我们在地球上，即使是用完美的望远镜，最远也只能看到400多亿光年的距离。这个距离是理论上的极限，和观测手段无关。我们能够观测的宇宙部分，被称作可视宇宙。可视宇宙的原因是宇宙的历史有限加上光速有限的结果。宇宙的历史只有138亿年左右，而信号传递的速度不能超过光速，所以我们能够看到最遥远的信号，只有光在138亿年的历史里走过的距离。可视宇宙的外面仍然有星星，只不过那里的光还没有传播到地球来，所以我们看不到它们。关于可视宇宙，我在2011年写过一篇文章，有兴趣的读者可以去看一下。
http://blog.sina.com.cn/s/blog_5474a9610100rwqb.html
可视宇宙只是整个宇宙中很小的一部分(甚至可能是无穷小的一部分)，所以对可视宇宙的外部我们知之甚少。不过无法观察并不意为着不能研究。不要忘记，物理学的研究方法是数学和实验。既然实验这条路被堵死了，我们只好用数学去推一推整个宇宙的结构。一个比较好的起步点是我们可以假设整个宇宙(包括可视以外地部分)都满足广义相对论。广义相对论在可视的部分始终和实验吻合得不错，在缺少直接资料的情况下，这一假设虽然不一定正确，但也算是个比较好的出发点。另一个假设则是宇宙学原理：星系在空间的分部在大尺度上是近似均匀的。
在上面的两个假设下，宇宙的拓朴结构就只有三种可能性了，分别对应空间的曲率>1，=1，和<1的情景。第一种是一种封闭的三维空间。这种结构有些像一个皮球的表面，只不过多了一微。这样的宇宙空间是有限的，但是却没有边界：向任何一个方向走，最终都能回到起点。另外两种可能性，宇宙都是无限大的。曲率等于1的情况对应一个平直的空间，这时就是我们最熟悉的三维欧氏空间，宇宙向外延伸直到无穷。曲率小于1的情景则对应一种类似高维马鞍面的拓朴结构，也是无穷大的。聪明的读者已经注意到了，以上三种情景宇宙都没有中心。有些不付责任的科普作品说宇宙起源于一个点，似乎宇宙是以这个起点为中心膨胀的，这样的说法错莫大焉。至于宇宙究竟是三种情况中的哪一个，就只好靠观测来决定了。
可惜的是，我们的观察只能是可视的部分，所以很难给出一个确定的答案。这就好比一个人站在北京天安门，想判断地球表面是平的还是弯曲的，而他能够看到的最远距离只有北京市的范围。在这个范围内地表的变化如此之小，以至于用最先进的仪器也无法判断出地表的弧度。
在可视宇宙范围内的观察，我们认识到，宇宙的曲率是非常非常接近于1的，刚好处在有限和无限的临界点上。这个结论有很大问题，不要忘记，宇宙在膨胀。如果现在的曲率几乎等于一，则意为着宇宙在膨胀的初期(比如核合成时期)，在10的负14次方的精度上接近于一。这时个很不可思议的事情，在宇宙学上被称为准平直疑难。所谓准平直，就是说不是平直，但是非常接近平直。这个故事好比有一天你在海边慢步，发现一块大石头，表面比镜面还光滑，甚至连一个原子的起伏都没有。这种巧合的可能性极低。
当然，人类能想到的最白痴的解释方法是智能设计论：石头不是天然形成的，而是某个高能生物设计的。对应到宇宙就是说上帝在10^-14次方的精度上微调了宇宙的曲率。这个解释恐怕连罗马教皇都说服不了。另一种偷懒的方法则是归咎于人择原理，人择原理说，其实有很多很多的宇宙，每个宇宙都有不同的空间曲率，只不过曲率不接近于1的那些宇宙都无法形成稳定的行星系统，也不可能形成人类，所以能够形成人类的宇宙必然是曲率很接近于1的。上面两个思路都不是物理学的方法，至少不能让物理学家满意。本着偶然的背后是必然的原则，物理学家更愿意寻找一种自然的方式形成这一“巧合”。或者说根本不是“巧合”，而是某种作用的必然结果。
准平直疑难是暴涨理论形成的因素之一，其它的因素还有视界疑难，磁单极疑难等等。暴涨理论认为，在宇宙形成的初期，有一次极快速的膨胀过程，这一过程只有10^-32次方秒，宇宙却膨胀了10^80次方倍。由于暴涨，宇宙在暴涨之前的结构被稀释了，空间拓朴也变得近似平直。暴涨之前的宇宙结构我们无法了解，因为所有的结构都在暴涨过程中被抹平。现在我们看到的宇宙在细节上的不均匀性，则是在暴涨过程中的量子噪音和微扰形成的。这些噪音和扰动是形成后来大尺度结构(星系)的种子。
暴涨理论确实解释了很多问题，但是我们仍然缺少最重要的一点：暴涨的起因。这个故事有些像破案：所有的证据都指向一个共同的嫌疑人，似乎有了他，一切反常都能解释得通。但是这还不够，我们还缺少最重要的作案动机。如果嫌疑人丝毫没有作案动机，则再怎么看似合理的推论也是没有意义的。
