能夠完全了解宇宙的每一件事是我們求知路上的極限了。這是科學(xué)的終極夢(mèng)想：不僅僅是盡可能完全與深入地了解現(xiàn)實(shí)世界的運(yùn)行法則，還要了解從宇宙誕生到現(xiàn)在每一個(gè)存在的粒子是如何運(yùn)動(dòng)的。
即使我們擁有足夠好的設(shè)備和足夠理想的觀測(cè)方法，這個(gè)夢(mèng)想也未必能夠?qū)崿F(xiàn)。宇宙廣闊無(wú)垠，現(xiàn)在及將來(lái)我們能夠觀測(cè)到的部分仍是有限部分的宇宙。我們觀測(cè)到的這部分宇宙中的粒子與能量現(xiàn)狀是有限的，那么我們能夠收集到的信息也是有限的。下面是我們了解的關(guān)于知識(shí)科學(xué)的極限。
圖解:大爆炸之后，宇宙充滿了物質(zhì)、能量和輻射，基本是完全平均的，并且處于快速膨脹的狀態(tài)。隨著時(shí)間流逝，宇宙不僅僅是形成了元素、原子、團(tuán)簇和星團(tuán)、恒星和星系，同時(shí)也在膨脹與冷卻。沒(méi)什么可以與這一過(guò)程相匹敵，但它實(shí)際上并沒(méi)有教會(huì)我們什么，包括（尤其是）它的開(kāi)端。（NASA/GSFC）
想一想大爆炸，事實(shí)是我們生存的這個(gè)宇宙起始于一個(gè)熱并混沌的狀態(tài)，并逐漸膨脹與冷卻。回想一下138億年前的那個(gè)瞬間。即使宇宙本身的結(jié)構(gòu)在膨脹，即使光仍能以光速穿過(guò)宇宙，我們能看到的距離始終是有限的。
無(wú)論宇宙結(jié)構(gòu)的膨脹速度有多快，無(wú)論光速有多快，無(wú)論大爆炸已經(jīng)過(guò)去了多久，這些屬性沒(méi)有一項(xiàng)是無(wú)限的。然而，我們只能看到有限遠(yuǎn)的距離，在我們可觀測(cè)的宇宙中，也只會(huì)包含有限的事物。我們可以得到的信息數(shù)量終究是有限的。
圖解:以地球?yàn)橹行耐獍l(fā)散460億光年就是可觀測(cè)宇宙的范圍，但無(wú)法觀測(cè)的宇宙的范圍顯然更加廣闊，甚至是無(wú)窮大的，就像我們的可觀測(cè)宇宙一樣。假以時(shí)日，我們將有能力觀測(cè)到宇宙更多的部分，會(huì)有大約2.3倍于當(dāng)前已發(fā)現(xiàn)數(shù)量的星系被揭示。我們尚未發(fā)現(xiàn)的部分中，同樣有我們想了解的事情。這看起來(lái)并不像一場(chǎng)徒勞無(wú)功的事關(guān)科學(xué)的努力。
歷史上的許多發(fā)現(xiàn)都幫助我們更好的理解我們所在的宇宙。盡管我們無(wú)法知道所有事， 但大量的知識(shí)源可以幫助我們對(duì)宇宙做更深入的解釋。我們知道它是由物質(zhì)、能量、輻射等構(gòu)成的。
我們知道銀河系中目前有多少恒星（大約4000億顆）、可觀測(cè)宇宙中目前有多少星系（大約2萬(wàn)億個(gè)）。我們知道星系群、星團(tuán)和暗條是如何形成的，現(xiàn)在它們被浩瀚的宇宙空間隔開(kāi)，相距甚遠(yuǎn)。
圖解:天體聚集模式的一個(gè)例子是重子聲振動(dòng)：是否可以在某個(gè)確定的距離范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)一個(gè)星系，取決于暗物質(zhì)、正常物質(zhì)以及包括中微子在內(nèi)的所有類型輻射之間的關(guān)系。隨著宇宙膨脹，這一距離范圍也在不斷擴(kuò)大，這使得我們能夠測(cè)量哈勃常數(shù)、暗物質(zhì)密度和其他隨時(shí)間變化的宇宙參數(shù)。大規(guī)模結(jié)構(gòu)必須符合普朗克數(shù)據(jù)。
