星系是从量子静态演化而来的吗？

约138亿年前，我们所知道的宇宙起源于我们称之为大爆炸的瞬间。此时，炽热而稠密的能量和物质充斥着宇宙，推动了空间的扩张。许多物理学家推测，在随后的第一瞬间，宇宙经历了一个极快膨胀的阶段：一个称为膨胀的过程。这一理论最令人惊奇的预测之一是，宇宙中所有星系的排列——宇宙中所有“物质”在最大可想象的尺度上的排列——是由发生在最小可能测量水平上的事件决定的：量子领域。然而，这一观点的支持者长期以来一直面临着一个棘手的问题：如果我们今天所能看到的只是宏观结果，那么我们能证实这个微观起源故事吗？

宇宙结构的量子起源问题是所有科学中最有趣的方面之一。

无论我们在天空中看什么地方，我们都会发现几乎完全随机的星系空间分布。根据该理论，这种随机性的产生是因为星系生长的苗床本身有一个纯粹的随机源：所谓的量子真空的波动。量子真空是充满宇宙的量子场的一种表现。与直觉相反，它也不是完全空的。在它里面，场的短命激发不断地出现，然后消失，创造了一种填补空白的量子静态。

如果没有宇宙膨胀，这种静电就不会表现出任何长寿命的结构。然而，空间的难以置信的膨胀应该把微观量子点放大到宏观尺寸。随着它们的增长，波动失去了消失回真空烟雾的能力，并“冻结”成永久存在。它们成为物理学家所称的“经典”，这意味着它们不再遵循量子力学定律，而是按照爱因斯坦广义相对论所阐明的引力以确定的方式演化。因此，在膨胀结束后，在物质在整个宇宙中均匀分布的过程中，冻结静电的印记应该以高于或低于平均密度的模式出现。这些模式有助于指导星系的形成，当物质在引力的作用下进一步聚集在一起时，星系会在更高密度的区域合并。

这个理论故事让我们得出了一个非常富有诗意的结论：宇宙星系和星系团中最大、最不变的结构必定来自最小、最短暂的量子振荡。然而，这个美丽的故事是真的吗？当然，还有其他的可能性：也许通货膨胀不是从量子真空中产生的，而是由某种长寿命的量子粒子引发的。或者，甚至比通货膨胀更早的某个过程不知何故在婴儿宇宙中放置了一个经典模式，通货膨胀放大了但并没有创造。这两种情况中的任何一种都将意味着我们对生命早期发生的事情的理解发生根本性的变化。

事实上，如果我们确实生活在一个膨胀的宇宙中，星系是从量子混沌中成长起来的，那么我们应该期望发现它们随机散布在整个空间中。宇宙学家已经在大尺度结构中发现了一些非随机特征。但这些观测结果可以通过“后碰撞”过程来解释，比如重力对星系团生长的影响。挑战在于找到非随机性的迹象，这些迹象只能由早期宇宙中的事件来解释。这些“原始”迹象可以揭示通货膨胀如何发展的细节，也可以让我们对这一时期发生的事情有一个全新的认识。