能夠完全了解宇宙的每一件事是我們求知路上的極限了。這是科學的終極夢想：不僅僅是盡可能完全與深入地了解現實世界的運行法則，還要了解從宇宙誕生到現在每一個存在的粒子是如何運動的。
即使我們擁有足夠好的設備和足夠理想的觀測方法，這個夢想也未必能夠實現。宇宙廣闊無垠，現在及將來我們能夠觀測到的部分仍是有限部分的宇宙。我們觀測到的這部分宇宙中的粒子與能量現狀是有限的，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于知識科學的極限。
圖解:大爆炸之后，宇宙充滿了物質、能量和輻射，基本是完全平均的，并且處于快速膨脹的狀態。隨著時間流逝，宇宙不僅僅是形成了元素、原子、團簇和星團、恒星和星系，同時也在膨脹與冷卻。沒什么可以與這一過程相匹敵，但它實際上并沒有教會我們什么，包括（尤其是）它的開端。（NASA/GSFC）
想一想大爆炸，事實是我們生存的這個宇宙起始于一個熱并混沌的狀態，并逐漸膨脹與冷卻。回想一下138億年前的那個瞬間。即使宇宙本身的結構在膨脹，即使光仍能以光速穿過宇宙，我們能看到的距離始終是有限的。
無論宇宙結構的膨脹速度有多快，無論光速有多快，無論大爆炸已經過去了多久，這些屬性沒有一項是無限的。然而，我們只能看到有限遠的距離，在我們可觀測的宇宙中，也只會包含有限的事物。我們可以得到的信息數量終究是有限的。
圖解:以地球為中心往外發散460億光年就是可觀測宇宙的范圍，但無法觀測的宇宙的范圍顯然更加廣闊，甚至是無窮大的，就像我們的可觀測宇宙一樣。假以時日，我們將有能力觀測到宇宙更多的部分，會有大約2.3倍于當前已發現數量的星系被揭示。我們尚未發現的部分中，同樣有我們想了解的事情。這看起來并不像一場徒勞無功的事關科學的努力。
歷史上的許多發現都幫助我們更好的理解我們所在的宇宙。盡管我們無法知道所有事， 但大量的知識源可以幫助我們對宇宙做更深入的解釋。我們知道它是由物質、能量、輻射等構成的。
我們知道銀河系中目前有多少恒星（大約4000億顆）、可觀測宇宙中目前有多少星系（大約2萬億個）。我們知道星系群、星團和暗條是如何形成的，現在它們被浩瀚的宇宙空間隔開，相距甚遠。
圖解:天體聚集模式的一個例子是重子聲振動：是否可以在某個確定的距離范圍內發現一個星系，取決于暗物質、正常物質以及包括中微子在內的所有類型輻射之間的關系。隨著宇宙膨脹，這一距離范圍也在不斷擴大，這使得我們能夠測量哈勃常數、暗物質密度和其他隨時間變化的宇宙參數。大規模結構必須符合普朗克數據。
值得注意的事情是，所有的一切都與大爆炸和相對論的理論框架相契合。當我們發現，一個星系的測量距離符合它的退行速度，一個耐人尋味且革命性的可能性便出現了。也許星系們并不都是在遠離我們，空間結構本身就在膨脹。
如果事實果真如此，宇宙在膨脹的同時還在冷卻，那么光的波長會被拉伸，其能量也會隨著時間的推移而降低。我們應該會看到殘余的光：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候。我們應該看到一個正在進化的宇宙結構網，看到最早的包含一定比例輕元素卻完全沒有重元素的的氣體云。
圖解:已知的關于膨脹宇宙的歷史，包括被稱為大爆炸的熱與混沌的狀態、宇宙結構的形成。全部的數據包括輕元素的觀測和宇宙微波背景，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)
所有的這些預測和其他更多關于早期宇宙的預測已經被證實。宇宙正是因此發展到當下的狀態，我們知道宇宙始于一個比現在更熱、密度更大、更均勻、擴張速度更快的狀態：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論：大爆炸是宇宙的起源。接下來，你可能會認為，如果我們知道了宇宙的發端，自然的法則，我們就能知道宇宙中發生過的所有事。我們只要利用物理規律去推斷即可。但是，當我們嘗試使用物理規律去追溯宇宙最初的階段，并將結果與我們的觀測結果進行比對時，發現現實并非我們想象的那樣。
圖解:如果宇宙的密度稍大一點，它應該早已開始收縮，如果小一點，則膨脹的速度應該更快并且更大。大爆炸本身無法解釋，我們不知道為什么宇宙誕生的那個瞬間，最開始的膨脹率可以如此完美地平衡總能量密度，完全沒有為空間曲率留下空間。我們的宇宙展現了一個非常完美的空間平場。
宇宙會膨脹，直到它湮沒，或者立即塌縮，不會形成恒星或星系，除非它最開始的膨脹率和初始能量密度達到完美的平衡。
宇宙在不同的方向應該有不同的溫度——在觀測結果中并沒有這一現象——除非有什么導致了宇宙在各個角落的溫度都相同。
宇宙中應該充滿了從未被檢測到的高能遺跡，這便是我們武斷使用物理規則推斷過去地到的結果。
實際上，當我們抬頭仰望我們的宇宙，恒星與星系確實存在，宇宙中的每一個地方確實都有相同的溫度，而且并沒有什么高能遺跡。
