利维坦按：如果拿地球来举例的话，我们不论从南极走到北极，还是沿着赤道环行一周，都会发现地球是有限无界的——也就是说，你始终不可能找到地球的边界，但你并不能因此就认为地球是无限的。如果按照霍金的观点，宇宙也类似地球是有限无界的，只不过比地球多了几维。多几维怎么理解？试着想象一下鱼在水中，对于它来说，水面之上的空间就是另外一个维度了。
今天这篇文章，围绕着一个核心问题展开：我们人类对于宇宙的认知能力是否是没有局限的？对此，作者给出了否定的答案。
延伸阅读：《“科学幻想”症：一位科学记者的质疑》（点红字直接取阅）
文/Lawrence M. Krauss
插画/Jackie Ferrentino
译/lwl
校对/boomchacha
原文/nautil.us/issue/40/learning/how-much-more-can-we-learn-about-the-universe
人类的认知能力是无限的吗？
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根据推测，大爆炸刚发生后的超光速暴涨过程产生了引力波。
作为一名宇宙学家，我在讲座之后最常听到的问题包括：宇宙外边是什么？我们的宇宙会膨胀到什么样，会永远膨胀下去吗？这都是些很寻常的问题，但还有一个更加深刻的问题困扰着我们——追根溯源，我们想要知道的是：人类的认知有没有边界？科学有没有不可突破的局限？
当然，问题的答案是，现在回答还为时尚早。除非真正遇到屏障，否则我们永远无法知道人类的认知否有终点。然而，当下并没有任何迹象能够表明我们将会面临难以突破的瓶颈。也许，在探索宇宙的漫漫征途上，我们会遇到激流险滩，但人类定能排除万难，驶达知识的彼岸。有些人对我说：“我们永远不能知道宇宙何时诞生”，“我们永远不能知道大爆炸前发生了什么”。这些人着实刚愎自用，他们怎能预知未来，断言人类在未来不会知晓某些事物呢？那些言论简直就是无稽之谈，迄今为止，科学史上没有显露出瓶颈的丝毫端倪。就拿我所从事的领域来说吧，我们对宇宙的知识在不断增长，甚至50年前都没有人能够预见。
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即使在最明朗的天气里我们也无法看见永恒：理论上来讲，我们最远只能看见453亿光年远的地方。尽管这表明我们认知有直接的极限，但这也无法阻挡我们探索自然界的奥秘的雄心壮志。图源：NASA/Bill Ingalls
诚然，这并不意味着自然对我们所能观察到的事物范畴，观察事物的途径没有任何影响。比如说，海森堡不确定性原理①对我们所能观察到的粒子在任意时间的位置做出了限制；光速限定了我们能看到、移动的最大距离。但是这些限制最多只能给出人类无法观测、而非最终无法知晓的事物。不确定性原理并没有妨碍我们探索量子力学，了解原子的性质，发现所谓的虚粒子（我们不能直接探测到，但确实存在的一种粒子）②。
宇宙的膨胀确实暗含着起源，因为如果我们反推回去，那么在遥远过去的某个时间点上，我们能观测到的宇宙中的任何事物都共同存在于一个奇点中。在那一瞬间，也就是现在被称之为大爆炸的时候，我们所知的物理学定律都不适用了，因为描述引力的广义相对论无法解释描述微观物理的量子力学。但是大部分科学家都认为，从根本来说，这并非认知的边界，因为我们希望通过改进广义相对论，使其与量子理论相互兼容。弦理论（String theory）就是个广为人知的例子。
如果我们在一个方向上看得足够远，就能看见我们的后方。
鉴于这样一个理论，我们也许就能够回答，大爆炸之前到底发生了什么（如果存在的话）。最简单的回答往往也是最不令人满意的。狭义与广义相对论将时间与空间统一为一个实体：时空。如果空间是在大爆炸时产生，那么时间可能也是如此。在这样的情况下，就没有时间上所谓“之前”的概念（因为在诞生之前，时间并不存在）。那么，先前的问题便不值得回答了。但这并不是唯一的解答，而且我们需要等到一个量子引力理论以及实验证实之后，才能对我们的回答有一定的把握。
