天文學家已經(jīng)對宇宙有了廣泛的了解而且日新月異。然而，盡管通過強大的空間望遠鏡我們能夠洞察宇宙深處，通過機器人我們能探訪太陽系的邊緣，但是有仍一些最基本的問題還沒有答案。這里將列出其中最大的十個。
1.大爆炸之前存在什么？
天文學家過去的標準回答是：這個問題沒有意義——因為你還可以問在北極以北存在什么。但是，這一態(tài)度正在轉(zhuǎn)變。有越來越多的理論正在被提出來，它們不僅預想了大爆炸之前的時間，甚至還有其他的宇宙。
我們知道什么？
大爆炸是由確鑿的證據(jù)建立起來的理論，描述了自宇宙比原子還小時起至今的演化歷程。但這個理論并沒有告訴我們?nèi)魏斡嘘P(guān)宇宙是如何以及為什么起源——或者在此之前存在什么——的信息。一種可能性是在大爆炸中創(chuàng)造出了我們已知的時間和空間。然而，并不能由此得出在大爆炸發(fā)生前空無一物的結(jié)論。
古希臘哲學家巴門尼德說：“不可能無中生有?！贝搜酝瑯右策m用于大爆炸，科學還沒有辦法解釋宇宙是如何從“無”創(chuàng)生的。結(jié)果是，有越來越多的宇宙學家正在思考是某種東西引發(fā)了大爆炸的可能性。有一些理論正試圖為此提供答案。
其中之一便是永恒暴脹，它提出膨脹的宇宙會在真空中不斷地被創(chuàng)造出來，它們每一個都會像泡泡一樣的膨脹。該理論認為，我們的宇宙就是這些泡泡中的一個，而其他的宇宙則存在于不同的泡中。不過，這些其他宇宙中的每一個在時間和空間上都彼此遠離，不可能進行相互間的通訊。這個真空會以極高的速度膨脹，使得不同宇宙間的距離不斷拉大。
其他的理論則專注于循環(huán)宇宙的想法，即宇宙會經(jīng)歷創(chuàng)生、毀滅和重生的循環(huán)。盡管這些理論能為大爆炸之前提供一個可能的解釋，但它們?nèi)詻]有解決一個甚至更基本的問題：為什么在一開始就會有東西存在于那里，而不是“空無一物”？
我們能獲得答案嗎？
通過宇宙背景輻射，也許能尋找其他宇宙在我們宇宙中所留下的印跡。已有嘗試，但沒有成功——估計在相當長的時間里都難以取得進展。
2.為什么宇宙沒有在形成后就立刻湮滅？
大爆炸理論提出，當時間開始時，物質(zhì)和反物質(zhì)會等量地被創(chuàng)造出來。如果確實如此，那么當物質(zhì)和反物質(zhì)相接觸時，宇宙就應(yīng)該轉(zhuǎn)化成純粹的能量形式，即在超強的輻射中毀滅。但宇宙卻存活了下來，而且?guī)缀醪缓魏畏次镔|(zhì)。
我們知道什么？
我們對于這個世界的許多觀念都基于大自然的對稱法則。但是在宇宙誕生之初，每形成10億個反物質(zhì)粒子，就會形成10億外加1個物質(zhì)粒子。這正是為什么宇宙至今仍存在的原因。
這一不平衡打破了電荷宇稱對稱性，后者維持著每個粒子都有一個與之等效的、電荷相反的反粒子?？茖W家們需要在與目前的標準模型——它從數(shù)學上可以解釋宇宙中所有已知的粒子——相容的框架下來解釋電荷宇稱對稱性的破缺是如何發(fā)生的。當然，這些現(xiàn)象也需要在實驗中得到驗證，由此科學家們才會去尋找它背后的原因。
物理實驗已經(jīng)能制造出物質(zhì)和反物質(zhì)。但已經(jīng)觀測到的電荷宇稱對稱性破缺太微不足道，無法解釋宇宙中差別。
然而，科學家們在2010年取得了進展，在一個實驗中創(chuàng)造出的μ介子要比反μ介子多1%。這雖然體現(xiàn)出了差別，但我們?nèi)圆恢涝撊绾谓忉尅?br>
我們能獲得答案嗎？
在發(fā)現(xiàn)了微小的電荷宇稱對稱性破缺多年之后，我們現(xiàn)在已經(jīng)看到了標準模型的不足之處。更多的實驗將會拉近我們和這個問題答案之間的距離。
3.物質(zhì)是如何聚集成星系的？