现在物理学的问题不是没有作案动机，而是动机太多。可惜现有的暴涨的起因都是建立在假设的理论上，至今还没有一个理论是已有的实验能够严格证实的。比如有一种理论叫大统一，说得是在很高的能标下，强相互作用和弱相互作用是统一成一种力的。大约在宇宙的温度降至10^28次方度的时候(那是距离大爆炸开始只有10^-36次方秒)，强相互作用与弱相互作用分离，释放出大量的能量，促成了所谓的暴涨。还有一种理论叫做超弦，超弦理论认为，宇宙是11维的时空，在大爆炸开始的时候，7维时空坍塌到了10^-34次方厘米的尺度里，释放出大量的真空能，从而促成了剩下4维时空的快速膨胀。除了上面两个，还有各式各样的理论。这些理论都还只是假设，还没有被已有的实验证实。值得欣慰的是，虽然这些理论动辄需要GeV的能量才能实现，但是某些低能效应是可以期盼在LHC全能量运行下看到。
现在的主流物理学界已经对发生过暴涨达成了共识，但是暴涨的起因，模式等等还有很多说法，由于缺少足够强硬的证据，这种混战还要持续很长时间。暴涨发生在宇宙大爆炸开始的10^-32次方秒，暴涨时的量子涨落是后来宇宙中形成结构(星系)的种子。之后宇宙的温度逐渐降低，大约在10^-12次方秒之前形成了暗物质，在10^-12次方秒~10^-6次方秒的时候形成了夸克和轻子，在一分种左右的时候形成了原子核，大约在大爆炸后38万年的时候，宇宙的温度下降到3000度左右。电子和原子核结合成中性的原子。这一过程留下了人类能够看到的最早的光：微波背景幅射。在微波背景幅射之前，由于宇宙处于等离子态，产生的光子不停的被吸收，宇宙是不透明的。所以，微波背景幅射是人类能够通过光学手段看到的最早的宇宙的情景。
终于说到了Planck. Planck已经是第三代测绘微波背景幅射的望远镜了。第一代COBE于1989年发射升空，1992年发布了第一批数据。第二代WMAP2001年发射升空，2006年发布数据。最新的一代Planck卫星，2009年发射升空，2013年发布了首批观测结构。下面这个图可以看出三代望远镜的解析度的差异。
ESA公布的Planck在过去三年里巡天地结果，宇宙的微波背景幅射图如下，
在宇宙学家眼里，这个图里藏有太多的信息。首先，可以看出这个图上的颜色是不均匀的。微波背景幅射的不均匀性，来自暴涨时的量子涨落。那些橙色的部分代表较高的温度，这些部分后来演化成了恒星和星系。原则上说，现在的宇宙中物质的分部可以从这个图中定量的推算出来。在微波背景幅射形成后的几十亿年里，星系逐渐形成，暗物质和暗能量都在星系的形成过程中起了决定性的作用。
另一方面，从这个温度分部向回推，则可以发掘出一些暴涨的细节。由于背景幅射上的不均匀性来自暴涨时的量子涨落，如果能对这些不均匀性做定量的分析，就可以推知一些暴涨的速度，强度，持续时间等信息。这一次Planck的结果给了物理学家一个惊喜，就是否认了一种称作\phi^4的暴涨模型。\phi^4是一种最简单的暴涨模型，认为暴涨是均匀，各向同性的，而温度的随机涨落来自暴涨时的白噪音。按照\phi^4的模型，微波背景幅射上的温度起伏应该是随机且均匀的，而Planck的结果否认了这一种假说。留意这幅图，你会意识到中间偏右下的位置有一块颜色较深的区域，而这块区域右侧颜色较亮，最右下方的深色区域也不好解释。Planck的温度分部偏离了\phi^4模型三个标准差以上，这说明暴涨的过程没有我们想象得那么简单。
Planck的结果最终能说明什么还不好说，宇宙学上还有很多未解之谜。比如这个图上中间和右方的深色区域究竟代表什么？要知道，我们的可视宇宙只是整个宇宙中的一小部分，这些起伏是否是宇宙在更大尺度上的结构呢？做个比喻，如果你只能看到的世界只有北京周围的一小部分，你会认为世界的地形西北高，东南低。但是，北京只是华北平原的一小部分，华北平原又只是欧亚大陆的一小部分。希望未来的物理学进展能够为我们揭示更多的答案。宇宙真的很奇妙。
附：刚才看到了科学松鼠会上的文章，讲述宇宙的邪恶轴心，并且详细阐述李惕碚院士，刘浩博士的观点：http://www.guokr.com/blog/441077/
我更倾向于中国科学家的论述。中国科学家之前的文章没有得到足够的重视，很大原因是WMAP的数据还不够精确，很多人认为这个邪恶轴心只是随机的涨落，会随着更精确的测量消失。而Planck的观察结果反而更加明确了这个轴心的存在。现在，越来越多的科学家关注到这个问题上，相信中国科学家的理论也会被逐渐重视起来。物理学上永远是纸包不住火的，是金子早晚都会发光。
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