一个作为一名宇宙学家，我在讲座后最常听到的问题包括:宇宙之外是什么?我们的宇宙在向什么方向膨胀?我们的宇宙会永远膨胀吗?这些都是很自然的问题。但这里还有一个更深层次的问题。从根本上说，我们真正想知道的是:我们的知识是否有一个边界?科学有根本的限度吗?
答案当然是，我们事先并不知道。我们不知道知识是否有限度，除非我们试图突破它。目前，我们还没有任何迹象。我们可能会面临障碍，但这些障碍都是暂时的。有些人对我说:“我们永远不会知道宇宙是如何开始的。”“我们永远不可能知道大爆炸之前发生了什么。”这些陈述显示了一种非凡的自负，因为它表明我们可以预先知道所有那些我们不知道的事情的轨迹。这不仅是未经证实的，而且迄今为止的科学史也证明没有这样的限制。在我自己的领域，宇宙学，我们的知识以甚至50年前都没有人预见到的方式增长。
这并不是说大自然没有限制我们可以观察什么以及我们如何观察它。例如，海森堡测不准原理限制了我们对粒子在任何时间的运动的了解，而光速限制了我们在给定间隔内能看到或移动的距离。但这些限制仅仅告诉我们我们无法观察到的东西，而不是我们最终无法学到的东西。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——我们永远无法直接看到——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点上，我们可观测宇宙中的一切都位于同一点上。在那一刻，也就是现在被称为大爆炸的那一刻，我们所知道的物理定律被打破了，因为描述引力的广义相对论，不能成功地与描述微观尺度上的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基本边界，因为我们认为广义相对论必须被修改，作为一致的量子理论的一部分。弦理论是正在进行的主要研究之一。
如果我们往一个方向看得足够远，就会看到我们的后脑勺。
有了这样一个理论，我们或许就能回答这个问题:如果宇宙大爆炸之前有什么东西存在的话。最简单的答案可能也是最不令人满意的。狭义相对论和广义相对论都将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出来的，那么也许时间也是。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证实，才能对我们的回答有任何信心。
接下来的问题是，我们是否能知道在我们自己的宇宙空间之外存在着什么。宇宙的边界是什么?同样，我们可以大胆猜测。如果我们的时空是自发产生的——正如我在上一本书中详细论述的那样，无中生有的宇宙，似乎是最有可能的——那么它的总能量可能为零:物质所代表的能量恰好被引力场所代表的能量所抵消。简单地说，如果某物不等于某物，那么它就会从无中产生。现在，我们唯一能证实总能量为零的宇宙是一个封闭的宇宙。这样的宇宙是有限的，但又是无限的。就像你可以永远在一个球体的表面上移动而不会遇到任何边界一样，我们的宇宙可能也是如此。如果我们往一个方向看得足够远，就会看到我们的后脑勺。
实际上，我们无法做到这一点，可能是因为我们可见的宇宙只是更大体积的一部分。原因与通货膨胀有关。大多数以微小尺寸自发产生的宇宙将在微小的时间内重新坍塌，而不是持续数十亿年。但是，在某些地方，空的空间将被赋予能量，这将导致宇宙以指数速度膨胀，至少在短时间内如此。我们认为，这种膨胀发生在大爆炸膨胀的最初时刻，阻止了宇宙立即再次坍缩。在这个过程中，宇宙膨胀得如此之大，以至于它现在看起来是平的、无限大的——就像堪萨斯州的一片玉米地，尽管它位于我们称之为地球的巨大球体上，但它看起来却是无限大的。这就是为什么当我们仰望太空时看不到我们的后脑勺，即使我们的宇宙在最大的尺度上是封闭的。但原则上，只要我们等待的时间足够长，我们就能看到整个过程，只要我们能看到的宇宙中没有爆发，也没有在我们无法观测到的空间其他地方发生。
至于我们还不能观测到或可能永远无法观测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”一词指的是我们曾经可以交流或将来可能交流的空间区域，那么暴胀通常会创造出我们之外的其他宇宙。在我们的空间范围内，膨胀可能是短暂的，但其余的空间会永远呈指数膨胀，像我们这样的孤立区域偶尔会与膨胀分离，就像当温度低于冰点时，快速流动的水面上会形成孤立的冰块。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联系。在这种情况下，我们的宇宙的开始可能不是时间本身的开始——这是进一步怀疑大爆炸是否代表我们知识的最终极限的理由。
