我们人类，无论是个人还是集体，都有一种冲动，想要理解世界和看到我们在其中的位置。科学是对于我们求知欲的回应，而如今的人类求知，说到底，是在科学的框架内，寻求世界起源和结局的答案，寻求意义与目的的答案。
2017年诺贝尔奖物理奖被授予三位引力波探测计划的重要科学家。引力波的发现，标志着人类的求知史迎来了历史新起点，意味着我们将用一种前所未有的认知宇宙的方式，去了解我们未曾想象却真实存在的新事物。
马塞洛·格莱泽是世界著名的理论物理学家，著有多部科普佳作，《求知简史：从超越时空到认识自己》是其代表作。《求知简史：从超越时空到认识自己》是一部跨越哲学、天文学、物理学等学科的人类认知发展史。
在书中，作者用简洁、优美又不乏幽默风趣的笔法，展现了从古希腊哲学家到牛顿、开普勒、爱因斯坦等众人，如何拓展我们对于世界的认知。从宇宙的起源及其物理性质到世界的物质构成及物质特性，从元素说、原子论到日心说、经典力学，再到相对论、量子力学，其范围大至太空，小到量子世界，涵盖了奇点、弯曲空间、暗物质、多元宇宙等广泛主题。
宇宙究竟是什么形状？
关于宇宙的形状，科学界给出了三种构造理论。其一，是宇宙平面构造理论，即宇宙的几何形状是平面的，如同（二维）桌面的三维效果，除非是在靠近大质量恒星或星系的地方穿行，不然光在任何方向都是直线传播的。
其余两种分别是封闭构造理论和开放构造理论。封闭构造理论认为，如果你从一个方向一直走下去就会回到原点，听起来宇宙似乎类似于球面，但请不要用三维的视角来理解它；而在开放构造理论中，如果我们粗略地以薯片表面的形状做比方的话，宇宙呈现出两个方向相异的弧形（马鞍，也经常作为该理论的一个示例比方）。
宇宙中的物质种类及其相对数量决定了宇宙的几何形状，也最大程度决定了宇宙空间的样貌。宇宙中有两种针锋相对的趋势：其一是膨胀性，这是宇宙在其形成之初由于巨热物体与放射物一道被挤入狭小空间中而造成的；其二是收缩性，来自于宇宙中所有物体的引力作用。
宇宙的膨胀也许会永无止境，但如果宇宙中的物质足够多的话，这一膨胀可能会遭遇逆转，演变成坍缩运动。大爆炸也就会成为大坍缩
由于爱因斯坦已经预言物质会影响宇宙空间的几何形状，因此上述两种趋势还会决定宇宙的形状。物质密度不足的宇宙（所有物体的引力不够大）会永远膨胀下去，以此形成一个开放的几何形状。
使宇宙停止膨胀的决定性单位容积能量被称作“临界密度”，即每个立方米中仅能容纳大约5个氢原子。不断地测量结果显示，一般的原子物质只能达到约每立方米0.2个，远远低于这个临界密度（准确来说，只有后者的4.8%）。
要使得普通原子达到临界密度，就必须加入另外一种被称作“暗物质”的物质。为什么称其为“暗”物质呢？这是因为这种物质不发光，也就是说它们不会发出任何形式的电磁辐射。
我们之所以知道它的存在，是因为星系移动的速度快于其本身能够达到的速度。天文学家也在测算那些像幽灵一样围绕在星系周围的暗物质是怎样扭曲星系空间的。这种空间扭曲十分壮观。
天文学家通过观察来自遥远物体发出的光在经过邻近星系时所发生的情形，来观测这种扭曲现象。这种现象也被称作“引力透镜效应”，因为它的原理非常类似于普通透镜的功能——使光路在通过镜片时发生折曲。
如果把包括微波背景辐射等观测信息加在一起的话，宇宙中暗物质的数量约为普通物质数量的6倍，同时使得宇宙密度达到了临界密度值的25.9%。暗物质的本质（即其成分）仍然是现代宇宙学和粒子物理学的核心谜团之一。
尽管我们希望对暗物质的认识会随着测算工具的进步而进步，但这跟宇宙水平线的存在有所不同——因为后者是不能克服的局限。
如今，人们更多地倾向于认为组成暗物质的物体是超对称理论中的粒子，而这一理论来自于对当今粒子物理学的延伸，包括自然界的新对称
读者可以通过超弦理论来理解超对称理论中“超”字的意思，前者为整合广义相对论与量子力学的备选理论。
截至2014年冬天，人们还没有找到任何关于超对称性理论的证据，尽管数十年以来这一理论一直为一部分物理学家所孜孜追求、狂热支持。不过在目前这个节骨眼上，我们还不明确自然界中有多少怀疑超对称理论的存在。
另一种解释暗物质的方法在于给爱因斯坦的广义相对论挑刺，而不是假定存在一套新的粒子种类。广义相对论给引力作用所做出的解释，只适用于大型星系间。对此，同样没有任何证据证明这个解释也适用于其他一些天文观测并与之契合。
对暗物质本质的困惑不解也从侧面凸显了工具驱动科学发现（发现新的宇宙成分）的作用，这些谜题受限于目前科学探索工具的精度和适用范围。