緊接著在大爆炸之后，宇宙中便充滿了高溫且發(fā)光的氣體。幾億年之后，這些氣體中的一部分聚集形成了第一代星系。但這一星系形成過程究竟是如何開始的呢？
我們知道什么？
今天我們所能觀測到的星系都形成于大爆炸之后不到5億年的時間里。它們發(fā)出的光需要非常長的時間才能抵達地球，于是當我們朝宇宙深處望去的時候，其實就等價于在回溯時間，這讓我們可以看到宇宙剛形成后不久時天體的樣子。
得益于這些觀測，天文學家們對于星系形成是如何開始的有了一些認識。他們可以大致看到小型星系之間的碰撞并逐漸融合成目前我們所看到的大型星系。但不清楚的一點是，是什么原因使得充滿宇宙的氣體開始聚集成星系的。
天文學家主要專注于兩個主要因素。一個是由大爆炸所產(chǎn)生的密度漲落。這些漲落使得氣體的分布并不均勻——在某些地方氣體的密度會比其他地方稍高一點。天文學家們曾認為，在高密度區(qū)域中，氣體會以更快的速度收縮，之后便形成了星系。但計算表明，這一密度不足以形成星系。于是另一個因素——暗物質(zhì)——登上了舞臺。
暗物質(zhì)仍是理論上的物質(zhì)，它們和普通物質(zhì)之間僅通過引力發(fā)生相互作用且和普通物質(zhì)有著不同的行為。計算機模擬顯示，暗物質(zhì)會迅速聚合成形似蛛網(wǎng)、充滿宇宙的長細絲結(jié)構(gòu)。這些細絲也許能為星系形成提供所需的額外引力，特別是當這些細絲彼此相交時。
哈勃空間望遠鏡新近的觀測表明，星系的分布與暗物質(zhì)細絲的分布大致相當，預示后者可能在星系形成中起到了作用。
然而，更大的問題是，暗物質(zhì)是什么？同樣仍不知道的是，其他的載體，例如黑洞，到底在其中又起到了什么樣的作用。
我們能獲得答案嗎？
很快，空間和地面上的高新望遠鏡就會讓我們觀測到第一代星系的形成。和有關(guān)暗物質(zhì)的新認識一起，也許會解決這個謎題。
4.宇宙由什么構(gòu)成
宇宙看上去充滿了恒星、行星和氣體星云。然而，許多計算顯示還存在其他我們看不見的東西。這些未知的成分到底是什么？
我們知道什么？
有著特定大小的星系必須以一個特定的速率轉(zhuǎn)動以此來免于解體，但根據(jù)它們所發(fā)出的光，這些星系所擁有的恒星太少了。大質(zhì)量的天體會彎曲由遙遠星系發(fā)出且途經(jīng)它們的光線，但觀測到的彎曲程度卻超出了預期，預示有不可見的物質(zhì)在影響它。天文學家們認為不可見的暗物質(zhì)可以解釋這些失蹤的引力。此外，宇宙正在加速膨脹，這可能是由被稱為暗能量的斥力所驅(qū)使的。
根據(jù)愛因斯坦提出的能量和質(zhì)量之間的關(guān)系，我們可以把宇宙中的能量轉(zhuǎn)化成質(zhì)量，這樣就能告訴我們宇宙中有多少是由暗物質(zhì)和暗能量構(gòu)成的。但是我們對這些成分仍知之甚少。中微子和弱相互作用大質(zhì)量粒子位列暗物質(zhì)的候選體，而暗能量則遠更神秘得多。
我們能獲得答案嗎？
科學家們正在地下建造探測器來探測弱相互作用大質(zhì)量粒子和其他可能的暗物質(zhì)粒子。暗能量則更為復雜，有關(guān)它的組成還沒有可靠的理論。目前研究它仍很困難，因為目前還難以精確測量宇宙膨脹的加速度。
5.宇宙有多少維度？
自愛因斯坦引入了時空的概念起，我們把宇宙描述成擁有4個維度：3維空間和1維時間。但是新的弦理論研究顯示宇宙有11個維度。
我們知道什么？
雖然沒有確鑿的證據(jù)表明有4維以上的維度存在，但許多物理學家認為這些額外維確實存在，因為特定的理論需要如此——尤其是弦理論，它甚至需要7個額外的空間維度。
