我们永远不会知道什么

有一个物理学定律禁止我们进入的领域，它低于我们最强大的显微镜的分辨率，也超出了我们最敏感的望远镜的范围。我们不知道那里可能存在什么——也许是整个宇宙。

自从人类开始探索以来，我们的观察能力就一直受到限制。世界观受到工具的可用性和我们自身创造力的限制。随着时间的推移，我们可观察到的宇宙的大小随着我们知识的增长而增长--我们看到了地球以外的行星，太阳以外的恒星，以及我们自身以外的星系，同时我们更深入地观察了细胞和原子。然后，在20世纪，出现了一些数学，可以令人震惊地解释，并在一定程度上预测我们生活的世界。狭义和广义相对论准确描述了行星、恒星和星系的运动。量子力学和粒子物理学的标准模型在澄清原子内部的情况方面创造了奇迹。

然而，随着这些成功的理论，我们的观察能力也有了硬性的限制。今天，这些限制似乎界定了我们知识的真正界限。

我们无法知道的东西

在大的方面，有一个速度限制，限制了我们能看到的东西。它阻碍了我们亲身观察大部分宇宙的希望。

光的速度大约是每秒300,000,000米（或每小时671,000,000英里，如果你的大脑是这样工作的话）。爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论，禁止任何东西的速度超过这个速度。无质量的东西在真空中总是以这个速度飞行。将大质量物体加速到这一速度，本质上是在狭义相对论的一个方程中引入了一个除以零；将有质量的东西加速到光速需要无限的能量。

这是我们对宇宙理解的一个内在限制--这些是量子力学允许我们定义的最小的有意义的数字。

如果你小时候跳上一艘宇宙飞船，以99%的光速离开太阳系，你也许能够在屈服于年龄之前探索银河系的其他部分，但由于时间是相对的，你的朋友和家人很可能在你向地球报告你的观察结果之前早已离开。但是你仍然有你的限制——银河系的宽度是105,700光年，我们的邻居仙女座星系是250万光年，可观测的宇宙大约有930亿光年的宽度。探索更远距离的任何希望都需要多代人的任务，或者，如果使用远程探测器，接受你已经死亡的事实，当探测器的数据返回地球时，人类可能已经非常不同。

然而，光速不仅仅是一个速度限制。由于我们看到的光需要旅行时间才能到达地球，那么我们必须与几个不能相互作用的地平线作斗争，这些地平线的存在是由于爱因斯坦的广义相对论。有一个事件视界，这是一个空间和时间的移动边界，超过这个边界，现在发射的光和粒子将永远不会到达地球，无论时间如何流逝--这些事件我们永远不会看到。还有粒子视界，或者说是一个边界，超过这个边界，我们就无法观察到来自过去的光——这定义了可观测的宇宙。

还有第二种事件视界，即围绕黑洞的事件视界。引力是一种由大质量物体的存在引起的空间形状扭曲的效应，就像保龄球在蹦床上一样。一个足够大的物体可能会扭曲空间，以至于没有信息可以超出某个边界。

这些界限并不是静态的。"昆士兰大学研究宇宙学的天体物理学教授塔玛拉-戴维斯说："随着时间的推移，我们会看到越来越远，因为光向外传播的距离越来越大。但是这种扩张的视角不会是永久性的--因为我们的宇宙也在扩张（而且这种扩张正在加速）。"如果你向未来快进1000亿年，我们目前能看到的所有星系都会离我们很远，并且加速离我们很远，它们在过去发出的光会从视野中消失。" 在这一点上，我们可观察到的宇宙将只是那些与我们的星系有引力联系的附近星系。

另一个边界生活在尺度的另一端。在分子之间放大，进入原子的中心，深入到原子核和构成质子和中子的夸克。在这里，另一套规则，主要是在20世纪设计的，制约着事物的运作。在量子力学的规则中，一切都被 "量化 "了，这意味着粒子的属性（例如，它们的能量或它们在原子核周围的位置）只能采取不同的数值，就像梯子上的台阶，而不是一个连续体，就像幻灯片上的位置。然而，量子力学也证明，粒子不仅仅是点；它们同时像波一样，意味着它们可以同时具有多个值，并经历一系列其他类似波的效应，如干扰。从本质上讲，量子世界是一个嘈杂的地方，而我们对它的理解与概率和不确定性有着天生的联系。

