哈勃深場(chǎng)

這里顯示的哈勃極深場(chǎng)(XDF)，已經(jīng)揭示了宇宙空間中數(shù)千個(gè)星系，這僅僅代表了百萬分之一的天空。但是即使窮盡哈勃的所有力量，以及引力透鏡的所有放大倍數(shù)，仍然有我們看不到的星系，以及沒有已知收集方式的信息。

就我們?nèi)祟惖脑竿裕且獜氐椎牧私馕覀兊挠钪?，這也是最終的科學(xué)夢(mèng)想:不僅要盡可能全面和深入地理解支配宇宙現(xiàn)實(shí)的規(guī)律，還要理解存在的每一個(gè)粒子從宇宙誕生到今天的行為。

但是這個(gè)夢(mèng)想并不一定是我們能夠?qū)崿F(xiàn)的，宇宙如此之大即使我們有再好的設(shè)備和更理想的觀察方法，我們現(xiàn)在和將來都能觀察到的部分仍然是有限的。在我們可觀察的宇宙中存在有限數(shù)量的粒子和有限數(shù)量的能量，我們能收集的信息也是有限的。所以以下就是我們通過我們已掌握的知識(shí)了解的宇宙極限。

我們目前所掌握的宇宙

大爆炸后，宇宙幾乎是完全均勻的，各向同性的，充滿了快速膨脹狀態(tài)的物質(zhì)、能量和輻射。

想想大爆炸以及我們今天生存的宇宙，起源于一個(gè)能量高度致密的一個(gè)點(diǎn)?；叵?38億年前的那個(gè)時(shí)刻。宇宙經(jīng)歷過暴脹過程，空間拉扯著物質(zhì)以超光速擴(kuò)張，即使光可以以極限宇宙速度(光速)穿梭空間，我們能看到的距離也是有限的。因此，我們只能看到有限的距離，可觀測(cè)宇宙中只有有限數(shù)量的物質(zhì)，我們能獲得的信息量也是有限的。

人類科學(xué)史上的許多發(fā)現(xiàn)使我們能夠更好地理解我們宇宙的周遭。雖然我們目前并不能夠解釋關(guān)于宇宙的一切，但有大量的知識(shí)來源使我們能夠?qū)ξ覀兊挠钪娴贸錾钸h(yuǎn)的本質(zhì)的結(jié)論。我們知道它由物質(zhì)、能量、輻射等組成，這一點(diǎn)毋庸置疑。

我們知道有多少恒星存在于我們的星系中(約4000億顆)，有多少星系存在于整個(gè)可見宇宙中(約2萬億顆)。我們知道宇宙是如何聚集成星系、星系團(tuán)和星系結(jié)構(gòu)細(xì)絲的，以及它們是如何被巨大的宇宙空間分隔開的。我們知道定義這些結(jié)構(gòu)的宇宙距離的尺度，以及宇宙是如何隨時(shí)間演變的。

我們目前所認(rèn)可的大爆炸

在大爆炸和廣義相對(duì)論的框架下，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)星系的距離與離我們的衰退速度相關(guān)時(shí)，（越遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離我們的速度更快，這是個(gè)革命性的發(fā)現(xiàn)）這說明空間結(jié)構(gòu)本身正在擴(kuò)張。如果是這樣的話，那么宇宙不僅應(yīng)該膨脹，而且應(yīng)該在不斷的冷卻，因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，光的波長會(huì)被拉伸到越來越低的能量。我們應(yīng)該會(huì)看到一種大爆炸遺留下來的具有特殊性質(zhì)的輝光，可以追溯到最早的時(shí)代，這就是宇宙微波背景。通過微波背景我們應(yīng)該能看到一個(gè)不斷演變的宇宙結(jié)構(gòu)網(wǎng)。我們應(yīng)該看到，最早的氣體云應(yīng)該有特定比例的輕元素，根本不存在重元素。

宇宙演化

所有這些預(yù)測(cè)以及更多關(guān)于早期宇宙的預(yù)測(cè)已經(jīng)被證實(shí)。我們知道我們的宇宙開始于一個(gè)更熱、更致密、更均勻和更快速膨脹的狀態(tài):這就是我們所知的大爆炸。

因此，當(dāng)科學(xué)家聲稱大爆炸是宇宙的開始，這種說法是很有誘惑力的。然后你可能會(huì)想，如果我們能理解開始和支配現(xiàn)實(shí)的科學(xué)法則，我們就能知道所有存在中發(fā)生的一切。我們所需要做的就是利用物理定律進(jìn)行推斷。但是當(dāng)我們天真地推斷出宇宙的最早階段，并將我們所期望的與我們所觀察到的進(jìn)行比較時(shí)，會(huì)有一些重大的驚喜和困惑。

大爆炸帶來的困惑

如果宇宙的密度稍微高一點(diǎn)(紅色)，它就已經(jīng)重新坍縮了;如果它的密度稍微低一點(diǎn)，它就會(huì)膨脹得更快，變得更大。大爆炸本身并沒有解釋為什么宇宙誕生時(shí)的初始膨脹率能如此完美地平衡總能量密度，宇宙根本沒有空間曲率的存在。我們的宇宙在空間上看起來非常平坦。