目前，弦理論還是純理論的范疇：僅有數(shù)學描述，沒有實驗證據(jù)。然而，許多物理學家認為，它是統(tǒng)一自然界所有已知相互作用的最佳模型。它并不把粒子描述成沒有大小的幾何點，而是會振動的弦。然而，為了讓弦理論奏效，這些弦必須要能在高維空間里振動。11維空間是高度抽象的數(shù)學計算的結(jié)果。
6或者7個額外的空間維度蜷縮進了非常小的物理空間里。這個空間小到在我們的宇宙中難以通過物理實驗來探測它們。
我們能獲得答案嗎？
科學家們可以使用粒子加速器來探測一個粒子的質(zhì)量或能量是否會滲透到其他的維度里，由此證明后者的存在。大型強子對撞機實驗目前還沒有獲得結(jié)果，因此不太可能在短時間內(nèi)找到答案。
6.有東西能逃逸出黑洞嗎？
天文學家們認為宇宙中充滿了黑洞。最大的黑洞有幾十億個太陽質(zhì)量，位于星系的中心。但是在黑洞形成的時候發(fā)生了什么？它是物質(zhì)和信息就此永遠消失的地方嗎？
我們知道什么？
黑洞是愛因斯坦廣義相對論的直接產(chǎn)物，視界將黑洞的內(nèi)部和外部的宇宙隔絕開。在黑洞的中心有一個奇點，它所有的物質(zhì)就集中在那里。進入視界的任何東西都會就此從這個宇宙消失。
但在1974年，英國物理學家霍金提出，量子力學能讓輻射逃離視界——即霍金輻射，導致黑洞緩慢地蒸發(fā)。但是我們并不知道是否能從黑洞復原出（雖然可能會面目全非的）信息。
量子力學認為信息不可能憑空消失。而且，黑洞的奇點也與量子力學不相容，因此黑洞可能要比廣義相對論所描述的更復雜得多。
我們能獲得答案嗎？
距離我們最近的黑洞也遠在數(shù)千光年之外，在這個距離上無法觀測到極其微弱的霍金輻射。所以，研究黑洞將會是非常的困難。
7.自然法則純屬巧合？
許多物理學家計算發(fā)現(xiàn)，即便是對自然法則的微小改變也會使得生命變得不可能。換句話說，對于生命而言這個宇宙是獨一無二的，或者至少對于我們所知的生命是如此。
我們知道什么？
我們還無法確定為什么自然法則會以這種形式存在，不過有三種可能的解釋。
第一，宇宙是有意被創(chuàng)造出來的且被精調(diào)到了可以承載生命。不過，這是一個宗教而非科學的觀點。
第二，改變自然法則本身也許就是不可能的，因為它們會在其他地方產(chǎn)生影響。如果自然法則之間彼此相關(guān)，一個有著其他物理法則和常數(shù)的宇宙也能適合于生命，只要宇宙能存在足夠長的時間讓生命得以演化。
第三，有海量的宇宙存在，每一個都有著各自的自然法則。如果它們能存在足夠長時間，生命就有可能在其中一些里起源。
我們能獲得答案嗎？
就算終極理論最終成功實現(xiàn)，也不太可能解決這個問題。我們所知的科學是否能為此預言或者提供一個答案都尚存疑問。
8.可觀測宇宙之外是什么？
我們能觀測的宇宙是有限的。那在可觀測宇宙之外還存在什么？它對于地球上的我們又有什么影響？
我們知道什么？
宇宙的年齡大約為137億年，但由于它在膨脹，因此可以看到的宇宙要比我們所想象的更大。例如，一個星系所發(fā)出的光花了100億年的時間抵達我們，但當我們看到它時，它到我們的距離已遠遠不止100億光年，因為當它所發(fā)出的光在傳播的過程中宇宙一直在膨脹。將其計算在內(nèi)， 可觀測宇宙的半徑差不多是420億光年，這是地球上的天文學家理論上所能看到的最遠距離。
在它之外很可能還存在這其他東西。大爆炸理論允許在可觀測宇宙之外還存在無限的空間。被稱為第一類多重宇宙，它很可能由和我們宇宙相同的成分所組成。
理論提出還存在第二、三和四類多重宇宙，以及多重宇宙中無數(shù)個的宇宙，不過它們和我們在空間上并無交集。這些宇宙中的每一個都可以是真空中的一個泡，有著我們僅能用數(shù)學來描述的性質(zhì)。在每個泡中的自然法則可能不盡相同。如果真是如此，那我們的宇宙之外會是一個真空，而且在很遠的地方還有其他的宇宙泡。