如果你快进1000亿年到未来，我们目前能看到的所有星系都将如此之远，并且加速远离我们，以至于它们过去发出的光将逐渐消失。

这种量子性意味着，如果你试图看得太近，你会遇到观察者效应。试图看到这么小的东西需要从它们身上反弹光线，而这种互动产生的能量可以从根本上改变你试图观察的东西。

但是对于我们能看到的东西还有一个根本的限制。沃纳-海森堡发现，量子力学的怪异性引入了最小的精度，你可以测量某些数学上相关的属性对，如一个粒子的位置和动量。你越能准确地测量一个，你就越不能准确地测量另一个。最后，即使试图测量这些属性中的一个，在一个足够小的尺度上也变得不可能，这个尺度被称为普朗克尺度，它有一个最短的长度，10^-35米，和一个最短的时间间隔，大约5×10^-44秒。

"你把描述自然界的常数——引力常数、光速和普朗克常数，如果我把这些常数放在一起，我就得到普朗克长度，"大型强子对撞机ATLAS实验的物理学家詹姆斯-比奇姆说。"在数学上，这没有什么特别的，我可以写下一个更小的数字，比如10^-36米......但量子力学说，如果我对我的理论有一个预测，说结构存在于一个更小的尺度，那么量子对它有内在的不确定性。这是我们对宇宙的理解的一个内在限制--这些是量子力学允许我们定义的最小的有意义的数字"。

当然，这是假设量子力学是思考宇宙的正确方式。但一次又一次的实验表明，没有理由不这么认为。

探寻未知的世界

这些大大小小的基本极限，给我们的知识带来了明显的障碍。我们的理论告诉我们，我们永远无法直接观察到这些宇宙范围之外的东西，也无法观察到比普朗克尺度小的结构存在。然而，我们向自己提出的一些最伟大的问题的答案可能就存在于这些墙壁之外。宇宙为什么和如何开始？我们的宇宙之外有什么？为什么事物的外观和行为方式是这样的？为什么事物会存在？

不可观察和不可测试的东西存在于科学探索的范围之外。"新罕布什尔大学的计算宇宙学家内森-穆索克（Nathan Musoke）说："写下数学，说你能解释宇宙，一切都很好，但如果你没有办法测试这个假设，那么这就超出了我们认为的科学范畴。探索无法回答的问题属于哲学或宗教。然而，有可能的是，这些问题的科学衍生答案作为科学方法可以揭开这些地平线上的可见印记而存在。

写下数学，说你能解释宇宙，这一切都很好，但如果你没有办法测试这个假设，那么这就超出了我们认为的科学的范畴。

这种印记是字面上的。拉尔夫-阿尔弗尔和罗伯特-赫尔曼在1948年首次预测，宇宙历史上早期时代留下的一些光可能仍然可以在地球上观察到。然后，在1964年，阿诺-彭齐亚斯和罗伯特-威尔逊在新泽西的贝尔实验室担任射电天文学家，当时他们在射电望远镜中注意到一个奇怪的信号。他们想尽了各种办法来找出噪音的来源--也许是来自纽约市的背景辐射，甚至是鸽子在实验中筑巢的便便？但他们很快意识到，数据与Alpher和Herman的预测相符。

彭齐亚斯和威尔逊发现了大爆炸后40万年的微波辐射，称为宇宙微波背景，是今天的望远镜可以观察到的最古老和最遥远的辐射。在宇宙历史的这个时期，化学反应导致以前不透明的宇宙允许光线不受限制地穿行。这些被膨胀的宇宙拉长的光线，现在以微弱的微波辐射的形式出现在天空中的各个方向。

