本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
我们已经学会了穿透太空的深度，看到数千、数百万、甚至数十亿光年之外的恒星和星系。
但我们的视野终究是有限的：我们实际上是生活在一个气泡中。在最遥远的星系之外，视线无论朝哪个方向都会碰到一个背景。一道冷漠而无法逾越的火墙阻挡了视线，就像一道炽热发光的幕布——一道光线无法穿透的墙壁。
当然，天空在我们看来是黑色的——星星在黑色的背景下闪耀——哈勃望远镜看到的也是黑色的。但这仅仅是因为我们的眼睛和哈勃望远镜只能看到光谱中更广泛的光波中狭窄的波长范围。如果我们能够看到远超红外线的波长，一直到微波频谱，火墙的奇观就会立即显现出来。
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我们知道它的存在（而且我们知道它的存在还不到半个世纪），因为我们通过一种叫做宇宙微波背景的辐射探测到它的光芒。探测微波的“相机”可以看到它，就像普通相机可以看到星星一样。
一旦显现出来，这个边界在我们看来就好像我们从气泡的中心向内看气泡内部一样。我们望远镜能看到的一切都位于气泡内部（尽管未来我们也许能够通过全新的观测站，例如使用中微子而不是光线的观测站，收集更早时期的信息）。
想象一下那些装满水和白色斑点的“水晶球”，想象一下把它握在你的手掌中。我们自己的星系，银河系——包括地球、太阳、所有行星以及肉眼可见的所有恒星——只不过是它中心的一粒白色尘埃。所有其他可见的星系也都是尘埃，漂浮在周围的水中。
然后，微波天空就是我们从内部观看的球体。我们中的许多人都在由太空微波天文台制作的地图中看到过那个球体——通常是从外部向内描绘的。这些地图将微波光的不同“颜色”表示为普通颜色。
要理解微波天空的本质，我们必须思考几乎难以想象的空间和时间尺度。我们宇宙的水晶球是如此之大，以至于我们瞥见的其外表面的图像——太空探测器探测到的微波光——花费了超过130亿年的时间才从外表面到达其中心。
球体的边界，火墙，不是真正的物理屏障。相反，在某种意义上，它是我们视角上的一个技巧。它是我们对一个叫做复合的古老宇宙时代的扭曲的、片面的看法。
在大爆炸后的数十万年里，在任何恒星或行星存在之前，宇宙充满了亚原子粒子的热汤。随着宇宙膨胀，这种叫做等离子体的热汤慢慢冷却下来。当它足够冷却时，粒子开始结合成氢原子和氦原子。在一个相对短暂的事件中，发生在大爆炸后大约30万年，所有的等离子体都变成了一种氢气和氦气。
等离子体可以热到发光，但它不是透明的。因此，如果在当时有人在场，他们会目睹空间从发光变成透明。在复合之前，假设一个宇航员在太空行走时可能无法看到母舰。但在复合期间，随着空间变得透明，飞船会从发光雾霾中显现出来。
但即使假设复合在各处同时瞬间发生——事实并非如此——从宇航员的角度来看，并非所有空间都会突然从明亮不透明变成黑暗透明。相反，宇航员会看到一个透明空间的气泡在他周围膨胀。包围着这个气泡的是一道等离子体墙，它以光速向四面八方退去。
为了理解原因，将等离子体到气体的转变与更熟悉的转变进行比较是有帮助的：冰到水的转变。所以想象一下，在一个阳光明媚的日子里，你站在一个巨大的冰冻湖泊中央，并且不知何故，冰有可能在中午12点整瞬间融化，无处不在。
另外，假设光速非常慢——每秒一米，而不是通常的每秒约30万公里。由于光速如此之慢，你实际上不会看到整个湖泊一下子融化。
