说到雄心壮志，除了知道宇宙的一切之外，再没有什么别的要求了。这是终极的科学梦想:不仅要尽可能全面和深入地理解支配现实的规律，还要理解从宇宙诞生的那一刻到现在，存在的每一个粒子是如何运动的。

但这个梦想不一定是我们能够实现的，即使有好的设备和理想的观察方法也很难。尽管宇宙如此浩瀚，我们现在和将来能观测到的那部分宇宙仍然是有限的。在我们可观测的宇宙中，粒子的数量是有限的，能量也是有限的，我们能收集到的信息也是有限的。以下是我们所知道的关于知识的科学极限。

大爆炸之后，宇宙几乎完全均匀，充满了物质、能量和辐射，处于快速膨胀状态。随着时间的推移，宇宙不仅形成了元素、原子、团簇和星团，形成了恒星和星系，而且在整个时间里不断膨胀和冷却。无一可与之匹敌，但宇宙并没有教会我们一切，包括(尤其是)最开始的时候。

想想大爆炸，我们今天居住的宇宙是以一种高温高密度的的状态产生并膨胀继而冷却最后形成的。回想一下138亿年前的那个时刻。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，我们能看到的距离也是有限的。

无论宇宙的结构膨胀得有多快，光速有多快，大爆炸以来经过了多少时间，这些性质都不是无限的。因此，我们只能看到有限的距离，可观测的宇宙中只有有限数量的物质。我们能获得的信息是有限的。

以我们的角度来看，可观测的宇宙大小可能有460亿光年，但肯定有更多的不可观测的宇宙，甚至可能是无限的，就像我们的宇宙一样。随着时间的推移，我们将能够看到更多的星系，最终所发现的大概会是我们目前所能看到的星系数量的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。我们所做的并不是徒劳无功。

人类历史上的许多发现使我们能够更好地了解我们周围的宇宙。尽管我们并不知道所有的事情，但有大量的知识来源使我们能够对我们的宇宙得出深远的结论。我们知道宇宙是由物质，能量，辐射等等所组成的。

我们知道在我们的星系中有多少星球(大约4000亿颗)，在整个可见的宇宙中有多少星系(大约2万亿个)。我们知道宇宙是如何聚集成星系群、星系团和超星系团的，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范围，以及宇宙是如何随时间演变的。

重子声学振荡导致的聚集模式的证明了，在一定距离内发现一个星系的可能性取决于暗物质、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，这使我们能够测量哈勃常数、暗物质密度和其他随时间变化的宇宙参数。大规模结构和普朗克数据必须一致。

这个理论在大爆炸和广义相对论的框架下完美地结合在一起，美妙万分。当我们发现一个星系的测量距离与它离我们的明显衰退速度相关时，它提供了一种有趣而革命性的可能性。也许这些星系并不是都在远离我们的位置，而是空间本身的结构在膨胀。

如果是这样的话，那么宇宙不仅会膨胀而且会冷却，因为随着时间的推移，光的波长会被拉伸到越来越低的能量级。我们应该看到一种残留的发光，其特殊性质可以追溯到最早的时代:宇宙微波背景。我们应该看到一个发展的宇宙结构。我们应该发现，最早的气体云应该有特定比例的轻元素，根本不存在重元素。

宇宙膨胀的视觉历史包括被称为大爆炸的高热高密度状态，以及随后宇宙结构的生长和形成。一整套的数据，包括对轻元素和宇宙微波背景的观测，只留下大爆炸作为我们所看到的一切的合理解释。随着宇宙膨胀，它也会冷却，使离子、中性原子、分子、气体云、恒星和星系得以形成。

所有这些预测以及更多关于早期宇宙的预测已经被证实。这形成了现今的宇宙，我们知道我们的宇宙开始于一个更热、更密集、更均匀、更快速膨胀的状态:也就是我们所知道的热大爆炸。

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，我们就能知道所有存在中发生的一切。我们所需要做的就是利用物理定律来推断。但是，当我们天真地推断出宇宙的最初阶段，并将我们所期待的与我们所观察到的进行比较时，就会发现事实并非如此。

如果宇宙的密度稍微高一点，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。我们的宇宙在空间上显得完美而平坦。

这里就有一些很重要的疑问，如果你试着回到宇宙的最开始状态，除非宇宙的初始膨胀率和初始能量密度达到完美的平衡，否则宇宙将会膨胀到湮灭，或者几乎是立即重新折叠，永远不会形成恒星或星系。

除非有什么东西使宇宙各处的温度相同——这是已被证实的东西——宇宙应当在不同的方向会有不同的温度。按照过去的推断，宇宙中原本应该充满了从未被探测到的高能残留。

然而，当我们观察我们的宇宙时，它确实有恒星和星系，各个方向的温度都是一样的，它没有这些高能惨喽。在上图中，我们的现代宇宙到处都有相同的属性(包括温度)，因为它们都起源于一个具有相同属性的区域。在中间的面板中，可以有任意曲率的空间被膨胀到我们今天无法观察到任何曲率的程度，从而解决了平面度问题。而在底部的面板中，原有的高能遗留被膨胀走了，解决了高能遗留的问题。暴胀就是如此解决大爆炸无法单独解释的三大难题的。

这些问题的解决方案是宇宙暴胀理论，它用指数膨胀的空间周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条件。此外，暴涨理论还对我们在宇宙中看到的现象做出了另外六种预测:

在高温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，或者比光更大尺度上的温度/密度波动的存在是可能的。

密度波动是100%绝热和0%等曲率的。

密度波动的范围几乎完全不动，但在大范围上比小范围上的波动幅度稍大。

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。

一个充满原始引力波背景的宇宙，应该会在大爆炸的余辉上留下自己的印记。

前5个已经被证实或在我们的最大观测能力范围内尽可能被证实，而第6个假设仍然难以被观测证实。

宇宙微波背景中的波动，由宇宙背景探测器（大范围）、威尔金森微波各向异性探测器（中等范围）、普朗克（小范围）所测定，不仅与尺度不变的量子波动集一致，而且星等如此之低以至于不可能是从任意的高温高密度状态中产生。水平线代表波动的初始光谱（暴胀），而左右摆动的一段则代表重力、辐射/物质相互作用是如何形成早期的膨胀宇宙的。宇宙微波背景中有一些很关键的证据可以证明暴胀的存在。

但现在我们遇到了一个问题。一个重要的，关乎我们存在的问题。我们可以观察我们的宇宙并运用可得的证据去构建大爆炸的概念，然后再做出新的预测来检测大爆炸的真实性。

关于大爆炸的未被解释的问题是有助于我们完善暴胀理论，从而复制大爆炸理论的成功。解释这些疑问，就能对可观察的后果做出新的预测。

上述所说都是科学成功的光辉实例。但你应该想去得到更多。下一个关于我们起源的问题自然是，宇宙暴胀从何而起？

我们的宇宙历史已经被理论解释的很完美，但仅限于定性阶段。这是通过观测确认宇宙过去的不同阶段所发生的事件，比如最初的星球和星系如何产生，宇宙如何慢慢膨胀，我们才能真正理解我们的宇宙。在热大爆炸之前，遗留下来的痕迹在我们的宇宙中留下了膨胀状态的印记，这为我们测试宇宙历史提供了一种独特的方法。

宇宙暴胀在过去是否是一种永恒状态，也就是说它没有起源一直存在，直到它结束并创造大爆炸的时候？

还是说暴胀是有起源的，在过去的某个有限时间里从一个非暴胀时空中浮现出来？

亦或是说暴胀是一个循环状态中的一小部分，遥远的未来宇宙会再次经历一次暴胀？

这些问题听起来很有趣、很困难、也很有说服力，而且还引发了一些有趣的可能性。当然，知道我们的宇宙从何而来不仅仅是描述大爆炸，还要知道大爆炸从何而来。如果起源是暴胀，那么我们就想知道暴胀从何而来。

暴胀产生的引力波残留对宇宙微波背景中B模式偏振的贡献是已知的，但它的振幅取决于某一个特定的暴胀模型。这些来自暴胀的引力波中的B模式尚未被观测到，这也是暴胀六大预测中唯一一项没有有力观测数据支持的预测。

但我们无从得知。这就是我们被宇宙中的信息基本限制的地方，也是我们了解宇宙本身的唯一途径。在我们的宇宙中，我们所观察到的任何事物，都无法让我们区分这三种可能性。

除了最精心设计的暴胀模型(其中一些已经被排除了)，在所有的模型中，只有最后10^-33秒左右的暴胀才会影响我们的宇宙。暴胀以指数级发展，抹去了之前发生的任何信息，将它与我们所能观察到的任何东西分离开来，因为关键信息已经膨胀至我们的可观测宇宙之外的地方。

我们可以从暴胀结束和热大爆炸开始这两者中描绘出宇宙的历史。暗物质和暗能量是如今宇宙的必需成分，但它们何时产生尚无定论。我们对宇宙如何起源有一个普遍的观点，但时常因为更详实优秀的数据出现而被修正。值得注意的是，暴胀的开端或是暴胀结束前10-33的任何信息，皆不存在于我们的可观测宇宙中。

留给我们的只是一个庞大的宇宙

• 半径为 460亿光年
• 包含约2万亿个星系
• 总计约10²⁴个恒星
• 10⁸⁰个原子
• 还有约10⁹⁰个光子

在所有粒子，反粒子，辐射量子，甚至在真空中所包含的能量总量约为1054千克，其中包括暗物质和暗能量

但这些天文数字般的数量仍是有限的。此外，他们并不包含暴胀前期宇宙的任何信息。大多数可行的暴胀模型都没有可测试，可观察的暴胀开端标志，因此我们无从得知宇宙如何产生。

目前已知的对基本初等（和复合）粒子及力的概述中。提出的一些想法仍然是推测性的。如果我们的目标是对我们的宇宙无所不知，那么不幸的是我们只有自己的宇宙以供观察并取得信息。假如必要的标志已被宇宙自身的运动消除，那么我们可能永远也无法得知真相。

我们在宇宙中所能获得的信息总量是有限的，同理可得我们所能获得的知识也是如此。我们所用的能量，可供观察的粒子，能做出的测量都是有限度的。但这不代表着我们已经歇业大吉，或是不再去想着学习我们完全可获得的知识。我们应当尽可能的将自己的知识提升，越多越好。

要学的还有很多，科学未揭示的也有很多。只要我们继续下去，现在的未知之物在不久的将来也有可能变成已知之物。但可知的是有限的，预示着有些事情我们也许永远无法得知。宇宙也许是无限的，但我们对它的认识永远不会是无限的。

作者: Ethan Siegel

FY: Tommy谢

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