从那时起，天文学家的实验，如宇宙背景探测器（COBE）、威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和普朗克空间观测站都试图绘制这个宇宙微波背景图，揭示了几个关键的启示。首先，这些微波的温度在整个天空中异常均匀--大约比绝对零度，即宇宙的最低温度高2.725度。第二，尽管它是均匀的，但存在着微小的、与方向相关的温度波动；辐射略微暖和的区域和略微冷的区域。这些波动是早期宇宙在变得透明之前的结构的遗留物，由通过它的声波脉冲和引力井产生，揭示了最早的结构可能已经形成。

至少有一种理论允许用科学的方法来探测这种结构，其假说已经得到了检验，并得到了对这些波动的进一步观察支持。这个理论被称为通货膨胀。膨胀理论认为，我们今天看到的可观察到的宇宙曾经被包含在一个比任何已知粒子都小的空间里。然后，它经历了一阵难以想象的膨胀，持续时间仅为一秒钟的一小部分，由一个由量子力学决定动力学的场所支配。这个时代将微小的量子尺度的波动放大为引力井，最终支配了可观测宇宙的大尺度结构，这些引力井被写入宇宙微波背景数据。你可以把通货膨胀看作是大爆炸理论中 "砰 "的一部分。

我认为有一个相当广泛的共识，即通货膨胀可能会发生。至于它是如何或为什么发生的，是什么导致了它，或者它发生时遵守了什么物理学，则没有什么共识。

这是一个很好的想法，我们可以从宇宙微波背景之外提取知识。但是这些知识导致了更多的问题。"北卡罗来纳州立大学的理论天体物理学家凯蒂-马克说："我认为有一个相当广泛的共识，即通货膨胀可能发生了。"对于它是如何或为什么发生的，是什么导致了它，或者它在发生时遵守了什么物理学，都没有什么共识。"

其中一些新问题可能是无法回答的。"在最开始发生了什么，这些信息对我们来说是模糊的，"麦克说。"我发现我们总是会缺乏信息，这让我感到很沮丧。我们可以提出解释我们所看到的东西的模型，以及比其他模型做得更好的模型，但就验证它们而言，在某些时候，我们将不得不接受存在一些不可知性。"

在宇宙微波背景及其他地方，大的和小的相交；早期宇宙似乎反映了量子行为。类似的对话也发生在尺寸谱的另一端，因为物理学家试图将宇宙在最大尺度上的行为与量子力学的规则相协调。黑洞就存在于这一科学空间中，在这里，引力和量子物理学必须共同发挥作用，而对正在发生的事情的物理描述则在普朗克尺度以下。

在这里，物理学家也在努力设计一种数学理论，虽然它太小而无法直接观察，但会产生可观察的效应。也许这些想法中最有名的是弦理论，它实际上不是一个理论，而是一个数学框架，其基础是像夸克和电子这样的基本粒子不仅仅是斑点，而是一维的弦，其行为控制着这些粒子的性质。这个理论试图解释粒子所经历的各种自然力，而引力似乎是以这种方式思考问题的自然结果。像那些研究任何理论的人一样，弦理论家希望他们的框架能够提出可测试的预测。

事后我们才意识到我们是以错误的方式提出问题的"

找到测试这些理论的方法是一项正在进行的工作。"加利福尼亚大学圣巴巴拉分校卡夫里理论物理研究所教授、2004年诺贝尔物理学奖得主大卫-格罗斯说："人们相信，我们应该能够以某种方式检验这些观点。"这可能是非常间接的--但这并不是一个紧迫的问题。"

寻找测试弦理论（和其他量子引力理论）的间接方法是寻找理论本身的一部分。也许产生小黑洞的实验可以提供一个探索这一领域的实验室，也许弦理论的计算将需要粒子加速器可以找到的粒子。

格罗斯说，在这些小的时间尺度上，我们对空间和时间到底是什么的概念可能会以深刻的方式被打破。"他说："物理学家制定一般问题的方式往往假设了各种先决条件，如时空作为一个平滑的、连续的流形存在。"这些问题可能表述不当。通常情况下，物理学中非常困难的问题需要深刻的跳跃、革命或不同的思维方式，而事后我们才意识到我们问问题的方式是错误的。"