值得注意的事情是，所有的一切都與大爆炸和相對(duì)論的理論框架相契合。當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)，一個(gè)星系的測(cè)量距離符合它的退行速度，一個(gè)耐人尋味且革命性的可能性便出現(xiàn)了。也許星系們并不都是在遠(yuǎn)離我們，空間結(jié)構(gòu)本身就在膨脹。
如果事實(shí)果真如此，宇宙在膨脹的同時(shí)還在冷卻，那么光的波長(zhǎng)會(huì)被拉伸，其能量也會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低。我們應(yīng)該會(huì)看到殘余的光：宇宙的微波背景，這些光擁有的特殊屬性可以追溯到最早的時(shí)候。我們應(yīng)該看到一個(gè)正在進(jìn)化的宇宙結(jié)構(gòu)網(wǎng)，看到最早的包含一定比例輕元素卻完全沒(méi)有重元素的的氣體云。
圖解:已知的關(guān)于膨脹宇宙的歷史，包括被稱為大爆炸的熱與混沌的狀態(tài)、宇宙結(jié)構(gòu)的形成。全部的數(shù)據(jù)包括輕元素的觀測(cè)和宇宙微波背景，只有大爆炸可以解釋我們看到的一切。宇宙在膨脹，也在冷卻，使得粒子、中性原子最終形成分子、氣體云、恒星，最后形成星系。(NASA / CXC / M. WEISS)
所有的這些預(yù)測(cè)和其他更多關(guān)于早期宇宙的預(yù)測(cè)已經(jīng)被證實(shí)。宇宙正是因此發(fā)展到當(dāng)下的狀態(tài)，我們知道宇宙始于一個(gè)比現(xiàn)在更熱、密度更大、更均勻、擴(kuò)張速度更快的狀態(tài)：這便是我們所了解到的熱大爆炸。
因此，人們很容易得出的結(jié)論：大爆炸是宇宙的起源。接下來(lái)，你可能會(huì)認(rèn)為，如果我們知道了宇宙的發(fā)端，自然的法則，我們就能知道宇宙中發(fā)生過(guò)的所有事。我們只要利用物理規(guī)律去推斷即可。但是，當(dāng)我們嘗試使用物理規(guī)律去追溯宇宙最初的階段，并將結(jié)果與我們的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)并非我們想象的那樣。
圖解:如果宇宙的密度稍大一點(diǎn)，它應(yīng)該早已開(kāi)始收縮，如果小一點(diǎn)，則膨脹的速度應(yīng)該更快并且更大。大爆炸本身無(wú)法解釋，我們不知道為什么宇宙誕生的那個(gè)瞬間，最開(kāi)始的膨脹率可以如此完美地平衡總能量密度，完全沒(méi)有為空間曲率留下空間。我們的宇宙展現(xiàn)了一個(gè)非常完美的空間平場(chǎng)。
宇宙會(huì)膨脹，直到它湮沒(méi)，或者立即塌縮，不會(huì)形成恒星或星系，除非它最開(kāi)始的膨脹率和初始能量密度達(dá)到完美的平衡。
宇宙在不同的方向應(yīng)該有不同的溫度——在觀測(cè)結(jié)果中并沒(méi)有這一現(xiàn)象——除非有什么導(dǎo)致了宇宙在各個(gè)角落的溫度都相同。
宇宙中應(yīng)該充滿了從未被檢測(cè)到的高能遺跡，這便是我們武斷使用物理規(guī)則推斷過(guò)去地到的結(jié)果。
實(shí)際上，當(dāng)我們抬頭仰望我們的宇宙，恒星與星系確實(shí)存在，宇宙中的每一個(gè)地方確實(shí)都有相同的溫度，而且并沒(méi)有什么高能遺跡。