圖解:第一，我們的宇宙確實擁有一些“放眼宇宙皆準”的屬性（包括溫度），因為這些屬性都起源于同一個區域。第二，可以擁有任意曲率的空間已經膨脹到我們無法觀測到任何曲率，這解釋了為什么空間這么平坦的問題。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題。膨脹就是這樣解釋了這三個大爆炸無法解釋的問題。
解釋這三個問題的就是宇宙膨脹理論，這一理論用宇宙指數級膨脹時期代替了奇點，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個關于宇宙的猜想：
熱大爆炸中的最高溫度是在普朗克能量尺度之下的。
大爆炸發生以來，有可能發生超視界波動或溫度/密度的波動范圍大于光等情況。
在自然中，密度波動時100%絕熱與0%等溫的。
尺度幾乎不變的密度波動，在較大尺度中的波動幅度要比在較小尺度中的要大一些。
一個近乎完美的平場宇宙，在量子效應的影響下，會產生千分之一級別甚至更低的曲率。
一個擁有原始引力波背景的宇宙，應該在大爆炸后的宇宙微波背景中留下痕跡。
六個猜想當中的前五個已經被證實或驗證，與觀測結果相符合，第六個猜想則仍與觀測結果偏離。
圖解:無論使用宇宙背景探測器（大范圍尺度）、威爾金森微波各向異性探測器（中間尺度）還是普朗克（小尺度）測量，宇宙微波背景中的波動都是一致的，不僅僅與尺度不變的量子波動一致，而且量級非常低，不是任意一個熱并混沌的狀態都能產生這種現象。水平線表示初始波動的光譜（來自爆脹），左右搖擺的曲線則表示重力和輻射/物質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有力的證據。
關于大爆炸的尚無答案的問題與沒有解釋的謎題為我們發展宇宙膨脹理論鋪平了道路，它成功復制了大爆炸，解釋了這些謎題，并且對可觀測的現象做了新的預測。
所有這一切都是有關科學的勝利的一個引人注目的例子。但它應該會讓你想要獲得更多。下一個有關我們起源的合乎邏輯的問題是：宇宙膨脹從何而來？
圖解:我們已經可以較好的理解整個宇宙的歷史，但僅僅是在定性的角度。根據觀測確認和揭示宇宙過去的一定經歷過的各個階段，比如第一顆恒星、第一個星系是如何形成的，了解宇宙是如何隨時間膨脹的，可以讓我們真正理解我們的宇宙。熱大爆炸之前，宇宙的膨脹狀態留下了痕跡，這為我們測試我們宇宙的歷史留下了一個獨特的方法。
膨脹是一個有起點的臨時的狀態嗎？在過去的某個時間點，它是如何從一個非膨脹的空間時間里開始的？
膨脹是一個循環狀態的一小部分嗎？在遙遠的未來，時間會再次循環回到宇宙最開始膨脹的時候嗎？
這些聽起來有趣、困難有吸引人的問題，而且還有一些有趣的可能性。毫無疑問，了解宇宙從何而來并不止步于對大爆炸進行描述，還需要知道大爆炸從何而來。如果宇宙起源于爆炸，那么接下來我們想知道的便是宇宙爆炸的起源。
圖解:膨脹產生的引力波對宇宙微波背景B模式偏振的貢獻是確切的，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現：這是六大預測中唯一一項沒有明確證據支持的預測。
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，還沒有觀測到什么東西可以幫助我們區分這三種可能性。
在我們所有精心建立的模型中（有些已經被淘汰），只有最后的10-33秒左右的膨脹能夠真正對我們的宇宙產生影響。指數爆炸式的膨脹抹去了之前的痕跡，膨脹使它們遠離了我們的可觀測范圍，我們無法再進行觀測。
圖解:從膨脹結束到熱爆炸開始，我們可以追蹤宇宙的歷史。暗物質和暗能量使必需的，但它總是隨著數據的更新而改變。需要注意的是，宇宙膨脹從開始到最后的10-33秒之間的事情并不在可觀測宇宙的范圍之中。
我們的可觀測宇宙是十分廣闊的：
半徑為460億光年，
包含兩萬億個星系，
總數約為1024顆的恒星，
1080個原子，
接近1090個光子。
包括暗物質暗物質和暗能量在內，所有的粒子、反粒子、輻射量子甚至是空間本身，加起來大約1054千克。
圖解:但這些天文數字仍舊是有限的。而且，它們并不包含宇宙膨脹到最后一秒之前的信息。大多數膨脹模型都沒有可證實的、可觀測的有關于膨脹開始的信息，因此我們無法知曉宇宙如何開始，甚至是否擁有一個開端。
關于基本（復合）粒子和力的概述目前已經為人所知。其中的一些觀點目前仍然只是推測。如果我們的目標是知道宇宙中的每一件事，很不幸我們只有可觀測宇宙來觀測并收集信息。如果關鍵信息被因宇宙自身的動態性而被掩蓋，這樣的真理于我們而言永遠是模糊的。
在可觀測宇宙中，我們可以獲得的信息數量是有限的，因此我們可以獲得的知識也是有限的。我們可以獲得的能量、觀察到的粒子、能夠進行的觀測都是有限的。但這不意味著我們已經可以停下探索的腳步。我們可以做的，是將知識的疆域開拓得更加廣闊。
還有很多知識需要學習，很多東西需要用科學去解釋。如果我們繼續努力下去，當下許多未知的謎題在未來會得到解答。但可知本身是有限的，因此有些事我們永遠無法知曉。也許宇宙本身是無限的，但我們可以了解的范圍卻并非如此。
作者: Ethan Siegel
