我們在地球上，即使是用完美的望遠鏡，最遠也隻能看到400多億光年的距離。這個距離是理論上的極限，和觀測手段無關。我們能夠觀測的宇宙部分，被稱作可視宇宙。可視宇宙的原因是宇宙的曆史有限加上光速有限的結果。宇宙的曆史隻有138億年左右，而信號傳遞的速度不能超過光速，所以我們能夠看到最遙遠的信號，隻有光在138億年的曆史裏走過的距離。可視宇宙的外麵仍然有星星，隻不過那裏的光還沒有傳播到地球來，所以我們看不到它們。關於可視宇宙，我在2011年寫過一篇文章，有興趣的讀者可以去看一下。
http://blog.sina.com.cn/s/blog_5474a9610100rwqb.html
可視宇宙隻是整個宇宙中很小的一部分(甚至可能是無窮小的一部分)，所以對可視宇宙的外部我們知之甚少。不過無法觀察並不意為著不能研究。不要忘記，物理學的研究方法是數學和實驗。既然實驗這條路被堵死了，我們隻好用數學去推一推整個宇宙的結構。一個比較好的起步點是我們可以假設整個宇宙(包括可視以外地部分)都滿足廣義相對論。廣義相對論在可視的部分始終和實驗吻合得不錯，在缺少直接資料的情況下，這一假設雖然不一定正確，但也算是個比較好的出發點。另一個假設則是宇宙學原理：星係在空間的分部在大尺度上是近似均勻的。
在上麵的兩個假設下，宇宙的拓樸結構就隻有三種可能性了，分別對應空間的曲率>1，=1，和<1的情景。第一種是一種封閉的三維空間。這種結構有些像一個皮球的表麵，隻不過多了一微。這樣的宇宙空間是有限的，但是卻沒有邊界：向任何一個方向走，最終都能回到起點。另外兩種可能性，宇宙都是無限大的。曲率等於1的情況對應一個平直的空間，這時就是我們最熟悉的三維歐氏空間，宇宙向外延伸直到無窮。曲率小於1的情景則對應一種類似高維馬鞍麵的拓樸結構，也是無窮大的。聰明的讀者已經注意到了，以上三種情景宇宙都沒有中心。有些不付責任的科普作品說宇宙起源於一個點，似乎宇宙是以這個起點為中心膨脹的，這樣的說法錯莫大焉。至於宇宙究竟是三種情況中的哪一個，就隻好靠觀測來決定了。
可惜的是，我們的觀察隻能是可視的部分，所以很難給出一個確定的答案。這就好比一個人站在北京天安門，想判斷地球表麵是平的還是彎曲的，而他能夠看到的最遠距離隻有北京市的範圍。在這個範圍內地表的變化如此之小，以至於用最先進的儀器也無法判斷出地表的弧度。
在可視宇宙範圍內的觀察，我們認識到，宇宙的曲率是非常非常接近於1的，剛好處在有限和無限的臨界點上。這個結論有很大問題，不要忘記，宇宙在膨脹。如果現在的曲率幾乎等於一，則意為著宇宙在膨脹的初期(比如核合成時期)，在10的負14次方的精度上接近於一。這時個很不可思議的事情，在宇宙學上被稱為準平直疑難。所謂準平直，就是說不是平直，但是非常接近平直。這個故事好比有一天你在海邊慢步，發現一塊大石頭，表麵比鏡麵還光滑，甚至連一個原子的起伏都沒有。這種巧合的可能性極低。
當然，人類能想到的最白癡的解釋方法是智能設計論：石頭不是天然形成的，而是某個高能生物設計的。對應到宇宙就是說上帝在10^-14次方的精度上微調了宇宙的曲率。這個解釋恐怕連羅馬教皇都說服不了。另一種偷懶的方法則是歸咎於人擇原理，人擇原理說，其實有很多很多的宇宙，每個宇宙都有不同的空間曲率，隻不過曲率不接近於1的那些宇宙都無法形成穩定的行星係統，也不可能形成人類，所以能夠形成人類的宇宙必然是曲率很接近於1的。上麵兩個思路都不是物理學的方法，至少不能讓物理學家滿意。本著偶然的背後是必然的原則，物理學家更願意尋找一種自然的方式形成這一“巧合”。或者說根本不是“巧合”，而是某種作用的必然結果。
準平直疑難是暴漲理論形成的因素之一，其它的因素還有視界疑難，磁單極疑難等等。暴漲理論認為，在宇宙形成的初期，有一次極快速的膨脹過程，這一過程隻有10^-32次方秒，宇宙卻膨脹了10^80次方倍。由於暴漲，宇宙在暴漲之前的結構被稀釋了，空間拓樸也變得近似平直。暴漲之前的宇宙結構我們無法了解，因為所有的結構都在暴漲過程中被抹平。現在我們看到的宇宙在細節上的不均勻性，則是在暴漲過程中的量子噪音和微擾形成的。這些噪音和擾動是形成後來大尺度結構(星係)的種子。
暴漲理論確實解釋了很多問題，但是我們仍然缺少最重要的一點：暴漲的起因。這個故事有些像破案：所有的證據都指向一個共同的嫌疑人，似乎有了他，一切反常都能解釋得通。但是這還不夠，我們還缺少最重要的作案動機。如果嫌疑人絲毫沒有作案動機，則再怎麽看似合理的推論也是沒有意義的。