圖解:第一，我們的宇宙確實(shí)擁有一些“放眼宇宙皆準(zhǔn)”的屬性（包括溫度），因?yàn)檫@些屬性都起源于同一個(gè)區(qū)域。第二，可以擁有任意曲率的空間已經(jīng)膨脹到我們無(wú)法觀測(cè)到任何曲率，這解釋了為什么空間這么平坦的問(wèn)題。第三，早就存在的高能遺跡也膨脹了，這解釋了高能遺跡的問(wèn)題。膨脹就是這樣解釋了這三個(gè)大爆炸無(wú)法解釋的問(wèn)題。
解釋這三個(gè)問(wèn)題的就是宇宙膨脹理論，這一理論用宇宙指數(shù)級(jí)膨脹時(shí)期代替了奇點(diǎn)，并猜想了大爆炸所不能解釋的、宇宙的初始情況。另外，宇宙膨脹理論還有另外6個(gè)關(guān)于宇宙的猜想：
熱大爆炸中的最高溫度是在普朗克能量尺度之下的。
大爆炸發(fā)生以來(lái)，有可能發(fā)生超視界波動(dòng)或溫度/密度的波動(dòng)范圍大于光等情況。
在自然中，密度波動(dòng)時(shí)100%絕熱與0%等溫的。
尺度幾乎不變的密度波動(dòng)，在較大尺度中的波動(dòng)幅度要比在較小尺度中的要大一些。
一個(gè)近乎完美的平場(chǎng)宇宙，在量子效應(yīng)的影響下，會(huì)產(chǎn)生千分之一級(jí)別甚至更低的曲率。
一個(gè)擁有原始引力波背景的宇宙，應(yīng)該在大爆炸后的宇宙微波背景中留下痕跡。
六個(gè)猜想當(dāng)中的前五個(gè)已經(jīng)被證實(shí)或驗(yàn)證，與觀測(cè)結(jié)果相符合，第六個(gè)猜想則仍與觀測(cè)結(jié)果偏離。
圖解:無(wú)論使用宇宙背景探測(cè)器（大范圍尺度）、威爾金森微波各向異性探測(cè)器（中間尺度）還是普朗克（小尺度）測(cè)量，宇宙微波背景中的波動(dòng)都是一致的，不僅僅與尺度不變的量子波動(dòng)一致，而且量級(jí)非常低，不是任意一個(gè)熱并混沌的狀態(tài)都能產(chǎn)生這種現(xiàn)象。水平線表示初始波動(dòng)的光譜（來(lái)自爆脹），左右搖擺的曲線則表示重力和輻射/物質(zhì)是如何相互作用形成早期膨脹的宇宙。宇宙微波背景是支持宇宙膨脹的相當(dāng)有力的證據(jù)。
關(guān)于大爆炸的尚無(wú)答案的問(wèn)題與沒(méi)有解釋的謎題為我們發(fā)展宇宙膨脹理論鋪平了道路，它成功復(fù)制了大爆炸，解釋了這些謎題，并且對(duì)可觀測(cè)的現(xiàn)象做了新的預(yù)測(cè)。
所有這一切都是有關(guān)科學(xué)的勝利的一個(gè)引人注目的例子。但它應(yīng)該會(huì)讓你想要獲得更多。下一個(gè)有關(guān)我們起源的合乎邏輯的問(wèn)題是：宇宙膨脹從何而來(lái)？
圖解:我們已經(jīng)可以較好的理解整個(gè)宇宙的歷史，但僅僅是在定性的角度。根據(jù)觀測(cè)確認(rèn)和揭示宇宙過(guò)去的一定經(jīng)歷過(guò)的各個(gè)階段，比如第一顆恒星、第一個(gè)星系是如何形成的，了解宇宙是如何隨時(shí)間膨脹的，可以讓我們真正理解我們的宇宙。熱大爆炸之前，宇宙的膨脹狀態(tài)留下了痕跡，這為我們測(cè)試我們宇宙的歷史留下了一個(gè)獨(dú)特的方法。
膨脹是一個(gè)有起點(diǎn)的臨時(shí)的狀態(tài)嗎？在過(guò)去的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，它是如何從一個(gè)非膨脹的空間時(shí)間里開(kāi)始的？
