我们还能对宇宙了解多少？

A.S宇宙学家，在讲座后我最常见的一些问题包括：什么是我们的宇宙之外？我们的宇宙是什么？我们的宇宙会永远扩大吗？这些是要问的自然问题。但这里玩得更深入的问题。从根本上得出我们真正想知道的是：我们的知识有边界吗？科学是否有基本限制？

当然，答案是我们提前不知道。除非我们试图通过它，否则我们不会知道知识是否有限制。目前，我们没有一个迹象。我们可能面临着障碍，但那些表现出暂时的迹象。有人对我说：“我们永远不会知道宇宙如何开始。”“我们永远无法知道大爆炸前发生了什么。”这些陈述表明了一个非凡的自负，通过建议我们可以提前知道我们无法知道的所有这些东西的轨迹。这不仅是未经证实的，而且迄今为止的科学史并没有表现出这样的限制。在我自己的领域，宇宙学，我们的知识通过50年前没有一个人的展示而增加。

这并不是说自然不限制我们可以观察什么以及如何观察它。例如，海森堡测不准原理限制了我们对粒子在任何时候的运动的了解，而光速限制了我们在给定的时间间隔内能看到或移动多远。但这些局限只是告诉我们不能观察到什么，而不是我们最终不能学到什么。测不准原理并没有妨碍我们学习量子力学的规则，理解原子的行为，或者发现所谓的虚拟粒子，尽管我们无法直接看到，但它仍然存在。

宇宙正在膨胀的观测确实意味着一个开始，因为如果我们向后推断，那么在遥远的过去的某个时刻，我们可观测到的宇宙中的一切都位于同一个点上。在那一刻，我们现在称之为大爆炸，我们所知道的物理定律崩溃了，因为描述重力的广义相对论无法成功地与描述微观尺度物理的量子力学相结合。但大多数科学家并不认为这是知识的一个基本边界，因为我们预计广义相对论必须作为一致的量子理论的一部分进行修改。弦论是正在进行的主要努力之一。

如果我们在一个方向上看起来足够远，我们会看到我们的头部。

有了这样一个理论，我们或许能够回答大爆炸之前发生了什么（如果有的话）的问题。最简单的答案也许也是最不令人满意的。狭义相对论和广义相对论都把空间和时间联系在一起，形成一个单一的实体：时空。如果空间是在大爆炸中创造的，那么时间也可能是。在这种情况下，没有“以前”。这根本不是一个好问题。然而，这并不是唯一可能的答案，我们需要等待量子引力理论及其实验的证实，才能对我们的回答有信心。

然后有问题是我们是否能够在空间上知道超出了我们自己的宇宙之外的问题。我们宇宙的界限是什么？再次，我们可以猜测猜测。如果我们的时空出现自发 - 这是我在我的最后一本书中争论的那样，一个宇宙什么都没有，似乎是最有可能的，那么它的总能量可能为零：物质所代表的能量正好被引力场所代表的能量所抵消。简单地说，如果某物等于零，那么某物可以从零产生。现在，我们唯一能证实的总能量为零的宇宙是一个封闭的宇宙。这样一个宇宙是有限的，但又是无限的。就像你可以永远绕着球体的表面移动而不碰到任何边界一样，我们的宇宙也是如此。如果我们朝一个方向看得足够远，我们就会看到我们的后脑勺。

在实践中，我们不能这样做，可能是因为我们可见的宇宙只是一个更大的卷的一部分。原因与称为通货膨胀的东西有关。大多数具有显微尺寸的大多数宇宙会在微观时间内重新崩溃，而不是持续数十亿年。但是，在某些情况下，空的空间将赋予能量，这将导致宇宙迅速扩展，至少是短暂的。我们认为，在我们的大爆炸扩张的最早时刻发生了如此时期，并阻止了宇宙立即重新崩溃。在这个过程中，宇宙的尺寸膨胀，在某种程度上变得如此之大，对于所有意图和目的，它现在仍然看起来像堪萨斯州的玉米田，尽管位于我们称之为地球上的巨大球体上，但仍然看起来无穷无尽。这就是为什么我们在空间抬头时我们看不到我们的脑袋的背部，即使我们的宇宙可能会在其最大的尺度上关闭。然而，原则上，我们可以看到整个事情，如果我们等待足够长，只要通货膨胀没有恢复在我们的可见宇宙中，并且在空间地区的其他地方都没有发生我们无法观察到的。

