哈勃深场

这里显示的哈勃极深场(XDF)，已经揭示了宇宙空间中数千个星系，这仅仅代表了百万分之一的天空。但是即使穷尽哈勃的所有力量，以及引力透镜的所有放大倍数，仍然有我们看不到的星系，以及没有已知收集方式的信息。

就我们人类的愿望而言，是要彻底的了解我们的宇宙，这也是最终的科学梦想:不仅要尽可能全面和深入地理解支配宇宙现实的规律，还要理解存在的每一个粒子从宇宙诞生到今天的行为。

但是这个梦想并不一定是我们能够实现的，宇宙如此之大即使我们有再好的设备和更理想的观察方法，我们现在和将来都能观察到的部分仍然是有限的。在我们可观察的宇宙中存在有限数量的粒子和有限数量的能量，我们能收集的信息也是有限的。所以以下就是我们通过我们已掌握的知识了解的宇宙极限。

我们目前所掌握的宇宙

大爆炸后，宇宙几乎是完全均匀的，各向同性的，充满了快速膨胀状态的物质、能量和辐射。

想想大爆炸以及我们今天生存的宇宙，起源于一个能量高度致密的一个点。回想138亿年前的那个时刻。宇宙经历过暴胀过程，空间拉扯着物质以超光速扩张，即使光可以以极限宇宙速度(光速)穿梭空间，我们能看到的距离也是有限的。因此，我们只能看到有限的距离，可观测宇宙中只有有限数量的物质，我们能获得的信息量也是有限的。

人类科学史上的许多发现使我们能够更好地理解我们宇宙的周遭。虽然我们目前并不能够解释关于宇宙的一切，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本质的结论。我们知道它由物质、能量、辐射等组成，这一点毋庸置疑。

我们知道有多少恒星存在于我们的星系中(约4000亿颗)，有多少星系存在于整个可见宇宙中(约2万亿颗)。我们知道宇宙是如何聚集成星系、星系团和星系结构细丝的，以及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的尺度，以及宇宙是如何随时间演变的。

我们目前所认可的大爆炸

在大爆炸和广义相对论的框架下，当我们发现一个星系的距离与离我们的衰退速度相关时，（越远的星系远离我们的速度更快，这是个革命性的发现）这说明空间结构本身正在扩张。如果是这样的话，那么宇宙不仅应该膨胀，而且应该在不断的冷却，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。我们应该会看到一种大爆炸遗留下来的具有特殊性质的辉光，可以追溯到最早的时代，这就是宇宙微波背景。通过微波背景我们应该能看到一个不断演变的宇宙结构网。我们应该看到，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。

宇宙演化

所有这些预测以及更多关于早期宇宙的预测已经被证实。我们知道我们的宇宙开始于一个更热、更致密、更均匀和更快速膨胀的状态:这就是我们所知的大爆炸。

因此，当科学家声称大爆炸是宇宙的开始，这种说法是很有诱惑力的。然后你可能会想，如果我们能理解开始和支配现实的科学法则，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进行推断。但是当我们天真地推断出宇宙的最早阶段，并将我们所期望的与我们所观察到的进行比较时，会有一些重大的惊喜和困惑。

大爆炸带来的困惑

如果宇宙的密度稍微高一点(红色)，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能如此完美地平衡总能量密度，宇宙根本没有空间曲率的存在。我们的宇宙在空间上看起来非常平坦。

有几个主要的谜题，如果你试着回到宇宙开始时任意的热，密度状态的框架内，就会出现以下主要的困惑：

宇宙会膨胀到湮灭或几乎立即重新塌陷，永远不会形成恒星或星系，除非初始膨胀速率和初始能量密度完全平衡。
宇宙在不同的方向会有不同的温度，（这是已经观测到的不存在温度差异）除非有什么东西使宇宙各处的温度相同。
宇宙将充满从未被探测到的高能遗迹。

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，它没有这些高能的遗迹。这些都是大爆炸解决不了的问题，怎么办？科学家只能继续提出假设完善大爆炸。

解决大爆炸的遗留问题——宇宙暴胀理论

在上图中，我们的现代宇宙在任何地方都具有相同的属性(包括温度)，因为它们起源于具有相同属性的区域。在中间的图片中，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。在底部图片中，原有的高能遗迹被膨胀掉，为高能遗迹问题提供了解决方案。

这些问题的解决方案是宇宙暴胀理论，（俗称大爆炸的补丁理论）。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，膨胀还对我们将在宇宙中看到的东西做出了另外六种预测:

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，超视界波动的存在，或者比光更大尺度上的温度/密度波动。
密度波动是100%绝热和0%等温性质。
几乎完全尺度不变的密度波动，但在大尺度上的幅度略大于小尺度。
几乎完全平坦的宇宙，量子效应产生的曲率在0.01%或更低水平。
一个充满原始引力波背景的宇宙，它应该会在大爆炸的余辉上留下印记。

其中的前五个已经被证实或验证，而第六个仍然低于我们的检测阈值。我们并没有观测到大爆炸留下的引力波。宇宙暴胀理论是对大爆炸的发展和补充，包括现在的暗物质和暗能量可以称的上是大爆炸身上的补丁理论。暴胀理论解决了宇宙空间为何如此平坦，物质分布为何如此均匀等问题。但这些补丁理论都存在需要解决的问题，例如：宇宙为何会无端暴胀？暴胀为何从那个时刻开始？两暗问题现在还只是一个假设。所以每一个理论的提出都会带来新的问题需要解决，而新的问题被另外一种理论解释，又会带来又新一轮问题，为什么会出现这样的死循环？

这一切一切的问题源于我们所能观测宇宙的极限问题。如果我们能观测的更远，我们就能看到最初的创世时刻，宇宙的巨大限制了我们的认知。

我们现在所知道的只是一个巨大的可观察宇宙，局限性阻碍了我们的认知，这是我们面临的最大障碍

目前我们所知道的宇宙：

半径为460亿光年
包含大约2万亿个星系
总共大约10²⁴星星
10⁸⁰原子
将近10⁹⁰光子

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

因此我们在宇宙中可以获得的信息总量是有限的，我们可以获得的知识量也是有限的。我们能获得的能量、我们能观察到的粒子和我们能进行的测量都是有限度的。这种限制也阻碍了我们对宇宙的认知。

所以我们还有很多东西要学，还有很多东西科学还没有揭示出来。我们要打破这种局限，我们能甘心做一只井底之蛙？目前的许多未知因素可能会在不久的将来消失。这意味着有些事情我们可能永远都不知道。宇宙可能是无限的，但我们人类的探索精神也是无穷尽的。

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