从宇宙微波背景到星系团再到单个星系，这些观测结果都需要用暗物质来解释。
这也许是最重要的问题之一，因为它不仅询问一切从何而来，还询问一切最初是如何形成的。迄今为止，科学还未能为我们解答这个难题。
当我们观察宇宙时，可观察到的整个范围，甚至考虑到广阔的未知领域，都指向一个统一的场景。宇宙是由物质（而不是反物质）组成的，并且无论在何时何地都遵循相同的物理定律。据我们所知，宇宙始于138亿年前的一次炽热的大爆炸。宇宙受广义相对论支配，其体积不断膨胀，温度不断降低。暗能量和暗物质构成了宇宙的大部分，其余部分由普通物质、中微子和辐射组成。
即使在真空中，基本相互作用场固有的量子涨落仍然存在。在早期宇宙的暴胀过程中，这些波动会在整个宇宙中极大地延伸，从而产生今天仍然可以观察到的温度波动。
如今，宇宙中充满了星系、恒星、行星、重元素，至少一颗行星上存在着拥有先进技术的智慧生命。但这些结构并不是永远存在的，而是在宇宙演化过程中逐渐出现的。 20 世纪的科学家们在科学上取得了重大飞跃，他们追溯了宇宙的时间线，描述了宇宙是如何从没有复杂结构、只含有氢和氦的时代演化到现在充满大量气体的。天体结构。的外观。
如果我们从今天开始，回到过去，追溯每一个结构、每一个组成部分的起源。每得到一个答案，我们就可以进一步问：“但是这是从哪里来的？这是怎么出现的？”直到最后没有答案：“我不知道，至少到目前为止我没有任何线索。”那时，我们可以回顾一下眼前的情况并问：“这是怎么出现的？它从虚无中出现？”
那么让我们开始吧。
图为宇宙膨胀过程中宇宙结构形成的模拟图像，描绘了数十亿年来在富含暗物质的宇宙中引力的增长过程。图中的细丝和团簇主要是由暗物质作用形成的，普通物质的作用很小。
今天的生命都是由复杂的分子组成的，而这些分子又是由元素周期表中的原子组成的，这些原子与构成宇宙中所有普通物质的“原材料”相同。但宇宙并不是诞生时就有这么多原子的。而是经历了多轮恒星的诞生和死亡，以及每次核反应产物的不断循环，才逐渐走到了现在的境地。如果没有这个过程，行星和复杂的化学反应就不可能发生。
为了形成现代恒星和星系，引力首先需要将较小的星系和星团拉在一起形成较大的星系并刺激新恒星的形成。这需要该区域通过重力收集一定量的质量；这就需要暗物质提前包围并形成环，以防止这些物质在恒星形成过程中被弹射出去；这需要普通物质、暗物质和辐射之间存在一定的平衡。平衡，宇宙微波背景的形成，需要在大爆炸中形成较轻的元素，并达到所需的丰度和分布模式；这需要宇宙产生初始波动，或密度缺陷；而这需要找到这些缺陷是如何形成的，以及最初的暗物质和普通物质是如何形成的。
这些都是大爆炸初期所需的“基本原材料”。此外，我们还需要物理定律、空间和时间、物质和能量，所有这些都需要以某种方式从头开始创建。
所以总之，如果想要回答宇宙能否从无到有的问题，就必须先揭开上述未解之谜。
超新星爆炸遗迹（左图）和行星状星云（右图）都可以将恒星中“燃烧”的重元素回收到星际介质中，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。很难想象如果宇宙中缺少这些重元素，智慧生命是如何形成的。
要理解为什么宇宙中物质多于反物质，我们必须回到宇宙的最初阶段，那个阶段的物理定律充满了不确定性。据我们所知，物理定律在物质和反物质之间具有一定的对称性：我们创造或观察到的每一个反应都可以用等量的反物质来实现。尽管在宇宙极热和致密的初始状态下，物质和反物质可能同样丰富，但宇宙后来一定以某种方式发展出了目前的物质/反物质不对称性。
对于这一结果有多种解释，但我们不确定早期宇宙实际上经历了哪一种。无论什么情况，以下三个要素是密不可分的：
1. 膨胀和冷却的宇宙中自然发生的一系列不平衡状况；
2. 违反重子数的相互作用；
3.产生足够的C和CP破坏（C指电荷共轭，P指宇称）以形成足够量的物质/反物质不对称性。
尽管标准模型具有上述所有要素，但这还不够。如果把一开始就具有物质/反物质对称性的宇宙视为“无”，那么宇宙一定是从无到有、凭空创造了各种后续事物，尽管我们不明白这是如何发生的。的。
考虑到大统一理论的适当性质，相等数量的完全对称的物质和反物质玻色子也可以产生在当前宇宙中观察到的物质/反物质不对称性。这个解释并不完美，但我们不确定真相是什么。
