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這就是為什麼我們永遠不可能知道宇宙的一切的原因
如圖是各種長時間曝光的活動，上圖所示為哈勃極端深空視場(XDF)，展示了宇宙中成千上萬的星系，而這些星系只佔天空百萬分之一的一部分。但即使有哈勃的全部力量和引力透鏡的極致放大，仍然有處於我們可觀測範圍之外的星系，也仍然有我們無法收集到的信息。（美國航天局，歐洲航天局，H.特普利茨和M.拉夫斯基（H. Teplitz和M. Rafelski,來自美國航天局紅外處理分析中心/加州理工學院)，A.考克曼(A.Koekemoer,來自太空望遠鏡科學研究所)，R.溫德霍斯特(R. Windhorst,來自亞利桑那州立大學)，和Z.列維(Z. Levay,來自太空望遠鏡科學研究所)）
要說人類的雄心壯志，莫過於想要知道宇宙的一切。終極的科學夢想是:不僅要儘可能全面和深入地理解控制現實的規律，而且要了解從宇宙誕生的那一刻到現在為止，存在的每一個粒子是如何運動的。
即使有好的設備和理想的觀察方法可以任意使用，這個夢想也不一定是我們能夠實現的。儘管宇宙浩瀚無垠，但無論現在還是將來，我們所能觀測到的部分仍然是有限的。在可觀測宇宙中，粒子數量和能量是有限的，我們能收集到的信息也是有限的。下述是我們所能了解的知識極限。
大爆炸之後，宇宙幾乎是完全均衡的，它被物質、能量和輻射充滿，處於快速膨脹狀態。隨著時間的推移，宇宙中形成了元素、原子和團簇，接著形成了恆星和星系，而且一直在不斷膨脹和冷卻。這些是確定的，但這並不能告訴我們一切，比如(尤其是)誕生之初的宇宙。(美國航天局/戈達德太空飛行中心)
想想大爆炸，我們今天居住的宇宙是由一種熱的、稠密的狀態通過膨脹和冷卻形成的。138億年前的那個時刻太過遙遠，即使空間本身的結構在膨脹，即使光可以以終極宇宙速度(光速)穿過空間，然而我們能看到的距離是有限的。
無論空間結構膨脹得有多快、光速有多快、大爆炸以來經歷了多少時間，都不是無限的。因此，我們只能看到有限的距離，可視宇宙中物質數量有限。我們能獲取的信息是有限的。
從我們的角度來看，可觀測宇宙在各個方向上可能有460億光年，但肯定有更多不可觀測的宇宙，甚至可能是無限多的，就像我們的宇宙一樣。隨著時間的推移，我們將能看到更多的星系，最終會發現我們目前所觀測到的星系的大約2.3倍。即使是我們從未見過的部分，也有我們想了解的東西。而這看起來也不像是毫無結果的科學努力。(弗雷德裡克.米歇爾和安德魯.Z.科爾文，由伊桑.西格爾註解)
人類歷史上的許多發現使我們能夠更好地了解宇宙。儘管我們並不知道一切，但有大量的知識來源幫助我們對宇宙得出深遠的結論。我們知道它是由物質，能量，輻射等組成的。
我們知道在我們的星系中有多少恆星(大約4000億顆)，在整個可視宇宙中又有多少星系(大約2萬億)。我們知道宇宙是如何聚集成星系群、星系團和絲帶的，也知道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構的宇宙距離尺度，也知道宇宙如何隨時間演變。
聚集模式是由重子聲學振蕩導致的一個例證是：在任何星系的一定距離處發現另一個星系的可能性要取決於暗物質、正常物質和包括中微子在內的所有類型輻射之間的關係。當宇宙膨脹時，這個特徵距離也會膨脹，這樣我們就能夠測量哈勃常數、暗物質密度和其他隨時間變化的宇宙參數。大尺度結構和普朗克數據也必須一致。 (佐莎.羅斯託米安ZOSIA ROSTOMIAN)
在大爆炸和廣義相對論的框架下，這些知識完美地結合在一起，講述了一個非凡的故事。當我們發現一個星系的測量距離與它相對我們的明顯退行速度有關係時，也發現了一種有趣而具革命性的可能。也許並不是這些星系都在遠離我們，而是空間本身的結構在膨脹。
如果是這樣的話，那麼宇宙不僅僅會膨脹，也會冷卻，因為隨著時間的推移，光的波長會被拉伸到能量越來越低的狀態。我們可能會看到殘留的輝光，其特殊性質可以追溯到最早的時期:宇宙微波背景之下。我們可能會發現一個不斷進化的宇宙結構網。我們也可能會發現，最早的氣體雲中可能有特定比例的輕元素，根本不存在重元素。
