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大家經(jīng)常能看到關(guān)于宇宙的描述或天文學(xué)的研究大多是基于已知宇宙（即可觀測宇宙），可能你很少看過或不知曉關(guān)于宇宙學(xué)研究關(guān)于不可觀測宇宙部分的研究，那么今天“博科園”就帶你領(lǐng)略宇宙的風(fēng)騷！從簡單的集合來看，可觀測宇宙是包含在不可觀測宇宙之中，可以想象一下兩個大小相差很大的非/同心圓類比。

可能你會說可觀測宇宙都沒研究透更甚至說地球都沒研究透，來研究不可觀測宇宙有何意義？如果你這樣想，那么你就太不懂理論研究之美了！（至少因為科學(xué)家很多?。耗阊芯康厍?，我研究行星，他研究恒星，她研究星系，可謂各有專攻，并不是所有人都去研究同一領(lǐng)域）。

博科園-科學(xué)科普：138.17億年前宇宙大爆炸誕生了宇宙，可觀測宇宙充滿了物質(zhì)、反物質(zhì)、輻射，并存在于超熱、超致密、但膨脹和冷卻狀態(tài)。直到今天，包含人類可觀測宇宙的體積半徑已經(jīng)膨脹到460億光年（也稱哈勃體積（也有±誤差），而今天第一束到達我們眼睛的光與所能測量的極限相對應(yīng)。但除此之外還有什么？那么不可觀測的宇宙呢？

我們知道可觀測到的宇宙大小，因為知道宇宙的年齡(至少從相變以來)，并且知道光的輻射。那為什么不包括在宇宙微波背景輻射（CMB）和其他預(yù)測之間的數(shù)學(xué)運算會告訴我們宇宙整個的規(guī)模？知道宇宙有多熱，而現(xiàn)在有多冷，宇宙規(guī)模不會影響這些計算嗎？但，要是這么簡單就好了。

今天的宇宙是寒冷和“凝塊”的，但它也在膨脹和引力聚集。當看到越來越遠的距離時，看到的東西不僅是遙遠的，而且由于有限的光速而看到過去。越遠的宇宙越不容易形成塊狀和更均勻，其具有更少的時間以形成更大、更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其需要更多的時間來進行引力效應(yīng)。早期的宇宙也更熱，膨脹的宇宙使穿過宇宙時空所有光的波長都變長了。當波長變長時，它就會失去能量，變得更冷。這意味著宇宙在遙遠的過去是更熱的，這一事實科學(xué)家已經(jīng)通過對宇宙中遙遠特征的觀察得到證實。

人類可以測量宇宙的溫度，就像在宇宙大爆炸后138億年的今天，通過觀測那個熾熱的，致密的，早期狀態(tài)的殘余輻射。今天它出現(xiàn)在光譜的微波部分，被稱為宇宙微波背景輻射（CMB），特征和絕對溫標2.725K的黑體輻射相同，很容易確認這些觀測結(jié)果與我們宇宙大爆炸模型的預(yù)測相符。

此外我們知道隨著宇宙膨脹，這種輻射是如何在能量中演化的。光子能量與波長的倒數(shù)成正比。當宇宙只有現(xiàn)在的一半大小時，大爆炸產(chǎn)生的光子能量是現(xiàn)在的兩倍，而當宇宙只有現(xiàn)在的10%時，這些光子能量是現(xiàn)在的10倍。如果我們回到宇宙只有現(xiàn)在的0.092%時，會發(fā)現(xiàn)宇宙比現(xiàn)在溫度高1089倍：大約3000K。在這樣的溫度下，宇宙足夠熱，可以電離其中的所有原子，宇宙中所有的物質(zhì)不是固體、液體或氣體，而是電離的等離子體。

宇宙中電子和質(zhì)子是自由的，它們與光子發(fā)生碰撞，在宇宙膨脹和冷卻的過程中，轉(zhuǎn)變成對光子來說是透明的中性宇宙。圖這里顯示的是在宇宙微波背景輻射（CMB）發(fā)射之前的電離等離子體(L)，接著是向一個中性宇宙(R)的過渡，這對光子來說是透明的。圖片：AMANDA YOHO

