仙女座星系M31 是銀河系鄰近最大的星系。這張影像結合了美國航太總署和歐洲太空局（European Space Agency）的數據：紅色表示氫氣、綠色表示低溫的灰塵、藍色則是較溫暖的塵埃。Photograph by ESA/NASA/JPL-Caltech/GBT/WSRT/IRAM/C. Clark (STScI)

建造原子

在宇宙誕生後的第一秒鐘，宇宙的溫度已經夠低，使剩餘的物質開始凝聚成質子和中子，這些粒子組成了原子的原子核。在接下來的三分鐘內，質子和中子聚集成了氫和氦的原子核。在早期宇宙中，氫占整體質量的75%，而氦占了25%。大霹靂理論的其中一個關鍵預測就是氦的豐度，這點已經得到了科學觀測的證實。

儘管原子核已經形成，年輕的宇宙仍然過於炙熱，無法讓電子穩定地圍繞在原子核周圍，形成穩定的原子。宇宙仍然是一團帶有電荷的密集霧狀物質，光線在其中難以穿行。宇宙需要再經過大約38萬年的時間，才能冷卻到足以形成中性原子，這個關鍵時刻稱為「復合」（recombination）時期。冷卻後的宇宙首次變得透明，使得在其中徘徊的光子終於能夠暢行無阻地穿透。

今日我們仍然可以看到這種原始的餘暉，也就是所謂的「宇宙微波背景輻射」（cosmic microwave background radiation），這種輻射遍布整個宇宙。它與藉由天線傳輸電視訊號的輻射類似。但這也是已知最古老的輻射，可能蘊含著有關宇宙最早時期的許多秘密。

遍布整個宇宙的宇宙微波背景輻射，是宇宙中最古老的光。這些輻射在穿越星系團前往地球的路徑上，會受到扭曲。科學家們可以在像RX J1347.5–1145這樣的已知大型星系團中測量這些扭曲，以發現新的星系團。Photograph by ESA/Hubble & NASA, T. Kitayama (Toho University, Japan)/ESA/Hubble & NASA

物質僅占宇宙的一小部分。科學家認為，暗能量和暗物質構成了宇宙的其餘部分。遙遠的星系團 IDCS 1426（如圖所示），其質量為太陽質量的500兆倍，估計其中有90%的質量來自暗物質。Photograph by NASA/CXC/Univ of Missouri/M.Brodwin et al; NASA/STScI; JPL/CalTech

從第一顆恆星到今日

宇宙在大霹靂後約1.8億年內，沒有形成任何恆星。需要這麼長久的時間，才能讓重力將氫雲聚集並形成恆星。許多物理學家認為，大量暗物質──這種仍然未知的物質的質量是可見物質的五倍以上──為第一批星系和恆星提供了重力架構。

一旦宇宙中的第一批恆星點燃，它們釋放出的光線足以再次從中性原子中剝離電子，這個稱為「再游離」（reionization）的過程是宇宙的重要篇章。科學家試圖窺探此一「宇宙黎明」，但結果卻不盡相同。2018年，一組澳洲團隊宣布偵測到大霹靂後約1.8億年時，第一批恆星開始形成的跡象，但其他團隊無法重現他們的結果。到了大霹靂後3億年，第一批星系誕生了。在隨後的數十億年中，恆星、星系以及星系團不斷形成和重組，最終形成了我們家園的星系──銀河系，以及我們的宇宙家園──太陽系。

即使到了現在，宇宙仍然在膨脹。更令人驚訝的是，宇宙膨脹的速度正在加速。雖然對膨脹速度的估計各不相同，但來自詹姆斯．韋伯太空望遠鏡的數據揭露了愈來愈多的證據，證明膨脹速度比預期要快得多。

科學家認為這種加速是由一種排斥重力的力量──「暗能量」（dark energy）所驅動。我們仍然不知道暗能量的本質為何，但認為它占據了宇宙總物質和能量總和的68%，而暗物質占據了另外27%。從本質上來說，你所見過的所有物質──從你的初戀到頭頂的繁星──總共只占宇宙的不到5%。

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