我们能知道的

例如，有些人希望知道在宇宙的开端发生了什么--在时间开始之前发生了什么。"我认为，这不是问问题的正确方式，"格罗斯说，因为问这样的问题可能意味着依赖对空间和时间性质的不正确理解。不是说我们知道正确的方式，还没有。

阻止我们轻易回答关于宇宙的最深层问题的墙壁......好吧，他们觉得不是很好想。但提供一些安慰的事实是，930亿光年非常大，而10^-35米非常小。在最大和最小之间是一个惊人的空间，充满了我们没有但理论上可以知道的东西。

“在天体物理学中，有很多事情我们不了解 - 我们被数据淹没了。质疑我们是否达到了极限，就像恶搞一样。

今天最好的望远镜可以看得很远的距离（请记住，看远也意味着回头看）。哈勃可以看到大爆炸后几亿年的物体，它的继任者韦伯太空望远镜将看得更远，也许是大爆炸后1.5亿年。现有的银河系调查，如斯隆数字巡天和暗能量巡天，已经收集了数百万个星系的数据，后者最近发布了一个拥有3亿个星系的宇宙3D地图。即将在智利建造的Vera C. Rubin天文台将调查天空中多达100亿个星系。

“从天文学的角度来看，我们拥有如此多的数据，以至于我们没有足够的人来分析它，”美国宇航局高级研究所爱因斯坦研究员Mikhail Ivanov说。“在天体物理学中，有很多事情我们不了解 - 我们被数据淹没了。质疑我们是否达到了极限，就像恶搞一样。即便如此，这些令人难以置信的调查也只代表了宇宙估计的2000亿个星系中的一小部分，未来的望远镜可能能够绘制这些星系。

但是，当科学家们试图在这些理论上可访问的空间中玩耍时，一些人想知道真正的极限是否是我们。

今天，粒子物理学似乎面临着一个自己的问题：尽管有许多悬而未决的谜团需要答案，但大型强子对撞机的物理学家自2012年希格斯玻色子以来没有发现任何新的基本粒子。这种缺乏发现的情况让物理学家挠挠头。它排除了以前指导粒子物理学家的一些理论的最简单版本，关于下一步去哪里寻找的明显路标很少（尽管有一些！）。

Beacham认为，这些问题可以通过寻找一直到普朗克尺度的现象来解决。在今天的粒子物理实验的规模和普朗克尺度之间存在着一个巨大的、未知的鸿沟，在这个空间里，没有任何新的发现。探索整个鸿沟将需要大量的能量和越来越强大的对撞机。量子力学说，高动量粒子具有较小的波长，因此需要探测更小的长度尺度。然而，实际探索普朗克尺度可能需要一个足够大的粒子加速器来环绕太阳 - 甚至可能是太阳系大小的粒子加速器。

"他说："也许想到这样一个对撞机是令人生畏的，但这是对达到这个尺度的方法的启发--也是对找出如何用一个更小的设备达到这个尺度的启发。Beacham认为粒子物理学家的责任是探索是否有任何新的物理现象可能存在，一直到普朗克尺度，即使目前没有证据表明有什么可以发现。"我们需要考虑尽可能地提高能量，建造越来越大的对撞机，直到我们达到极限。我们不能选择发现什么，"他说。

或者，也许我们可以使用人工智能来创建模型，完美地解释我们宇宙的行为。再放大一点，费米实验室和芝加哥大学的科学家布莱恩-诺德已经梦想出一个系统，可以在人工智能的帮助下对宇宙进行建模，不断地、自动地用新的观察结果更新其数学模型。这样一个模型可以任意地接近实际描述我们宇宙的模型--它可以产生一个万物理论。但是，与其他人工智能算法一样，它对人类来说将是一个黑盒子。