達到今天宇宙大小的方式是通過對以下三點共同理解：

1、今天的宇宙膨脹速度有多快，可以通過很多方法來測量

2、今天的宇宙有多熱，可以從宇宙微波背景輻射中得知

3、宇宙是由物質(zhì)，輻射，中微子，反物質(zhì)，暗物質(zhì)，暗能量，等等組成

通過今天所知宇宙，可以推斷出熱大爆炸的最早階段，并得出宇宙的年齡和體積大小的數(shù)據(jù)。

從所有可用的觀測資料中：包括宇宙微波背景，但也包括超新星數(shù)據(jù)，大規(guī)模結(jié)構(gòu)測量和重子聲學(xué)振蕩等等，得到了宇宙在大爆炸138億年后的現(xiàn)在是461億光年半徑。這是可觀測的極限值。再遠一點，即使是自大爆炸那一刻起以光速運動的物體也沒有足夠的時間到達地球。隨著時間推移，宇宙的年齡和大小將會增加，但人類所能觀測到的東西總是有限度的。

那么對于宇宙中超出可觀測范圍部分我們能說些什么？只能根據(jù)所知道的物理定律，以及可以在可觀測宇宙中測量的事物做出推論。例如我們觀測到在最大的尺度上，宇宙在空間上是平坦的：它既不是正曲線，也不是負曲線，精確到0.25%。如果我們假設(shè)目前的物理定律是正確的，就可以對整個宇宙的大小設(shè)定限制，至少在宇宙重新彎曲回到自身之前，必須對宇宙的大小做出限制。

斯隆數(shù)字巡天和普朗克衛(wèi)星觀測是我們獲得最佳數(shù)據(jù)的方式。告訴我們?nèi)绻钪娲_實在自身和閉合的情況下彎曲，我們能看到的部分與“不彎曲”是如此難以區(qū)分，以至于它至少是可觀測部分半徑的250倍。

這意味著不可觀測宇宙，假設(shè)沒有拓撲的奇異性，直徑必須至少有23兆光年（23萬億光年），并且包含的空間體積是人類所能觀測到體積的1500萬倍。然而，如果我們愿意推測，可以相當有說服力地爭辯說：不可觀測宇宙應(yīng)該比這大得多。

正如我們所知：大爆炸可能標志著可觀測宇宙的開始，但它并不標志著空間和時間本身的誕生。在熱大爆炸之前，宇宙經(jīng)歷了一段宇宙暴脹時期。宇宙不是充滿物質(zhì)和輻射，也不是熾熱，而是：

1、充滿了空間結(jié)構(gòu)本身的固有能量

2、以恒定的指數(shù)速率膨脹

3、創(chuàng)造新空間的速度如此之快，以至于最小物理長度尺度（即普朗克尺度），每10^-32秒就會延伸到目前可觀測宇宙的大小

在我們這個宇宙區(qū)域，膨脹已經(jīng)結(jié)束了，但有三個問題我們不知道答案會對宇宙的真實程度產(chǎn)生巨大影響？以及宇宙是否無限？

1、暴脹后的宇宙區(qū)域有多大，而創(chuàng)造了我們這個宇宙的熱大爆炸？

2、“永恒膨脹”的概念，至少在某些區(qū)域，宇宙永遠膨脹到未來是正確的嗎？

3、暴脹在結(jié)束前持續(xù)了多長時間以及由此產(chǎn)生的熱大爆炸？

除了所能觀測到的，科學(xué)家強烈地懷疑還有很多宇宙和我們這個一樣，有著同樣的物理定律，同樣的物理結(jié)構(gòu)，同樣的宇宙結(jié)構(gòu)，同樣復(fù)雜生命的機會。在暴脹結(jié)束的“泡沫”中，也應(yīng)該有一個有限的大小和規(guī)模，而在暴脹的時空中，有指數(shù)級的巨大泡沫被包含在內(nèi)。但正如整個宇宙（或多元宇宙）不可想象的大，它可能不是無限的。事實上，除非暴脹持續(xù)了無限長的時間，或者宇宙生來就是無限大的，否則宇宙的范圍將是有限的。

但最大的問題是：目前沒有足夠的信息來明確回答這個問題，現(xiàn)階段或也只能給出理論上推論的答案；我們只知道如何在可觀測宇宙中獲取現(xiàn)有的信息（在460億光年的所有方向上）。對于宇宙是有限的，還是無限的最大問題答案可能是在宇宙中被編碼的，但是我們無法獲得足夠的信息來知道。除非能找到答案，或者想出一個聰明的方案來擴展人類所知道的物理學(xué)能力，否則我們所能得到的只有理論推論可能性。

博科園-科學(xué)科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B

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