接下来，从空间的角度来说，我们是否能够知道，宇宙的边界是什么，外边又是什么？我们不妨再次大胆猜测。正如我在新书《从无到有的宇宙》（A Universe from Nothing）中详细讨论的一样，看似最有可能的是：如果时空自然产生，那么它的总能量可能为零，因为物质的能量恰好与引力场的能量相互抵消。简而言之，如果事物总计为零，那么它能够从无到有。现在，我们能够查证的唯一总能量为零的宇宙，是闭宇宙③。这样的宇宙有限无界。就像我们可以在球体表面一直行走而不会遇到任何边界一样，我们的宇宙可能也是如此。如果我们在一个方向上看得足够远，就能够看到我们的后方。
实际上，我们无法这么做，可能因为我们可见的地方仅仅是宇宙的一小部分。这个原因与被称之为“暴胀”（inflation，宇宙暴胀，简称暴胀，是早期宇宙的一种空间膨胀呈加速度状态的过程）的概念有关。大多数在微观尺寸上自发出现的宇宙会瞬间重新坍缩，而不会持续存在数亿年。但是，在某些宇宙中，虚空会被赋予能量，并且这种能量，至少在短时间内，能够使宇宙以指数形式膨胀。我们认为这样的暴胀时间出现在大爆炸扩张的初期，并且防止宇宙立即再次坍缩。在这个过程中，宇宙膨胀到难以想象，以至于在任何意义上，似乎是平坦并且无限的——比方说，尽管位于一个叫做地球的巨大球体上，堪萨斯州的玉米地一样看起来广袤无垠。即使我们的宇宙可能是封闭的，这就是为什么我们在观察宇宙时依然无法看到我们后方的原因。从理论上来讲，如果暴胀没有在我们可见的宇宙中重新开始，并且没有存在于其他我们不可见的区域中，只要我们等得足够久，就能看见所有事物。
考虑到我们还未观测到，以及永远无法观测到的区域可能正在暴胀——事实上，近期的理论表明，这种情况极有可能发生。如果我们认为“我们的宇宙”指的是我们曾经能够，或是终有一天能够进行交流的地方，那么，在我们的宇宙之外，暴胀通常还会创造出的别的宇宙。暴胀可能在我们所处的空间中很短暂，但别的地方则永远在指数膨胀，偶有像我们的宇宙一样的孤立区域从中分离出来，既脱耦（decoupling）。正如同当温度低于冰点时，在快速流动的水面上能够形成冰块一样。每一个这样的宇宙都存在一个开端，限定于暴胀在它的空间体积中结束的时间。也就是说，我们宇宙的开端并不一定标志着时间的起始。这进一步否定了大爆炸即认知的天花板这种言论。
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碰撞中的星系：这种宇宙的暴乱终有一天不复存在，遥远未来的人类可能永远不会意识到我们的宇宙曾经是多么活跃。图源：NASA
考虑到每个宇宙从背景空间中脱耦的过程不同，其中的物理学定律可能也不相同。我们称这样可能的宇宙集合为“多元宇宙”。多元宇宙的概念在科学界颇具吸引力，不仅可以解释如暴胀之类的现象，还主张多个含有独特物理定律的宇宙的存在。如此说来，看似莫名其妙的基本参数，其实是在宇宙诞生时随机产生的。
就算还有别的宇宙存在，我们也永远无法直接探测到。因为这些宇宙不但处于距离我们非常遥远的地方，而且以超光速后退。那么，多元宇宙理论仅仅是形而上学吗？无法验证其存在，是否代表着我们的认知有根本上的极限？答案是：非也，非也。尽管可能永远不能直接观测到别的宇宙，我们依然能够通过以经验为主的方式检验理论。比如说，通过观测暴胀产生的引力波，理论上能够检验宇宙创生时暴胀过程的详细资料。这些波与最近被LIGO④探测到的引力波类似，只是起源于大爆炸的初期，既暴胀时期。就像我们在各种各样的实验中找寻遗留在大爆炸余晖——宇宙微波背景辐射中的信号一样，如果能够直接探测到这些引力波，我们就可以研究暴胀的奥秘，确定永久性的暴胀是否是这种物理现象的结果。因此，尽管无法直接探测到别的宇宙是否必然存在，我们可以间接证明这一点。
简而言之，只要我们足够聪明，理解最深奥的形而上学问题也不是个事儿。我们之前或许认为，我们永远不可能从经验上探求这些问题，比如宇宙存在的可能性。目前，依靠着推理以及实验观测，我们还没有发现任何的认知局限。
无限的宇宙引人入胜，并且激励着我们不断进行探索。但是我们能够自信地说，我们的认知也是没有局限的吗？这个嘛，不可以。
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暴胀确实给我们的认知设定了根本的限制——特别是对过去的认识。暴胀在本质上重置了宇宙，有可能摧毁了在此之前关于动态过程的一切信息。在暴胀过程中，空间快速膨胀，在极大程度上降低了单位区域内物质的密度。所以，暴胀可能抹去了诸如磁单极子的踪迹（理论上表明，磁单极子是一种在宇宙早期应该大量产生的粒子）。这是暴胀的独特功绩之一：解释了理论上存在、却至今未观测到磁单极子的原因。但在化解矛盾中，暴胀又抹去了我们的过去。