杜鲁门州立大学的物理学家Taner Edis解释说，这种问题已经出现在我们使用基于软件的工具来制作精确模型的领域。一些软件工具--例如机器学习模型--可能准确地描述了我们生活的世界，但对任何个人来说都太复杂，无法完全理解。换句话说，我们知道这些工具在工作，但不一定是如何工作。也许人工智能将带我们在这条道路上走得更远，我们创造的知识将存在于一个文明及其技术中，由人类和我们为理解宇宙而创造的算法零散地拥有。我们会一起产生一个完整的画面，但是任何一个人都无法接触到。

最后，这类模型可能会提供最高的预测能力，但它们不一定会对有关事物为什么以它们的方式工作的问题提供舒适的答案。也许这在科学家能做的事情--根据初始条件进行预测--和他们希望这些预测能让他们做的事情--引导我们更好地理解我们生活的宇宙之间建立了一个对立面。

科学家们如何才能说服资助者，我们应该建立实验，而不是希望产生新技术或推动社会发展，而只是希望回答深层次的问题？

"我有一种预感，我们将能够有效地实现对宇宙的全面了解，但它将以何种形式出现？"诺德说。"我们将能够完全理解这些知识，还是仅仅作为一种工具来进行预测而不关心其意义？"

从现实的角度思考，今天的物理学家不得不考虑社会最关心的是什么，以及我们的系统和资金模式是否允许我们充分研究我们可以探索的东西，然后才能开始担心我们不能探索的东西。美国立法者经常用应用科学或积极成果的语言来讨论基础科学研究--能源部资助了许多粒子物理学研究。国家科学基金会的使命是 "促进科学进步；促进国民健康、繁荣和福利；确保国防；以及用于其他目的"。

希望获得资助的物理学家必须竞争资源，以便进行促进这些组织使命的研究。虽然许多实验室，如欧洲核子研究中心，只为资助没有军事用途的和平研究而存在，但大多数人仍然吹嘘，间接解决更大的问题将导致新技术--例如互联网，或数据处理和人工智能方面的进展。私人资助组织也是存在的，但它们要么资源有限，要么受任务驱动，要么两者都有。

但是，如果回答这些深刻的问题需要不受......任何东西驱动的思考呢？科学家们如何才能说服资助者，我们应该建立实验，而不是希望产生新技术或推动社会发展，而只是希望回答深层问题？与Vanessa A. Bee在一篇文章中表达的观点相呼应，如果我们今天的制度（对不起，伙计们，我说的是资本主义）实际上是在扼杀创新，而有利于产生一些短期利益呢？如果回答这些问题需要政府认为不可接受的社会政策和国际合作呢？

如果这确实是我们生活的世界，那么不可知的障碍就比光速和普朗克尺度的极限要近得多。它的存在是因为我们集体--我们投票支持的政府，他们资助的机构--不认为回答这些问题重要到可以投入资源。

未知的未知数

在15世纪之前，宇宙仅仅是地球；太阳、月亮和星星是围绕着我们运行的小卫星。到了1543年，尼古拉斯-哥白尼提出了一个以太阳为中心的宇宙模型--太阳位于中心，地球绕着它运行。直到20世纪20年代，埃德温-哈勃才计算出仙女座的距离，并证明银河系并不是整个宇宙；它只是更大宇宙中许多许多星系中的一个。科学家们在20世纪下半叶发现了构成今天粒子物理学标准模型的大部分粒子。当然，相对论和量子理论似乎已经确定了我们必须在其中玩耍的沙盒的大小--但先例表明，沙盒还有更多，甚至在沙盒之外，我们还没有考虑到。但是，也许并没有。

有些事情我们永远不会知道，但这不是思考科学的正确方式。我们不会知道，除非我们试图知道，通过提出问题，精心设计假设，并通过实验来测试它们。巨大的未知，无论是在我们的边界之前还是在我们的边界之外，都提供了无限的机会来提出问题，发现更多的知识，甚至使以前的限制过时。那么，我们不可能真正了解不可知的东西，因为不可知的东西只是当我们不能再进行假设和实验时留下的东西。不可知的东西不是事实，而是我们决定的东西。