本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
宇宙就在那裡等待我們去觀測，想要深入了解宇宙，我們就需要深入觀測宇宙。由於光速是有限的，隨著觀測距離的增加，我們能夠看到越來越早之前的宇宙。那麼，人類所能觀測到的宇宙極限在哪裡？
肉眼可見的極限
最初，人們直接通過肉眼來觀測宇宙。但宇宙太大了，我們只能看到宇宙的極小一隅，很多暗淡的天體都無法看到。夜空中那些肉眼可見的恆星都在銀河系之內，而且毗鄰我們的太陽系，它們的距離大都只有幾十光年至幾百光年，很少有超過1000光年。相比之下，銀河系的尺度在10萬光年級別。
雖然我們通過肉眼只能看到太陽系附近的恆星，但我們還能看到銀河系之外的天體——四個河外星系，它們分別是16萬光年外的大麥哲倫星系、20萬光年外的小麥哲倫星系、250萬光年外的仙女座星系和300萬光年外的三角座星系。前兩個是銀河系的衛星星系，後兩個是本星系群中的另外兩個大型星系。
但對於浩瀚的宇宙而言，300萬光年的距離近在咫尺。理論上，我們可以觀測到以地球為中心，向外延伸465億光年的巨大範圍。
在這個可觀測宇宙中，河外星系不止4個，而是多達2萬億個。在可觀測宇宙之外，還有更加浩瀚、更加未知的不可觀測宇宙。為了看到更遠的宇宙，我們需要藉助天文望遠鏡。
天文望遠鏡中的宇宙
自從伽利略在17世紀初用天文望遠鏡觀測宇宙以來，天文望遠鏡已經得到了長足的發展。目前，人類能夠製造出口徑超過10米的天文望遠鏡，這能夠聚集到來自遙遠天體發出的微弱之光，從而讓我們窺視到宇宙深處。
此外，人類還把望遠鏡送入太空。在沒有大氣幹擾的情況下，太空望遠鏡能夠獲得絕佳的觀測條件，看到宇宙中那些最為暗淡最為遙遠的天體。在太空望遠鏡中，於1990年升空的哈勃太空望遠鏡最具代表性，這架仍然正在太空中超期服役的望遠鏡深刻地改變了我們對宇宙的認識。
哈勃拍攝到了美輪美奐的宇宙照片，有些是正在誕生恆星的星雲，有些是星系中心的疑似超大質量黑洞，還有些是正在碰撞的星系。如果要說哈勃的代表作，那麼，哈勃深場系列最具影響力。
哈勃太空望遠鏡對著天空一片看起來完全空無一物的黑暗區域，進行了長達一個月的觀測，結果捕捉到了超過5000個遙遠的星系，它們位於132億光年之外。也就是說，哈勃接收到了這些星系在132億年前發出的光，這是來自宇宙誕生之後僅6億年的光。
天文望遠鏡的極限
哈勃太空望遠鏡已經達到了觀測極限，它最多只能看到134億年前的宇宙。如果未來能夠製造出比哈勃更強的望遠鏡，我們能否看到非常久遠之前的宇宙呢？甚至是138億年前宇宙大爆炸時的景象？
答案是否定的。天文望遠鏡不能無限回溯到宇宙的最早時刻，我們最多只能看到宇宙誕生38萬年時的景象。這是因為早期熾熱緻密的宇宙是不透光的，沒有自由的光子能夠被我們觀測到。
直到宇宙經過38萬年的膨脹與冷卻之後，宇宙中才產生了最早的自由光子。它們並沒有消失，目前還在宇宙中傳播，這就是射電望遠鏡能夠探測到的宇宙微波背景輻射，這是目前我們所能觀測到的宇宙極限。
由於經歷了138億年的空間膨脹，這些光子的能量已大幅衰減。在產生這些自由光子時，宇宙的平均溫度可達2730攝氏度。而到了現在，宇宙的平均溫度下降到只有大約-270.4攝氏度，當年的那些光子已經成為我們肉眼所無法看到的微波。
宇宙微波背景輻射之前的宇宙
如果要觀測到宇宙誕生不到38萬年時的宇宙，不能通過電磁波手段，只能藉助其他方式。那麼，宇宙中有什麼東西能夠穿越早期宇宙，跨越遙遠時空，如今還殘留在宇宙中的呢？
（1）原初引力波
根據暴脹模型，宇宙在誕生僅10^-35秒之時，開始了持續時間僅有10^-33秒的指數式空間膨脹。由於空間急劇膨脹，讓宇宙大尺度結構變得平坦與均勻。與此同時，空間暴脹過程產生了最早的時空漣漪——原初引力波，這種時空波動還在宇宙中傳播。當這些引力波穿過物體時，這種時空波動會拉伸和壓縮物體。
在2014年，天文學家曾經公開宣布，第二代宇宙泛星系偏振背景成像（BICEP2）儀器檢測到了原初引力波。但遺憾的是，天文學家在次年撤銷了這一發現，因為原初引力波信號有可能是假的，它完全可以歸因於銀河系中的塵埃。
目前，人類已經直接探測到了由天體合併釋放出的引力波，這意味著引力波探測是切實可行的。如果我們能夠探測到原初引力波，就能進一步了解宇宙最初時刻的狀態。
（2）宇宙中微子背景輻射
中微子是一種質量極小的粒子，它們可以輕鬆穿透地球。根據宇宙大爆炸模型，宇宙在形成2秒時，產生了大量的中微子，它們很早就開始在宇宙中不斷穿行。據估計，目前宇宙中的中微子密度大概為300個/立方釐米，其背景輻射的溫度比宇宙微波背景輻射的溫度還要更低，只高於絕對零度不到2度，大約為-271.2攝氏度。
理論上，就像宇宙微波背景輻射那樣，我們可以觀測到各向同性的宇宙中微子背景輻射。但中微子十分難以探測，儘管有很多間接證據表明宇宙中微子背景輻射的存在，但目前還沒有直接的觀測證據。
宇宙誕生之前的時空
根據現有的理論，誕生宇宙的時空奇點是一切時間和空間所能回溯的極限。在此之前，時間和空間都是沒有意義的概念，時空是隨著宇宙大爆炸而創造出來的。我們無法理解奇點之前的宇宙狀態，或者說那時的宇宙根本就沒有所謂的狀態。