面对宇宙，我们已经了解甚多，却永不可能全知全能。

对无限宇宙谜题，虽无法知其全貌，也须上下而求索

如图是各种长时间曝光的活动，上图所示为哈勃极端深空视场(XDF)，展示了宇宙中成千上万的星系，而这些星系只占天空百万分之一的一部分。但即使有哈勃的全部力量和引力透镜的极致放大，仍然有处于我们可观测范围之外的星系，也仍然有我们无法收集到的信息。（美国航天局，欧洲航天局，H.特普利茨和M.拉夫斯基（H. Teplitz和M. Rafelski,来自美国航天局红外处理分析中心/加州理工学院)，A.考克曼(A.Koekemoer,来自太空望远镜科学研究所)，R.温德霍斯特(R. Windhorst,来自亚利桑那州立大学)，和Z.列维(Z. Levay,来自太空望远镜科学研究所)）

要说人类的雄心壮志，莫过于想要知道宇宙的一切。终极的科学梦想是:不仅要尽可能全面和深入地理解控制现实的规律，而且要了解从宇宙诞生的那一刻到现在为止，存在的每一个粒子是如何运动的。

即使有好的设备和理想的观察方法可以任意使用，这个梦想也不一定是我们能够实现的。尽管宇宙浩瀚无垠，但无论现在还是将来，我们所能观测到的部分仍然是有限的。在可观测宇宙中，粒子数量和能量是有限的，我们能收集到的信息也是有限的。下述是我们所能了解的知识极限。

大爆炸之后，宇宙几乎是完全均衡的，它被物质、能量和辐射充满，处于快速膨胀状态。随着时间的推移，宇宙中形成了元素、原子和团簇，接着形成了恒星和星系，而且一直在不断膨胀和冷却。这些是确定的，但这并不能告诉我们一切，比如(尤其是)诞生之初的宇宙。(美国航天局/戈达德太空飞行中心)

想想大爆炸，我们今天居住的宇宙是由一种热的、稠密的状态通过膨胀和冷却形成的。138亿年前的那个时刻太过遥远，即使空间本身的结构在膨胀，即使光可以以终极宇宙速度(光速)穿过空间，然而我们能看到的距离是有限的。

无论空间结构膨胀得有多快、光速有多快、大爆炸以来经历了多少时间，都不是无限的。因此，我们只能看到有限的距离，可视宇宙中物质数量有限。我们能获取的信息是有限的。

从我们的角度来看，可观测宇宙在各个方向上可能有460亿光年，但肯定有更多不可观测的宇宙，甚至可能是无限多的，就像我们的宇宙一样。随着时间的推移，我们将能看到更多的星系，最终会发现我们目前所观测到的星系的大约2.3倍。即使是我们从未见过的部分，也有我们想了解的东西。而这看起来也不像是毫无结果的科学努力。(弗雷德里克.米歇尔和安德鲁.Z.科尔文，由伊桑.西格尔注解)

人类历史上的许多发现使我们能够更好地了解宇宙。尽管我们并不知道一切，但有大量的知识来源帮助我们对宇宙得出深远的结论。我们知道它是由物质，能量，辐射等组成的。

我们知道在我们的星系中有多少恒星(大约4000亿颗)，在整个可视宇宙中又有多少星系(大约2万亿)。我们知道宇宙是如何聚集成星系群、星系团和丝带的，也知道它们是如何被巨大的宇宙空间分隔开的。我们知道定义这些结构的宇宙距离尺度，也知道宇宙如何随时间演变。

聚集模式是由重子声学振荡导致的一个例证是：在任何星系的一定距离处发现另一个星系的可能性要取决于暗物质、正常物质和包括中微子在内的所有类型辐射之间的关系。当宇宙膨胀时，这个特征距离也会膨胀，这样我们就能够测量哈勃常数、暗物质密度和其他随时间变化的宇宙参数。大尺度结构和普朗克数据也必须一致。 (佐莎.罗斯托米安ZOSIA ROSTOMIAN)

在大爆炸和广义相对论的框架下，这些知识完美地结合在一起，讲述了一个非凡的故事。当我们发现一个星系的测量距离与它相对我们的明显退行速度有关系时，也发现了一种有趣而具革命性的可能。也许并不是这些星系都在远离我们，而是空间本身的结构在膨胀。

如果是这样的话，那么宇宙不仅仅会膨胀，也会冷却，因为随着时间的推移，光的波长会被拉伸到能量越来越低的状态。我们可能会看到残留的辉光，其特殊性质可以追溯到最早的时期:宇宙微波背景之下。我们可能会发现一个不断进化的宇宙结构网。我们也可能会发现，最早的气体云中可能有特定比例的轻元素，根本不存在重元素。