現在物理學的問題不是沒有作案動機，而是動機太多。可惜現有的暴漲的起因都是建立在假設的理論上，至今還沒有一個理論是已有的實驗能夠嚴格證實的。比如有一種理論叫大統一，說得是在很高的能標下，強相互作用和弱相互作用是統一成一種力的。大約在宇宙的溫度降至10^28次方度的時候(那是距離大爆炸開始隻有10^-36次方秒)，強相互作用與弱相互作用分離，釋放出大量的能量，促成了所謂的暴漲。還有一種理論叫做超弦，超弦理論認為，宇宙是11維的時空，在大爆炸開始的時候，7維時空坍塌到了10^-34次方厘米的尺度裏，釋放出大量的真空能，從而促成了剩下4維時空的快速膨脹。除了上麵兩個，還有各式各樣的理論。這些理論都還隻是假設，還沒有被已有的實驗證實。值得欣慰的是，雖然這些理論動輒需要GeV的能量才能實現，但是某些低能效應是可以期盼在LHC全能量運行下看到。
現在的主流物理學界已經對發生過暴漲達成了共識，但是暴漲的起因，模式等等還有很多說法，由於缺少足夠強硬的證據，這種混戰還要持續很長時間。暴漲發生在宇宙大爆炸開始的10^-32次方秒，暴漲時的量子漲落是後來宇宙中形成結構(星係)的種子。之後宇宙的溫度逐漸降低，大約在10^-12次方秒之前形成了暗物質，在10^-12次方秒~10^-6次方秒的時候形成了誇克和輕子，在一分種左右的時候形成了原子核，大約在大爆炸後38萬年的時候，宇宙的溫度下降到3000度左右。電子和原子核結合成中性的原子。這一過程留下了人類能夠看到的最早的光：微波背景幅射。在微波背景幅射之前，由於宇宙處於等離子態，產生的光子不停的被吸收，宇宙是不透明的。所以，微波背景幅射是人類能夠通過光學手段看到的最早的宇宙的情景。
終於說到了Planck. Planck已經是第三代測繪微波背景幅射的望遠鏡了。第一代COBE於1989年發射升空，1992年發布了第一批數據。第二代WMAP2001年發射升空，2006年發布數據。最新的一代Planck衛星，2009年發射升空，2013年發布了首批觀測結構。下麵這個圖可以看出三代望遠鏡的解析度的差異。
ESA公布的Planck在過去三年裏巡天地結果，宇宙的微波背景幅射圖如下，
在宇宙學家眼裏，這個圖裏藏有太多的信息。首先，可以看出這個圖上的顏色是不均勻的。微波背景幅射的不均勻性，來自暴漲時的量子漲落。那些橙色的部分代表較高的溫度，這些部分後來演化成了恒星和星係。原則上說，現在的宇宙中物質的分部可以從這個圖中定量的推算出來。在微波背景幅射形成後的幾十億年裏，星係逐漸形成，暗物質和暗能量都在星係的形成過程中起了決定性的作用。
另一方麵，從這個溫度分部向回推，則可以發掘出一些暴漲的細節。由於背景幅射上的不均勻性來自暴漲時的量子漲落，如果能對這些不均勻性做定量的分析，就可以推知一些暴漲的速度，強度，持續時間等信息。這一次Planck的結果給了物理學家一個驚喜，就是否認了一種稱作\phi^4的暴漲模型。\phi^4是一種最簡單的暴漲模型，認為暴漲是均勻，各向同性的，而溫度的隨機漲落來自暴漲時的白噪音。按照\phi^4的模型，微波背景幅射上的溫度起伏應該是隨機且均勻的，而Planck的結果否認了這一種假說。留意這幅圖，你會意識到中間偏右下的位置有一塊顏色較深的區域，而這塊區域右側顏色較亮，最右下方的深色區域也不好解釋。Planck的溫度分部偏離了\phi^4模型三個標準差以上，這說明暴漲的過程沒有我們想象得那麽簡單。
Planck的結果最終能說明什麽還不好說，宇宙學上還有很多未解之謎。比如這個圖上中間和右方的深色區域究竟代表什麽？要知道，我們的可視宇宙隻是整個宇宙中的一小部分，這些起伏是否是宇宙在更大尺度上的結構呢？做個比喻，如果你隻能看到的世界隻有北京周圍的一小部分，你會認為世界的地形西北高，東南低。但是，北京隻是華北平原的一小部分，華北平原又隻是歐亞大陸的一小部分。希望未來的物理學進展能夠為我們揭示更多的答案。宇宙真的很奇妙。
附：剛才看到了科學鬆鼠會上的文章，講述宇宙的邪惡軸心，並且詳細闡述李惕碚院士，劉浩博士的觀點：http://www.guokr.com/blog/441077/
我更傾向於中國科學家的論述。中國科學家之前的文章沒有得到足夠的重視，很大原因是WMAP的數據還不夠精確，很多人認為這個邪惡軸心隻是隨機的漲落，會隨著更精確的測量消失。而Planck的觀察結果反而更加明確了這個軸心的存在。現在，越來越多的科學家關注到這個問題上，相信中國科學家的理論也會被逐漸重視起來。物理學上永遠是紙包不住火的，是金子早晚都會發光。
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