有關(guān)第一類無窮宇宙的理論會得出一個有趣的哲學結(jié)論：如果自然法則處處相同，那么任何東西都會重復自身無窮多遍，包括地球、銀河系和宇宙中的其他每一樣東西。甚至還有你。也許另一個你此時也正在閱讀一篇有關(guān)宇宙秘密的文章。
我們能獲得答案嗎？
雖然很難觀測可觀測宇宙之外的東西，但這也許是可能的。2008年天文學家發(fā)現(xiàn)星系的運動受到了極為遙遠物體的引力影響，這個物體可能位于可觀測宇宙之外。對這一暗流現(xiàn)象的觀測也許能給出新的發(fā)現(xiàn)。
9.生命會在不同的地方起源嗎？
如果生命是自然法則的必然結(jié)果，那我們沒有在其他地方發(fā)現(xiàn)生命的跡象就顯得很奇怪。如果宇宙中存在其他的智慧生命，為什么我們還有收到他們的信息？
我們知道什么？
眼下科學家們還只能根據(jù)地球上存在的生命對宇宙中其他地方生命存在的可能性進行評估。地球的漫長歷史為我們提供了兩條重要的線索。第一，在地球變得宜居之后不久生命便出現(xiàn)了。第二，在很長一段時間里只存在單細胞生物。這也許說明，雖然生命起源相對容易，但朝向多細胞生物的跨越卻并不簡單。
單細胞和多細胞生物之間存在著巨大的差異。除了一比數(shù)萬億的細胞數(shù)目的顯著差異之外，一些被稱為嗜極生物的微生物還可以在極端惡劣的環(huán)境下生存，例如類似火星表面上、金星大氣中或者是木星衛(wèi)星上的條件。
更高級的生物通常經(jīng)不起這些險惡的環(huán)境。根據(jù)在地球上的經(jīng)驗，我們知道最復雜的動物和植物無法忍受微生物卻可以生存的極端條件。如果我們希望找到更高級的生命形式，我們應(yīng)該搜尋銀河系中那些有著和地球相似氣候的行星。
幾十年來我們還試圖收聽外星人發(fā)來的信息，但也沒有成功。從宇宙的角度來說，這只是短暫的一瞬間，但它也體現(xiàn)出了一個矛盾：如果還存在其他的智慧生物，那其中一些可能會領(lǐng)先我們幾百萬年。他們會有足夠的時間來探索整個銀河系，甚至殖民每一顆宜居的行星，于是找到他們的蹤跡不應(yīng)該這么困難。由于我們還沒有找到他們，一些科學家認為其實我們是銀河系中的唯一。
我們能獲得答案嗎？
對于太陽系中的其他生命，我們應(yīng)該很快就會有答案了。至于太陽系之外的，則會難得多。也許未來的技術(shù)能讓我們來分析太陽系外行星大氣中的生命跡象。另外，外星人總有自己突然冒出來的可能性。
10.宇宙將會如何終結(jié)？
正如每樣活著的東西都必將死去，宇宙也會終結(jié)。但目前的理論能幫助我們預言它的死亡嗎？
我們知道什么？
宇宙學家已經(jīng)知道了兩個重要事實：宇宙正在加速膨脹，但其能源有限。這意味著在遙遠的未來，恒星會一個接一個的死去，直到僅剩下小的紅矮星。這些恒星燃燒氫的速度非常慢，可以存活1百萬億年。
即便是在未來的未來，星系間的距離會繼續(xù)增大，最終在可觀測宇宙中幾乎再也看不到其他的星系。而星系也會逐漸解體。其中的一些恒星會被中央的超大質(zhì)量黑洞吞食，而其他的則會甩入無垠的真空中。最終，在一個完全漆黑的宇宙中只剩下了流浪的黑洞和死去的恒星。
根據(jù)不同的宇宙學模型，還能想象出其他的結(jié)局。也許暗能量能驅(qū)使宇宙不斷地膨脹下去，最終將其撕裂。又或者我們會在和另一個宇宙的碰撞中獲得重生。
之前，科學家們都認為宇宙的膨脹最終會停止轉(zhuǎn)而開始收縮，物質(zhì)會再一次被擠壓入一個點。但自從暗能量被發(fā)現(xiàn)以來，這個想法基本上已經(jīng)被拋棄。
我們能獲得答案嗎？
我們也許能成功地預言宇宙在未來幾十億年里的演化，但鑒于不可能確鑿地證實這么多的宇宙學理論，宇宙的最終命運仍會是一個謎。