宇宙膨脹的可視歷史包括被稱為大爆炸的熱而稠密的狀態，以及隨後結構的生長和形成。包括對輕元素和宇宙微波背景的觀測的整套數據中，唯有大爆炸能合理解釋我們所觀測到的一切。隨著膨脹，宇宙也會冷卻，使離子、中性原子、最終形成分子、氣體雲、恆星和星系得以形成。(美國航天局 / 錢德拉X射線望遠鏡中心 / M.韋斯M. WEISS)
所有上述預測和更多關於早期宇宙的預測已被證實。從而，對於宇宙事物的現有認識是，我們知道宇宙起始於一個更熱、更密集、更均勻、更快速膨脹的狀態：即所知的熱大爆炸。
因此，人們很容易認為大爆炸就是宇宙的開端。你可能會想，如果我們能理解宇宙的起源，以及支配現實的法則，我們就能知道存在的所有事物中發生的一切。我們所要做的就是利用物理定律進行推斷。但當我們天真地推測出宇宙的最初階段，並將我們所期待的與我們所觀察到的進行比較時，就會發現一些重要的意外情況。
如果宇宙的密度稍微高一點(紅色線)，它就已經重新坍縮了；如果它的密度稍微低一點，它就會膨脹得更快，變得更大。大爆炸本身並沒有解釋為什麼宇宙誕生時的初始膨脹率如此完美地平衡了總能量密度，根本沒有給空間曲率留下空間。我們的宇宙表現出完美的平面空間。(奈德.萊特的宇宙學教程)
你看，如果試圖一直回溯到宇宙最初的任意熱、稠密的狀態，就有幾個重要的問題：
宇宙本應膨脹到湮滅狀態，或幾乎立即重新坍縮，永遠不會形成恆星或星系，除非宇宙的初始膨脹率和初始能量密度達到完美的平衡。
宇宙本應在不同的方向有不同的溫度，但並沒有觀測到這一狀況，除非有什麼東西導致宇宙各處的溫度相同。
3、宇宙本應充滿了從未被探測到的高能量遺蹟，這是從前武斷地推測歷史的結果。
然而，當我們觀察我們的宇宙時，它確實存在恆星和星系，各個方向的溫度都相同，也沒有高能量遺蹟。
最上面的圖表示，我們的現代宇宙每處的特性都相同(包括溫度)，因為它們都起源於一個具有相同特性的區域。中間的圖表示，本應有任意曲率的空間被膨脹到如今無法觀察到任何曲率的程度，從而解決了平面度的問題。而在底部的圖表示，原有的高能量遺蹟被膨脹消失，解決了高能量遺蹟的問題。這就回答了膨脹是如何解決了用大爆炸無法單獨解釋的三大難題。(E.西格爾/星系之外)
解決這些疑問的是宇宙膨脹理論，它用指數膨脹的空間時期取代了奇點的概念，並預測了大爆炸本身無法預測的初始情況。此外，膨脹理論還預測了六種我們在宇宙中將會看到的現象:
在熱大爆炸中達到的最高溫度遠低於普朗克能量尺度。
自宇宙大爆炸以來，超視界的波動，或者比光更大尺度的溫度/密度波動可能一直存在。
3、密度波動的性質是100%絕熱和0%等曲率性質。
4、幾乎完全尺度不變的密度波動，在大尺度上比小尺度上的波動幅度稍大。
5、一個近乎完美的平坦宇宙，量子效應產生的曲率在0.01%或以下。
6、一個充滿原始引力波背景的宇宙，應該在大爆炸的餘輝上留下自己的印記。
我們盡最大的觀測能力已經確認了前5個預測，但第六個預測仍然低於我們的檢測閾值。
通過宇宙背景探測器COBE(在大尺度上)、威爾金森微波各向異性探測器WMAP(在中等尺度上)和普朗克Planck(在小尺度上)的探測，宇宙微波背景的波動都是吻合的，不是僅僅從一組尺度不變的量子波動產生的，但由於它們的量級如此之低，它們不可能產生於一個任意熱的，稠密的狀態。水平線表示波動的初始光譜(來自膨脹)，而波動線表示重力和輻射/物質的相互作用是如何在早期形成膨脹的宇宙。宇宙微波背景存在一些支持宇宙膨脹的最有力證據。(美國航天局 / 威爾金森微波各向異性探測器科學團隊)
但是現在，我們遇到了一個問題。這是一個有關存在的大問題，但並不迫切，直到我們想要了解一切有關存在的事物。如今我們能夠觀察我們周圍的宇宙並利用現有的證據來構建大爆炸的概念，然後自己做出新的預測來驗證大爆炸。
大爆炸中未解的問題和無法解釋的困惑為我們發展宇宙膨脹理論提供了基礎，宇宙膨脹理論再現了大爆炸理論的成功，解釋了這些謎題，其後它本身又做出了新的預測，並且有可觀測的結果。
這一切都是科學成就的驚人例子。但它會讓人想要了解更多。下一個關於我們起源的合乎邏輯的問題自然是:宇宙膨脹從何而來?