我们知道星系有隐秘的一面，但是我们就是不知道这个障眼法究竟是什么。
如果我们只考虑原子、暗物质和辐射（虽然其贡献率几乎为零）的总质量（和能量），那宇宙将是一个开放的几何形状，只有临界密度的30%左右。然而，这并非宇宙的全部图景。
如果存在一个宇宙常数或类似之物的话，它的作用会使得宇宙向外延展。回想一下，正是爱因斯坦自己提出的这个常数，使他所认为的封闭的宇宙静态化，而在得知哈勃发现宇宙膨胀定律后将其弃置。
在后来的一系列斗转星移之后，有两组天文学家通过测算，相当有力地证明类似于宇宙常数的物质不仅存在，还支配着我们宇宙视野中的一切物体。该测量是于1998年公布的，震惊了物理学界和天文学界。但没有人愿意相信这一点。
随着时间的流逝，这一结果经受住了无数的考验和批评。而且，借助于强大的新工具，我们发现了一些前所未知的物体，同时也让宇宙变得越加神秘。就如同对待暗物质一样，我们知道那儿肯定有些什么，但就是不知道它具体是什么。
2011年，三组科研项目领头人获得了诺贝尔物理学奖，以此表彰他们在发现“暗能量”时所做的贡献。
类似于一个宇宙常数，暗能量是一种神秘的实体，它不但能够促使宇宙膨胀，而且能够不断加速宇宙膨胀的速度。更值得注意的是，如果按暗能量对宇宙密度所做的贡献计算，人们会发现该数值略低于临界密度的70%。
如果你将所有组成宇宙密度的物体考虑进来的话，结果令人诧异：暗能量不仅远远盖过了其他所有或明或暗的宇宙物体，它们的总数还增加了临界密度。这听起来有些矫揉造作，实则句句属实。相比于其他可能的值来说，宇宙内所有物体的整体密度十分接近于宇宙的临界密度。如今测量显示，宇宙物质的平均密度等于临界值，精度大约有0.05%。
乍一看，接近临界密度的宇宙的确是鬼斧神工，但再仔细一想，能够产生万物的宇宙必须满足各种严苛的条件才行：密度不能太小，否则膨胀速度就会太快，物质便不能受引力约束进而形成恒星和星系；密度也不能太大，否则在星体诞生之前自然就会毁灭
能够产生生命的宇宙必须要达到一定的年龄，这样星体才能经过数代生发出足够多的化学物质。这些条件限制了宇宙密度与假想宇宙常数的可能值。最理想的宇宙会是一个物质密度正好处于临界密度的宇宙，正如我们当前所在的宇宙一样。
物理学家、作家保罗·戴维斯将之称为“金发歌蒂的宇宙”（歌蒂是《格林童话》中的“金发歌蒂与三只小熊的故事”中的主人公，故事讲的是歌蒂误闯入三只小熊的家，看到桌上三碗麦片粥，冷的不喝，热的不喝，要喝不冷不热的。因此这里指的就是不冷不热的最适宜的宇宙——译者注）。事实上，人们也很容易认为我们的宇宙“就是最适宜”生命生存的。
目前的测算是如此精确，以至于物质和暗能量的密度都可以十分精准，精度可达0.5%。除非有特别的事情发生，未来暗能量在宇宙的统治地位将会被削弱，数据显示我们生活在一个平坦的宇宙里，这样的宇宙注定会永远膨胀，且膨胀速率会一直上升。如果宇宙一直这样加速膨胀的话，我们的子孙后代将面临一个惨淡的未来。
空间持续拉伸，宇宙中多数的发光体都会被带走，目前通过望远镜看见的银河也是如此。随着时间的推移，它们的消退速度将超过光速，新的宇宙视界将会出现，而星体的光也将无法抵达地球。最终，只有我们这个超星系团，包括银河系在内的星系团和仙女座星系会通过它们相互间的引力而联结在一起，尽管它们已与我们现在在夜空中看到的形状大不相同了。
假如果真如此，在几十亿年后，银河系与仙女星系可能会融为一体，成为一个大星系。在大约40亿年后，太阳会变成一颗红巨星，而地球上的生命将消失殆尽（事实上，由于太阳能量输出的不稳定性，这一切可能会提早发生）。
如果来自未来世界的宇宙学家不能获知过去的观察结果，他们就会以为他们生活在一个与我们完全不同的宇宙：视野里没有消颓的星系，他们不知道什么是膨胀的宇宙，也不知道宇宙大爆炸是什么。
具有讽刺意味的是，他们的宇宙观会回到静态宇宙说，即一个包含银河系的岛宇宙介于本超星系团之间，周围充斥着黑暗而空洞的空间。知识岛边界将会收缩，并最终随着人类一起消亡，与之并行的是向知识岛周围不断涌来的黑暗。一段时间以后，少数仍能发光的星体会变老，并渐渐从人类视野中消失。宇宙会变成近黑色，拜伦的梦魇将会变成现实。
节选自《求知简史：从超越时空到认识自己》
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