在宏觀層面上，宇宙完全可以由經典物理學來描述。根據廣義相對論，引力可以用空間曲率來描述；麥克斯韋方程組很好地描述了電磁效應。只有在超微小的尺度上，量子效應纔開始發揮作用，這表現在原子躍遷、吸收和發射線、光的偏振和真空雙折射等特徵上。

然而，如果把宇宙外推到最初階段，每一個相互作用在本質上都是純量子的。單個的量子粒子和場在小尺度上以巨大的能量相互作用，這導致了許多目前可以觀測到的現象，它們都留下了量子遺產。特別地，最大的星系和超星系結構的起源也要歸功於量子物理學。那麼，量子物理學如何創造出宇宙最大結構呢？

如果我們想要了解宇宙的過去，我們只要觀測離我們很遙遠的宇宙就行，因爲光的傳播速度是有限的。舉個例子，如果我們看到了100億光年外的宇宙，那麼，這相當於我們看到了100億年前的宇宙，因爲100億光年外的光傳播到地球上需要100億年的時間。當這些光發出來時，宇宙的年齡爲38億年，那時比現在距離宇宙大爆炸更近100億年。

當我們以這種方式觀測時，我們不僅看到星系已經演化，變得更大、更紅，而且整個宇宙也變得有更明顯的網狀結構。宇宙在最大的宇宙尺度上看起來幾乎是一致的，特別是在早期。爲了使這個宇宙網形成和成長，宇宙最初一定有過密和低密的區域。宇宙大爆炸的熱殘餘

爲了知道早期宇宙的樣子，我們必須要看得足夠遠。當我們回望到宇宙的“盡頭”時，我們會看到一種十分均勻的背景輻射，它們是由宇宙中大爆炸殘留下的輝光——宇宙微波背景輻射。從宇宙微波背景輻射中，可以看到早期宇宙溫度存在波動，這實際上與密度波動有關，而那些區域將發展成我們今天所觀測到的大規模結構。

宇宙微波背景輻射可以追溯到宇宙誕生後僅僅38萬年的時間。在各個方向，無論我們在天空的什麼地方觀測，都能看到輻射以幾乎相同的溫度（2.725開氏度）向我們襲來。

不過，宇宙微波背景的溫度並非完全均勻，存在一定的溫度波動。雖然有些地方的溫度只比平均溫度差幾十或幾百微開爾文，但這非常重要。那些看起來稍微冷一點的區域與其他區域有同樣的輻射，但是物質稍微多一點，這意味着離開這些區域的光子由於引力紅移而比平均區域損失更多的能量。相反，溫度略高於平均值的區域是密度較低的區域。

我們可以測量在宇宙微波背景輻射中實際觀察到的東西，並計算出最初的波動是什麼樣的：宇宙在大爆炸開始時產生的波動，而不是在幾十萬年後演變成的波動。

結果表明，爲了在更大或更小的尺度上觀測高峯和低谷的特定模式，宇宙必須生來就具有這些波動。在更大的尺度上有稍微大的波動，在更小的尺度上有稍微小的波動，但是總體上只有幾個百分點的差異。我們在現代宇宙微波背景輻射中看到的模式不僅反映了那些最初的波動是什麼，而且還反映了在最初的幾十萬年裏，隨着宇宙的膨脹、冷卻，它們是如何演變的。

那麼，這些初始密度波動從何而來？爲什麼宇宙不是生來就完全平滑的呢？宇宙暴脹

這些問題的答案在於宇宙極早期發生了一件事情——宇宙暴脹。在宇宙充滿粒子、反粒子和輻射之前，宇宙有一個階段充滿了某種真空能量，或者說是空間結構本身固有的能量。

在這個暴脹階段，宇宙空間呈指數膨脹，空間膨脹速率遠超光速。這使得宇宙中的粒子都會遠離彼此，使我們的可觀測宇宙在任何地方都具有相同的性質，並把宇宙拉伸到平坦的狀態。

當宇宙暴脹結束時，宇宙中的全部固有能量都被轉移到物質、反物質和輻射中：粒子物理標準模型和物理定律所允許的一整套粒子和場。量子漲落

就像宇宙中的每一個場一樣，任何最終導致暴脹的場本質上也必然是一個量子場。每個量子場不僅有一個隨時間保持恆定的值，而且還有場波動和固有激發，這些量子波動不能被忽略。由於在暴脹期間，宇宙的能量與空間自身固有的量子場相聯繫，那麼，這個場也會有量子漲落，這對應於比平均能量略大或略小的區域。

這些波動從非常小的尺度開始——粒子-反粒子對在非常短的時間內從量子波動中突然出現，然後發生湮滅而消失。

但是在宇宙暴脹期間，空間的結構擴張得太快，並把這些正負波動分隔到足夠遠的距離，以至於它們不能再次湮滅。相反，它們只是簡單地延伸到整個宇宙，然後新粒子疊加在舊粒子上。到暴脹結束的時候，在我們可能觀察到的每一個尺度上，宇宙都有一組尺度幾乎不變的密度波動。

由於這些在暴脹期間產生的量子漲落，宇宙在大爆炸開始時，在所有的角度尺度上都會有與平均密度相差約三萬分之一的空間區域。隨着時間的推移，引力將瓦解密度過高的區域，並從密度過低的區域攫取物質，而輻射將流出或進入偏離平均密度的區域。

這種效應與粒子、輻射和其他粒子之間的相互作用結合在一起，形成了我們今天在宇宙微波背景輻射中看到的波動模式，以及形成大規模結構的宇宙網絡的密度過高和密度過低的區域。我們可以把一切追溯到暴脹起源，這不僅與我們所觀測到的宇宙相一致，而且證明了由量子場驅動暴脹的必要性。沒有量子漲落的宇宙

如果沒有量子物理學，宇宙本應該是完全平滑的，空間的每個區域都有與其他區域完全相同的溫度和密度。隨着時間的推移，物質仍然會戰勝反物質，並通過核合成形成輕元素，然後在宇宙膨脹和冷卻時創造中性原子。

但在這樣的宇宙中，恆星和星系無法在早期宇宙中通過引力作用形成。至少需要等上數十億年的時間，宇宙纔有可能形成第一批恆星和星系。巨大的星系團和大規模的宇宙網將無法形成，因爲這些結構的種子不會在這樣做的宇宙中生長。而暗能量將是最大的決定性因素，它們會阻止宇宙形成大規模結構。

之所以我們現在的宇宙中存在大規模的引力結構，皆因我們的宇宙有着量子本質。最小和最大尺度之間存在着千絲萬縷的聯繫，渺小的量子深刻地影響着浩瀚的宇宙。

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