有幾個(gè)主要的謎題，如果你試著回到宇宙開始時(shí)任意的熱，密度狀態(tài)的框架內(nèi)，就會(huì)出現(xiàn)以下主要的困惑：

1. 宇宙會(huì)膨脹到湮滅或幾乎立即重新塌陷，永遠(yuǎn)不會(huì)形成恒星或星系，除非初始膨脹速率和初始能量密度完全平衡。
2. 宇宙在不同的方向會(huì)有不同的溫度，（這是已經(jīng)觀測(cè)到的不存在溫度差異）除非有什么東西使宇宙各處的溫度相同。
3. 宇宙將充滿從未被探測(cè)到的高能遺跡。

然而，當(dāng)我們觀察我們的宇宙時(shí)，它確實(shí)有恒星和星系，各個(gè)方向的溫度都是一樣的，它沒有這些高能的遺跡。這些都是大爆炸解決不了的問題，怎么辦？科學(xué)家只能繼續(xù)提出假設(shè)完善大爆炸。

解決大爆炸的遺留問題——宇宙暴脹理論

在上圖中，我們的現(xiàn)代宇宙在任何地方都具有相同的屬性(包括溫度)，因?yàn)樗鼈兤鹪从诰哂邢嗤瑢傩缘膮^(qū)域。在中間的圖片中，可以有任意曲率的空間被膨脹到我們今天無法觀察到任何曲率的程度，從而解決了平面度問題。在底部圖片中，原有的高能遺跡被膨脹掉，為高能遺跡問題提供了解決方案。

這些問題的解決方案是宇宙暴脹理論，（俗稱大爆炸的補(bǔ)丁理論）。它用指數(shù)膨脹的空間周期取代了奇點(diǎn)的概念，并預(yù)測(cè)了大爆炸本身無法預(yù)測(cè)的初始條件。此外，膨脹還對(duì)我們將在宇宙中看到的東西做出了另外六種預(yù)測(cè):

1. 在熱大爆炸中達(dá)到的最高溫度，遠(yuǎn)低于普朗克能量尺度。
2. 自宇宙大爆炸以來，超視界波動(dòng)的存在，或者比光更大尺度上的溫度/密度波動(dòng)。
3. 密度波動(dòng)是100%絕熱和0%等溫性質(zhì)。
4. 幾乎完全尺度不變的密度波動(dòng)，但在大尺度上的幅度略大于小尺度。
5. 幾乎完全平坦的宇宙，量子效應(yīng)產(chǎn)生的曲率在0.01%或更低水平。
6. 一個(gè)充滿原始引力波背景的宇宙，它應(yīng)該會(huì)在大爆炸的余輝上留下印記。

其中的前五個(gè)已經(jīng)被證實(shí)或驗(yàn)證，而第六個(gè)仍然低于我們的檢測(cè)閾值。我們并沒有觀測(cè)到大爆炸留下的引力波。宇宙暴脹理論是對(duì)大爆炸的發(fā)展和補(bǔ)充，包括現(xiàn)在的暗物質(zhì)和暗能量可以稱的上是大爆炸身上的補(bǔ)丁理論。暴脹理論解決了宇宙空間為何如此平坦，物質(zhì)分布為何如此均勻等問題。但這些補(bǔ)丁理論都存在需要解決的問題，例如：宇宙為何會(huì)無端暴脹？暴脹為何從那個(gè)時(shí)刻開始？?jī)砂祮栴}現(xiàn)在還只是一個(gè)假設(shè)。所以每一個(gè)理論的提出都會(huì)帶來新的問題需要解決，而新的問題被另外一種理論解釋，又會(huì)帶來又新一輪問題，為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的死循環(huán)？

這一切一切的問題源于我們所能觀測(cè)宇宙的極限問題。如果我們能觀測(cè)的更遠(yuǎn)，我們就能看到最初的創(chuàng)世時(shí)刻，宇宙的巨大限制了我們的認(rèn)知。

我們現(xiàn)在所知道的只是一個(gè)巨大的可觀察宇宙，局限性阻礙了我們的認(rèn)知，這是我們面臨的最大障礙

目前我們所知道的宇宙：

1. 半徑為460億光年
2. 包含大約2萬億個(gè)星系
3. 總共大約102?星星
4. 10??原子
5. 將近10??光子

所有粒子、反粒子、輻射量子，甚至是在真空中，包括暗物質(zhì)和暗能量在內(nèi)的總能量加起來約為10??千克。

因此我們?cè)谟钪嬷锌梢垣@得的信息總量是有限的，我們可以獲得的知識(shí)量也是有限的。我們能獲得的能量、我們能觀察到的粒子和我們能進(jìn)行的測(cè)量都是有限度的。這種限制也阻礙了我們對(duì)宇宙的認(rèn)知。

所以我們還有很多東西要學(xué)，還有很多東西科學(xué)還沒有揭示出來。我們要打破這種局限，我們能甘心做一只井底之蛙？目前的許多未知因素可能會(huì)在不久的將來消失。這意味著有些事情我們可能永遠(yuǎn)都不知道。宇宙可能是無限的，但我們?nèi)祟惖奶剿骶褚彩菬o窮盡的。

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