至于我们还无法观察到或可能永远无法观察到的区域可能正在膨胀的可能性，事实上，我们目前的理论表明，这是最有可能的可能性。如果我们认为“我们的宇宙”这个词指的是我们曾经沟通过的空间，或者我们有一天可以交流的空间，那么通货膨胀通常会创造出超越我们的其他宇宙。在我们的空间体积内，膨胀可能是短暂的，但空间的其余部分永远呈指数级膨胀，像我们这样的孤立区域偶尔会与膨胀脱钩，就像温度低于冰点时，快速移动的水面上可能会形成孤立的冰块一样。每一个这样的宇宙都有一个开始，与膨胀在其空间体积内结束的时间相关联。在这种情况下，我们宇宙的开始可能并不是时间本身的开始，我们有理由怀疑大爆炸是否代表了我们知识的终极极限。

根据导致每个宇宙与背景空间分离的过程，每个宇宙的物理定律可能不同。我们把这些可能的宇宙集合称为“多元宇宙”。多元宇宙的概念在科学界得到了广泛的关注，这不仅是因为它是由通货膨胀等现象驱动的，还因为许多不同宇宙的可能性，每个宇宙都有自己的物理定律，也许可以解释我们宇宙中各种看似无法解释的基本参数。这些参数只是宇宙诞生时随机产生的值。

如果其他宇宙在那里，它们与我们的宇宙相隔很远，以超轻的相对速度后退，因此我们永远无法直接探测到它们。多元宇宙只是形而上学吗？因此，验证多元宇宙的可能存在是否代表了我们知识的基本边界？答案是：不一定。尽管我们可能永远无法直接看到另一个宇宙，但我们仍然可以通过观察膨胀产生的引力波等方法，从经验上检验可能产生另一个宇宙的理论。这将允许我们在原则上测试导致宇宙膨胀过程的详细性质。这些波与LIGO最近发现的引力波相似，但起源不同。它们不是来自灾难性事件，比如遥远星系中大质量黑洞的碰撞，而是来自大爆炸的最早时刻，也就是假定的膨胀期。如果我们能直接探测到它们，就像我们在各种实验中所做的那样，我们现在正在寻找它们在宇宙大爆炸留下的宇宙微波背景辐射中留下的信号，那么我们可以探测膨胀的物理，然后确定永恒的膨胀是否是这种物理的结果。因此，我们可以间接地测试其他宇宙是否一定存在，即使我们无法直接探测到它们。

简言之，我们已经发现，即使是我们以前可能想象的最深刻的形而上学问题，包括其他宇宙可能存在的问题，如果我们足够聪明的话，实际上也不可能从经验上解决。我们可以从应用理性和实验观察中学到的东西还没有极限。

没有限制的宇宙是吸引人的，并激励我们继续搜索。但我们可以自信，我们的知识没有限制吗？不完全的。

通货膨胀确实对知识有一个基本的限制，特别是对过去的知识。它本质上重置了宇宙，潜在地摧毁了之前所有关于动力过程的信息。膨胀期间空间的迅速膨胀严重稀释了任何区域的物质。因此，它可能抹掉了磁单极子的踪迹，磁单极子是一种粒子，理论认为早期宇宙中大量产生了这种粒子。这是暴涨理论最初的优点之一:它调和了一个事实，即我们从未见过这样的粒子，同时预测它们的产生。但在消除这种差异的同时，通胀抹去了我们过去的一些方面。

更糟糕的是，这种消除可能还没有结束。显然，我们现在正生活在另一个通胀时期。对遥远星系衰退的测量表明，我们宇宙的膨胀目前正在加速，而不是减速，如果主导的引力能驻留在物质或辐射中，而不是在真空中，就会是这样。我们目前还不了解这种能量的起源。每一种可能的解释都表明，知识的进步甚至我们的存在存在着根本性的限制。

如果宇宙经历某种相变，即蒸汽凝结成液态水的宇宙版本，那么空空间的能量可能会突然消失。如果发生这种情况，基本力的性质可能会改变，我们在宇宙中看到的所有结构，从原子开始，都可能变得不稳定或消失。我们会和其他一切一起消失。

但即使扩张继续下去，未来仍然相当黯淡。在大约2万亿年内，这在人类的尺度上似乎是一段很长的时间，但在宇宙尺度上却不是那么长，宇宙的其余部分将从我们的视野中消失。在遥远的未来，任何在恒星周围的行星上进化的观察者都会想象他们生活在一个被永恒的空空间包围的单一星系上，没有加速的迹象，甚至没有任何早期大爆炸的证据。正如我们已经看不到单极子一样，它们也将对我们随时可以看到的历史视而不见。（可以肯定的是，他们可能会接触到我们还没有接触到的可见现象，所以我们不应该感到太优越。）

不管怎样，我们都应该享受我们在阳光下短暂的时光，在我们有能力的时候学习我们能学的东西。研究生们，努力学习吧!

Lawrence M. Krauss是一位理论物理学家和宇宙学家，起源项目的负责人，也是亚利桑那州国家大学地球和空间探索学院的基础教授。他也是畅销书的作者，包括一个宇宙什么都没有和《星际迷航》的物理学。