我們整個宇宙的歷史在理論上很容易理解，但只是定性的。只有通過觀測確認和揭示宇宙過去的各個階段，比如第一批恆星和星系形成的時間，以及宇宙是如何隨著時間的推移而膨脹的，我們才能真正理解宇宙。在熱大爆炸之前，膨脹狀態遺留信號在我們的宇宙中留下了印記，這為我們檢驗宇宙歷史提供了一種獨特的方法。(妮可.羅傑.富勒NICOLE RAGER FULLER / 美國國家科學基金會)
·宇宙膨脹相對過去來說是一種永恆的狀態嗎？它沒有起源，一直存在，直到結束並創造了大爆炸的那一刻？
·宇宙膨脹是一種有起點的暫時性狀態嗎？在過去某個有限時間裡，它從一個非膨脹的時空中產生？
·宇宙膨脹是一個循環狀態的一小部分嗎？在這個循環狀態中，時間會從某個宇宙將再次開始膨脹的未來循環回到自身？
這些問題聽起來很有趣、很困難、也很有說服力，還有一些有趣的可能性。當然，知道我們的宇宙從何而來不僅僅要說明爆炸，還要知道大爆炸從何而來。如果答案是宇宙膨脹，那麼我們就想要知道宇宙膨脹從何而來。
膨脹產生的引力波對宇宙微波背景B型極化的貢獻有一個已知的形狀，但它的振幅取決於具體的膨脹模型。這些膨脹產生的引力波的B型模式尚未被觀測到：也是膨脹理論的六種主要預測中唯一沒有有力觀測證據支持的。(普朗克科學團隊)
但我們不可能知道宇宙膨脹從何而來。宇宙中包含的有限信息限制了我們，而這些信息是我們了解宇宙本身的唯一途徑。在我們的宇宙中所能觀察到的任何事物都無法讓我們把上述的三種宇宙膨脹的可能假設區分開。
除了最精心設計的膨脹模型(其中一些已經被排除了)，在所有設計的模型中，只有最後的10-33秒左右的膨脹才會影響我們的宇宙。膨脹的指數性質抹去了之前發生的任何信息，將其與我們所能觀察到的一切事物分離開，膨脹到可視宇宙之外了。
從膨脹的結束和熱大爆炸的開始，我們可以追溯我們的宇宙歷史。如今認為這個過程需要暗物質和暗能量，但它們是什麼時候產生的還沒有確定。這是關於我們的宇宙是如何起源的普遍觀點，但它會一直受到更多更好的數據的修正。要注意，膨脹的開始，或任何關於膨脹的最後10^-33秒之前的信息，不再存在於我們可觀測的宇宙中。(E.西格爾，影像來源於歐洲航天局/普朗克、美國能源署/航天局/國家科學基金會宇宙微波背景研究跨部門特別小組)
除了那些被膨脹到無法觀測的信息，剩下的是一個巨大的可觀測宇宙:
·半徑460億光年，
·包含大約2萬億個星系，
·總共大約102顆星球,
·10個原子，
·近10個光子。
包括暗物質和暗能量在內，所有粒子、反粒子、輻射量子，甚至是真空本身的總能量加起來約為1054千克。
但這些天文數字仍然是有限的。此外，它們不包含關於宇宙在最後一秒的微小膨脹之前發生的信息。大多數可行的膨脹模型都不會留下可測試的、可觀察到的膨脹開始的信號，因此我們無法知道宇宙是如何——甚至是否——起始。
目前已知基本的初級(和複合)粒子和力的概況。這裡提出的一些想法仍然是推測性的。如果我們的目標是了解宇宙的一切，很不幸，我們只能通過觀察自己的宇宙來獲取這些信息。如果一個了解真理所必需的信號被宇宙本身的動態抹去了，這個真理對我們來說就可能永遠是模糊的了。(維基共享用戶HEADBOMB)
我們從宇宙中能獲得的信息總量是有限的，因此，我們所能獲得的知識總量也是有限的。我們能獲得的能量是有限的，我們能觀察到的粒子是有限的，我們能進行的測量也是有限的。但這並不意味著我們已經完成了一切工作，也不意味著我們不必了解目前絕對可以學習的一切。我們能做的是把知識的疆域推得儘可能遠。
還有很多東西需要了解，還有很多東西需要科學去揭示。如果我們繼續觀察下去，許多目前的未知可能在不久的將來就會消失。而可知的是有限的，這就意味著必然有一些事情我們可能永遠也不會知道。宇宙也許是無限的，但我們對它的認識永遠不會是無限的。
作者: Ethan Siegel
FY: Kylin
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