膨脹是一個(gè)循環(huán)狀態(tài)的一小部分嗎？在遙遠(yuǎn)的未來(lái)，時(shí)間會(huì)再次循環(huán)回到宇宙最開(kāi)始膨脹的時(shí)候嗎？
這些聽(tīng)起來(lái)有趣、困難有吸引人的問(wèn)題，而且還有一些有趣的可能性。毫無(wú)疑問(wèn)，了解宇宙從何而來(lái)并不止步于對(duì)大爆炸進(jìn)行描述，還需要知道大爆炸從何而來(lái)。如果宇宙起源于爆炸，那么接下來(lái)我們想知道的便是宇宙爆炸的起源。
圖解:膨脹產(chǎn)生的引力波對(duì)宇宙微波背景B模式偏振的貢獻(xiàn)是確切的，但它的振幅則取決于具體的膨脹模型。這些引力波的B模式偏振目前尚未被發(fā)現(xiàn)：這是六大預(yù)測(cè)中唯一一項(xiàng)沒(méi)有明確證據(jù)支持的預(yù)測(cè)。
但我們不知道。我們從宇宙中獲取的信息是受限的，但這也是我們了解宇宙的唯一方式。在我們的宇宙中，還沒(méi)有觀測(cè)到什么東西可以幫助我們區(qū)分這三種可能性。
在我們所有精心建立的模型中（有些已經(jīng)被淘汰），只有最后的10-33秒左右的膨脹能夠真正對(duì)我們的宇宙產(chǎn)生影響。指數(shù)爆炸式的膨脹抹去了之前的痕跡，膨脹使它們遠(yuǎn)離了我們的可觀測(cè)范圍，我們無(wú)法再進(jìn)行觀測(cè)。
圖解:從膨脹結(jié)束到熱爆炸開(kāi)始，我們可以追蹤宇宙的歷史。暗物質(zhì)和暗能量使必需的，但它總是隨著數(shù)據(jù)的更新而改變。需要注意的是，宇宙膨脹從開(kāi)始到最后的10-33秒之間的事情并不在可觀測(cè)宇宙的范圍之中。
我們的可觀測(cè)宇宙是十分廣闊的：
半徑為460億光年，
包含兩萬(wàn)億個(gè)星系，
總數(shù)約為1024顆的恒星，
1080個(gè)原子，
接近1090個(gè)光子。
包括暗物質(zhì)暗物質(zhì)和暗能量在內(nèi)，所有的粒子、反粒子、輻射量子甚至是空間本身，加起來(lái)大約1054千克。
圖解:但這些天文數(shù)字仍舊是有限的。而且，它們并不包含宇宙膨脹到最后一秒之前的信息。大多數(shù)膨脹模型都沒(méi)有可證實(shí)的、可觀測(cè)的有關(guān)于膨脹開(kāi)始的信息，因此我們無(wú)法知曉宇宙如何開(kāi)始，甚至是否擁有一個(gè)開(kāi)端。
關(guān)于基本（復(fù)合）粒子和力的概述目前已經(jīng)為人所知。其中的一些觀點(diǎn)目前仍然只是推測(cè)。如果我們的目標(biāo)是知道宇宙中的每一件事，很不幸我們只有可觀測(cè)宇宙來(lái)觀測(cè)并收集信息。如果關(guān)鍵信息被因宇宙自身的動(dòng)態(tài)性而被掩蓋，這樣的真理于我們而言永遠(yuǎn)是模糊的。
在可觀測(cè)宇宙中，我們可以獲得的信息數(shù)量是有限的，因此我們可以獲得的知識(shí)也是有限的。我們可以獲得的能量、觀察到的粒子、能夠進(jìn)行的觀測(cè)都是有限的。但這不意味著我們已經(jīng)可以停下探索的腳步。我們可以做的，是將知識(shí)的疆域開(kāi)拓得更加廣闊。
還有很多知識(shí)需要學(xué)習(xí)，很多東西需要用科學(xué)去解釋。如果我們繼續(xù)努力下去，當(dāng)下許多未知的謎題在未來(lái)會(huì)得到解答。但可知本身是有限的，因此有些事我們永遠(yuǎn)無(wú)法知曉。也許宇宙本身是無(wú)限的，但我們可以了解的范圍卻并非如此。
作者: Ethan Siegel
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