宇宙膨胀的可视历史包括被称为大爆炸的热而稠密的状态，以及随后结构的生长和形成。包括对轻元素和宇宙微波背景的观测的整套数据中，唯有大爆炸能合理解释我们所观测到的一切。随着膨胀，宇宙也会冷却，使离子、中性原子、最终形成分子、气体云、恒星和星系得以形成。(美国航天局 / 钱德拉X射线望远镜中心 / M.韦斯M. WEISS)

所有上述预测和更多关于早期宇宙的预测已被证实。从而，对于宇宙事物的现有认识是，我们知道宇宙起始于一个更热、更密集、更均匀、更快速膨胀的状态：即所知的热大爆炸。

因此，人们很容易认为大爆炸就是宇宙的开端。你可能会想，如果我们能理解宇宙的起源，以及支配现实的法则，我们就能知道存在的所有事物中发生的一切。我们所要做的就是利用物理定律进行推断。但当我们天真地推测出宇宙的最初阶段，并将我们所期待的与我们所观察到的进行比较时，就会发现一些重要的意外情况。

如果宇宙的密度稍微高一点(红色线)，它就已经重新坍缩了；如果它的密度稍微低一点，它就会膨胀得更快，变得更大。大爆炸本身并没有解释为什么宇宙诞生时的初始膨胀率如此完美地平衡了总能量密度，根本没有给空间曲率留下空间。我们的宇宙表现出完美的平面空间。(奈德.莱特的宇宙学教程)

你看，如果试图一直回溯到宇宙最初的任意热、稠密的状态，就有几个重要的问题：

宇宙本应膨胀到湮灭状态，或几乎立即重新坍缩，永远不会形成恒星或星系，除非宇宙的初始膨胀率和初始能量密度达到完美的平衡。

宇宙本应在不同的方向有不同的温度，但并没有观测到这一状况，除非有什么东西导致宇宙各处的温度相同。

3、宇宙本应充满了从未被探测到的高能量遗迹，这是从前武断地推测历史的结果。

然而，当我们观察我们的宇宙时，它确实存在恒星和星系，各个方向的温度都相同，也没有高能量遗迹。

最上面的图表示，我们的现代宇宙每处的特性都相同(包括温度)，因为它们都起源于一个具有相同特性的区域。中间的图表示，本应有任意曲率的空间被膨胀到如今无法观察到任何曲率的程度，从而解决了平面度的问题。而在底部的图表示，原有的高能量遗迹被膨胀消失，解决了高能量遗迹的问题。这就回答了膨胀是如何解决了用大爆炸无法单独解释的三大难题。(E.西格尔/星系之外)

解决这些疑问的是宇宙膨胀理论，它用指数膨胀的空间时期取代了奇点的概念，并预测了大爆炸本身无法预测的初始情况。此外，膨胀理论还预测了六种我们在宇宙中将会看到的现象:

在热大爆炸中达到的最高温度远低于普朗克能量尺度。

自宇宙大爆炸以来，超视界的波动，或者比光更大尺度的温度/密度波动可能一直存在。

3、密度波动的性质是100%绝热和0%等曲率性质。

4、几乎完全尺度不变的密度波动，在大尺度上比小尺度上的波动幅度稍大。

5、一个近乎完美的平坦宇宙，量子效应产生的曲率在0.01%或以下。

6、一个充满原始引力波背景的宇宙，应该在大爆炸的余辉上留下自己的印记。

我们尽最大的观测能力已经确认了前5个预测，但第六个预测仍然低于我们的检测阈值。

通过宇宙背景探测器COBE(在大尺度上)、威尔金森微波各向异性探测器WMAP(在中等尺度上)和普朗克Planck(在小尺度上)的探测，宇宙微波背景的波动都是吻合的，不是仅仅从一组尺度不变的量子波动产生的，但由于它们的量级如此之低，它们不可能产生于一个任意热的，稠密的状态。水平线表示波动的初始光谱(来自膨胀)，而波动线表示重力和辐射/物质的相互作用是如何在早期形成膨胀的宇宙。宇宙微波背景存在一些支持宇宙膨胀的最有力证据。(美国航天局 / 威尔金森微波各向异性探测器科学团队)

但是现在，我们遇到了一个问题。这是一个有关存在的大问题，但并不迫切，直到我们想要了解一切有关存在的事物。如今我们能够观察我们周围的宇宙并利用现有的证据来构建大爆炸的概念，然后自己做出新的预测来验证大爆炸。

大爆炸中未解的问题和无法解释的困惑为我们发展宇宙膨胀理论提供了基础，宇宙膨胀理论再现了大爆炸理论的成功，解释了这些谜题，其后它本身又做出了新的预测，并且有可观测的结果。

这一切都是科学成就的惊人例子。但它会让人想要了解更多。下一个关于我们起源的合乎逻辑的问题自然是:宇宙膨胀从何而来?