更糟糕的是，暴胀仍在抹去别的信息。我们现在显然处在另一次暴胀过程中。我们与其他星系的间距正在扩大，这表明宇宙正在加速膨胀，而非减速。这就好像占主导的引力势能存在于物质或辐射内，而不是在虚空里。我们现在对这种能量的起源一无所知。每种潜在的解释都对认知的发展，甚至是我们自身的存在加以了限制。
如果宇宙经历某种相变⑤ （phase transition）——宇宙版的蒸汽凝结为液态水的现象，那么这种虚空的能量可能会突然消失。如果这种情况真的发生了，不但力的基本性质会变，而且宇宙中所有我们能够看见的结构，从原子到人类，都有可能会变得不稳定，甚至消失。
但是即使膨胀仍在继续，未来的景象也相当沉闷。在大约两万亿年后，宇宙内的其他事物会从我们的视野里消失。两万亿年对人类来说是个天文数字，但对宇宙来说则不然。在这样遥远的未来后，生活在群星中的观察者会认为他们周围只有无尽的虚空，身处孤单的星系，没有宇宙加速膨胀，更别提大爆炸的迹象了。正如我们失去了磁单极子的踪迹，他们也无从得知我们已知的历史（虽然某些现象当下无法观测到，但未来的他们，或许可以。所以我们也不应有优越感）。
不管怎么说，我们都应享受短暂的人生，尽力探索浩瀚的宇宙。路漫漫其修远兮，汝当上下而求索！
注释：
①在量子力学里，不确定性原理（uncertainty principle，又译作“测不准原理”）表明，粒子的位置与动量不可同时被确定，位置的不确定性越小，则动量的不确定性越大，反之亦然。（摘自维基百科）
②虚粒子（virtual particle），意即虚构粒子、假想粒子，是在量子场论的数学计算中建立的一种解释性概念，指代用来描述亚原子过程例如撞击过程中粒子的数学项。但是，虚粒子并不直接出现在计算过程的那些可观测的输入输出量中，那些输入输出量只代表实粒子。虚粒子项代表那些所谓离质量壳（off mass shell）的粒子。例如，它们沿时间反演、能量不守恒、以超光速移动，每条看起来都和物理基本原理相悖。虚粒子发生在那些大致可被实输出量相消的组合项中，因此才产生了前述那些不实的冲突。虚粒子的虚「事件」通常看起来是一个紧接着另一个发生，例如在一次撞击的时长中，所以他们显得短命。如果在计算中略去那些被诠释为代表虚粒子的数学项，计算结果将变成近似值，有可能较大地偏离完整计算得到的正确而且精确的结果。（摘自维基百科）
③闭宇宙（closed universe），如果宇宙内的物质多到足以抗衡大爆炸造成的膨胀，宇宙最终会坍缩回去。（译自《牛津英语词典》）
④激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，缩写：LIGO）是探测引力波的一个大规模物理实验和天文观测台。2016年2月11日，LIGO团队于华盛顿举行的一场记者会上，共同宣布人类对于引力波的首个直接探测结果。所探测到的引力波来源于距离地球13亿光年处的两个大约30倍太阳质量的黑洞融合。（摘自维基百科）
⑤ 相变是指物质在外部参数（如：温度、压力、磁场等等）连续变化之下，从一种相（态）忽然变成另一种相，最常见的是冰变成水和水变成蒸气。然而，除了物体的三相变化（固态、液态、气态），自然界还存在许许多多的相变现象，例如日常生活中另一种较常见的相变是加热一块磁铁，磁铁的铁磁性忽然消失。（摘自维基百科）
最后，可以看看利维坦之前推送过的1977年的著名短片《十的次方》，短片中运用比例的概念，并把广袤无垠的宇宙比作是碳原子的微观世界：
（建议Wifi环境下浏览）每隔10秒，我们看到的画面就会比10秒前远10倍……接着，镜头又快速拉近，每隔2秒，拉近10倍
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“利维坦”（微信号liweitan2014），神经基础研究、脑科学、哲学……乱七八糟的什么都有。反清新，反心灵鸡汤，反一般二逼文艺，反基础，反本质。
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