创造暗物质的方法也有很多可能。从广泛的测试和搜索工作中我们知道，无论暗物质是什么，它都不能包含标准模型中的任何粒子。无论暗物质的真实本质是什么，它都涉及我们目前还不了解的物理定律。但创造暗物质的方法有很多。例如，它是在炎热的早期宇宙中受热量影响而形成的，但后来并没有完全湮灭，而是保持稳定状态；或者在宇宙膨胀和冷却过程中通过物质。相变自发发生；或者以新型中微子的形式；或者它是一种简单的引力现象，可以形成超大质量粒子（例如WIMPzilla，巨型弱相互作用大质量粒子）。
但即使没有暗物质，今天的宇宙似乎也运行得很好。那么暗物质的存在有何意义呢？在以前从未有过暗物质的情况下，暗物质凭空诞生一定是有原因的。无论采用上述哪种途径来产生暗物质，都需要能量。这种能量从哪里来？根据宇宙膨胀理论（关于大爆炸起源的最流行的理论），暗物质实际上可能是凭空产生的。对此我们需要多解释几句。
当谈到大爆炸早期时，你想到的一定是某种极其致密、高能、极其均匀的状态。如果有人问：“这是如何实现的？”我们通常有两种反应。可以借用Lady Gaga的歌名来回答—— 《天生如此》：宇宙诞生时就具有这些特征，我们可以称之为“初始条件”，无需进一步解释。但对于理论物理学家来说，这种解释无异于投降。或者我们可以做理论物理学家最擅长的事情：尝试建立一个可以解释这些初始条件的理论机制，梳理出与标准不同的预测，然后测量关键参数。
早期宇宙中过于密集的区域将随着时间的推移继续“生长”，但这一过程一方面受到其初始大小的限制，另一方面受到高能辐射的限制（以防止天体结构生长过快）。第一批行星的出现需要数千万甚至数亿年的时间，但早在这之前宇宙中就已经存在物质团块了。
宇宙膨胀理论就是采用第二种方法的结果，它极大地改变了我们对宇宙如何形成的认识。该理论并没有推断出“热而致密”的前身是无限热、无限致密的奇点，而是指出：“或许在大爆炸之前的一段时期，空间本身的能量密度极大，导致宇宙暴胀结束后，这种能量转化为物质、反物质和辐射，这就是我们所知的大爆炸的产生方式。”
在以这种方式形成的宇宙中，不仅温度和空间是均匀的，而且我们今天观察到的密度波动也是可以预料的。通过这个自然过程，整个可观测的宇宙从真空中出现，并逐渐演化成我们今天看到的各种天体结构。
这应该是对“宇宙是如何从无到有”这个问题最好的解释，但并不是所有人都愿意接受这个说法。在很多人看来，宇宙有时间和空间，有物理定律，有基本常数，还有空间附带的非零场能，这似乎与“无”的概念相去甚远。毕竟，完全有可能想象一个空间之外的地方、一个超越时间限制的时刻、一组没有任何实际物理限制的条件。这些想象是完全有道理的，至少在哲学上是这样。
我们今天观察到的宇宙始于一次大爆炸，这是一种极热、致密、均匀、膨胀的状态，具有一组特定的初始条件。但如果我们想了解大爆炸是如何发生的，我们就不能假设大爆炸是宇宙的绝对开始，也不能默认“我们无法预测的事情一定是无法解释的”。
但哲学层面的“无”与物理学定义的“无”是有区别的。 2018年的一篇论文指出，目前对“无”有四种科学定义，每种定义在相应的情况下都是合理的：1、不存在我们所理解的“物体”的一段时间； 2. 空无一物的物理空间； 3、没有任何东西可以达到的最低能量状态的时空； 4.除去整个宇宙和支配它的各种法则后剩下的一切。
如果我们使用前两个定义，那么我们完全可以说“宇宙是凭空创造的”，但第三个定义就不行了。对于第四种，我们没有足够的信息来做出判断。除非我们能找到一套新的物理理论来描述宇宙之外、当前物理定律范围之外的事物，否则从物理上来说，根本不可能定义什么是真正的“无”。
量子尺度上的时空涨落在宇宙膨胀过程中会被极大地拉伸，跨越整个宇宙，形成密度缺陷和引力波。虽然通货膨胀空间在很多层面上都可以被认为是“空的”，但并非所有人都同意。
在物理层面上，很难弄清楚什么是绝对虚无。 “时空之外”到底是什么？时间和空间如何能够以合理且可预测的方式从无到有？如果没有空间和时间就无法定义时间或地点，那么空间和时间如何出现在特定的时间或地点呢？支配量子的定律从何而来？
如果我们接受“无”的物理学定义，那么我们今天所知道的宇宙在很大程度上确实是凭空出现的。但如果考虑到各种物理限制，宇宙的原始起源就变得无从谈起。
然而，宇宙膨胀抹去了可观测宇宙出现之前留下的所有可能的证据。虽然想象是无限的，但我们只能根据物理现实并在可以进行测试的前提下得出结论。其他想法无论逻辑上多么可行，也只能停留在思维层面。