根据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都不同。我们把这些可能存在的宇宙集合称为“多元宇宙”。多元宇宙的想法在科学界获得了支持，不仅因为它是由暴涨等现象驱动的，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，可能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数值。
如果有其他宇宙存在，它们与我们的宇宙之间的距离非常遥远，并且以超光速后退，所以我们永远无法直接探测到它们。那么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一个基本边界?答案是:不一定。尽管我们可能永远不会直接看到另一个宇宙，但我们仍然可以从经验上检验产生它的理论——例如，通过观察膨胀会产生的引力波。原则上，这将允许我们测试形成我们的宇宙的膨胀过程的详细性质。这些波与LIGO最近发现的引力波相似，但它们的起源不同。它们并非来自遥远星系中巨大黑洞的碰撞这样的灾难性事件，而是来自大爆炸的最初时刻，即公认的膨胀时期。如果我们可以检测他们直接可以做各种各样的实验,他们正在寻找签名将遗留在宇宙微波背景辐射宇宙大爆炸可以探测通货膨胀的物理,然后确定是否永恒的通货膨胀这一物理学的后果。因此，我们可以间接地测试是否有其他宇宙存在，即使我们不能直接探测到它们。
简而言之，我们已经发现，即使是最深奥的形而上学问题——以前我们可能认为这些问题永远无法通过经验来解决，包括其他宇宙可能存在的问题——实际上可能是可以解决的，如果我们足够聪明的话。我们从运用理性结合实验观察所能得到的东西是没有限制的。
一个没有限制的宇宙吸引着我们，激励着我们继续探索。但是，我们是否能确信我们的知识永远不会受到限制?不完全是。
通货膨胀确实对知识——特别是对过去的知识——设置了一个基本的限制。它本质上重置了宇宙，潜在地破坏了所有关于它之前的动力学过程的信息。膨胀期间空间的迅速膨胀严重稀释了任何区域的内容。因此，它可能已经抹去了磁单极子的痕迹，例如，磁单极子是一种粒子，理论上认为早期宇宙大量产生。这是通货膨胀最初的优点之一：它调和了我们从未见过这样的粒子这一事实和对它们产生的预测。但在消除差异的过程中，通货膨胀抹去了我们过去的一些方面。
更糟糕的是，擦除可能还没有结束。显然，我们现在正处于另一个通货膨胀时期。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，而不是减缓，如果主要的引力能存在于物质或辐射中，而不是在空的空间中，就会出现这种情况。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了知识进步甚至我们生存的根本限制。
如果宇宙经历某种相变，即宇宙版本的蒸汽凝结成液态水，那么真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，可能会变得不稳定或消失。我们会和其他东西一起消失。
但即使经济继续扩张，未来仍相当黯淡。在大约2万亿年内，宇宙的其余部分将从我们的视野中消失——这在人类的尺度上可能是一段很长的时间，但在宇宙的尺度上却不是那么长。在遥远的未来，任何在围绕恒星的行星上进化的观察者都会认为，他们生活在一个单一的星系中，周围是一片永恒的空白，没有加速的迹象，甚至没有任何早期大爆炸的证据。就像我们已经看不到单极子一样，他们也将看不到我们很容易看到的历史。(可以肯定的是，他们可能会接触到我们还没有接触到的可观察的现象，所以我们不应该感到太高傲。)
无论哪种方式，我们都应该享受我们在阳光下的短暂时刻，尽我们所能地学习。研究生们，努力学习！
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劳伦斯·m·克劳斯(Lawrence M. Krauss)，理论物理学家和宇宙学家，“起源项目”(Origins Project)的负责人，亚利桑那州立大学地球与空间探索学院(School of Earth and Space Exploration at Arizona State University)的基础教授。他也是畅销书的作者包括无中生有的宇宙和《星际迷航》的物理学。
本文最初发表在2016年9月的《学习》杂志上。