我们整个宇宙的历史在理论上很容易理解，但只是定性的。只有通过观测确认和揭示宇宙过去的各个阶段，比如第一批恒星和星系形成的时间，以及宇宙是如何随着时间的推移而膨胀的，我们才能真正理解宇宙。在热大爆炸之前，膨胀状态遗留信号在我们的宇宙中留下了印记，这为我们检验宇宙历史提供了一种独特的方法。(妮可.罗杰.富勒NICOLE RAGER FULLER / 美国国家科学基金会)

·宇宙膨胀相对过去来说是一种永恒的状态吗？它没有起源，一直存在，直到结束并创造了大爆炸的那一刻？

·宇宙膨胀是一种有起点的暂时性状态吗？在过去某个有限时间里，它从一个非膨胀的时空中产生？

·宇宙膨胀是一个循环状态的一小部分吗？在这个循环状态中，时间会从某个宇宙将再次开始膨胀的未来循环回到自身？

这些问题听起来很有趣、很困难、也很有说服力，还有一些有趣的可能性。当然，知道我们的宇宙从何而来不仅仅要说明爆炸，还要知道大爆炸从何而来。如果答案是宇宙膨胀，那么我们就想要知道宇宙膨胀从何而来。

膨胀产生的引力波对宇宙微波背景B型极化的贡献有一个已知的形状，但它的振幅取决于具体的膨胀模型。这些膨胀产生的引力波的B型模式尚未被观测到：也是膨胀理论的六种主要预测中唯一没有有力观测证据支持的。(普朗克科学团队)

但我们不可能知道宇宙膨胀从何而来。宇宙中包含的有限信息限制了我们，而这些信息是我们了解宇宙本身的唯一途径。在我们的宇宙中所能观察到的任何事物都无法让我们把上述的三种宇宙膨胀的可能假设区分开。

除了最精心设计的膨胀模型(其中一些已经被排除了)，在所有设计的模型中，只有最后的10-33秒左右的膨胀才会影响我们的宇宙。膨胀的指数性质抹去了之前发生的任何信息，将其与我们所能观察到的一切事物分离开，膨胀到可视宇宙之外了。

从膨胀的结束和热大爆炸的开始，我们可以追溯我们的宇宙历史。如今认为这个过程需要暗物质和暗能量，但它们是什么时候产生的还没有确定。这是关于我们的宇宙是如何起源的普遍观点，但它会一直受到更多更好的数据的修正。要注意，膨胀的开始，或任何关于膨胀的最后10^-33秒之前的信息，不再存在于我们可观测的宇宙中。(E.西格尔，影像来源于欧洲航天局/普朗克、美国能源署/航天局/国家科学基金会宇宙微波背景研究跨部门特别小组)

除了那些被膨胀到无法观测的信息，剩下的是一个巨大的可观测宇宙:

·半径460亿光年，

·包含大约2万亿个星系，

·总共大约102⁴颗星球,

·10⁸⁰个原子，

·近10⁹⁰个光子。

包括暗物质和暗能量在内，所有粒子、反粒子、辐射量子，甚至是真空本身的总能量加起来约为1054千克。

但这些天文数字仍然是有限的。此外，它们不包含关于宇宙在最后一秒的微小膨胀之前发生的信息。大多数可行的膨胀模型都不会留下可测试的、可观察到的膨胀开始的信号，因此我们无法知道宇宙是如何——甚至是否——起始。

基本的初级(和复合)粒子和力的概况是目前已知的。这里提出的一些想法仍然是推测性的。如果我们的目标是了解宇宙的一切，很不幸，我们只能通过观察自己的宇宙来获取这些信息。如果一个了解真理所必需的信号被宇宙本身的动态抹去了，这样的真理对我们来说可能永远是模糊的了。(维基共享用户HEADBOMB)

我们从宇宙中能获得的信息总量是有限的，因此，我们所能获得的知识总量也是有限的。我们能获得的能量是有限的，我们能观察到的粒子是有限的，我们能进行的测量也是有限的。但这并不意味着我们已经完成了一切，或者我们不必努力了解目前绝对可以学习的一切。我们能做的是把知识的疆域推得尽可能远。

还有很多东西需要了解，还有很多东西需要科学去揭示。如果我们继续观察下去，许多目前的未知可能在不久的将来就会消失。而可知的是有限的，这就意味着必然有一些事情我们可能永远也不会知道。宇宙也许是无限的，但我们对它的认识永远不会是无限的。

BY: Ethan Siegel

FY: Kylin

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