相反，图像会以明显的延迟到达你的眼睛。因此，在中午过后几秒钟，即使你周围的环境已经变成液体，离你几米以外的湖泊部分看起来仍然是冰冻的。湖泊的其余部分已经是液体了——你只是还看不到而已。中午过了一分钟，湖面看起来仍然只有在60米半径内是液体的——这是光在60秒内传播的距离。十分钟，600米，依此类推。
换句话说，你看到的不是整个表面同时融化，而是一个液态表面盘状物像油污一样向四面八方扩散。根据湖泊的大小，这个扩散的圆圈需要很多分钟才能覆盖整个湖泊，从而使湖泊看起来完全融化。
现在想象一下，你不是站在冰上的一个人，而是一条被困在冰冻水深处的鱼。
中午过后瞬间，你从冰中解脱出来。几秒钟后，你看到你周围有一个球形的液态水体。这个体积看起来像一个从内部看的气泡，在冰内膨胀。随着液态气泡的增长，一个将水与冰分离的球形表面以每秒一米的速度远离你——光速。因此，在任何给定的时间，你朝每个方向看，都会看到一道白色的冰墙。
请注意，这道墙不是真实的。这纯粹是信息传播延迟的影响——光以有限的速度传播的事实。如果你愿意，这就是鱼的无知的边界。
现在回到我们假设的宇航员。正如鱼看到冰在周围，包围着他的水泡一样，宇航员看到一道炽热的等离子体墙包围着他的稀薄氢气泡。或者更确切地说，是一道橙红色的墙：宇宙学家估计，在复合时期，等离子体的温度约为 2,700 开尔文，这个温度会使物质发出橙黄色的光芒。无论如何，等离子体就像冰一样不透明，所以宇航员看不到墙壁之外的任何东西。
随着时间的流逝，宇航员见证了他所在宇宙角落的演变。氢和氦聚结成恒星，在这些恒星内部，较重的元素通过核聚变锻造而成。恒星后来爆炸，并将新型物质洒入星际空间，在那里它再次聚结成恒星，现在也聚结成岩石行星。在复合之后大约八十亿年，宇航员可能会发现我们太阳系和我们自己的地球的形成。
复合后一百三十亿零七百万年。现在的宇宙看起来与早期大不相同。但是那道等离子体墙仍然包围着我们，并且仍在退去。它是我们无知的边界。
因此，由于光速的有限性，我们似乎生活在一个被不透明等离子体包围的透明气泡中。那么为什么夜空不发出橙色的光芒呢？
在某种意义上，它确实发光。宇宙微波背景而不是宇宙橙色背景的唯一原因是红移。红移现象是光波的类比，类似于我们听到警车从我们身边呼啸而过时警笛音调的熟悉变化：当汽车接近时，警笛的声音听起来音调较高，一旦它开始退去，声音就会变低。音调较低的声音具有较长的波长。
自从大爆炸以来，宇宙一直在膨胀。由于这种膨胀，构成橙色光的电磁波在传播到我们这里时不断被拉伸，最终波长增加了大约 1,000 倍。如果你将 2,700 度等离子体的橙色光拉伸 1,000 倍，你就会得到天文学家今天接收到的微波波长。
所以天空——人们很想说是夜空，但因为当时没有地球，也没有太阳，所以没有白天或夜晚——天空曾经是亮橙色的。然后宇宙膨胀了，光的颜色发生了变化，就像一块炽热的铁冷却时颜色发生变化一样，直到它停止发光。
在变黑之前，天空曾经是鲜红色的。
根据我自己的粗略计算，天空变暗的时间大约是在复合后 2600 万年——这基本上与大爆炸后 2600 万年相同。那时仍然没有恒星，当然也没有行星和人类。但对于一个假设的观察者来说，可见的宇宙只会延伸几千万光年——而不是数十亿光年。
与浩瀚的宇宙相比，这确实是一个很小的邻域。如果当前的星系已经存在，从我们目前的位置来看，可见的宇宙除了我们自己的银河系之外，只会包括仙女座和几十个其他主要星系——而不是我们今天可以看到的 1000 亿个或更多。
奇怪的是，一种性质截然不同的黑色幕布可能会在遥远的未来再次出现：因为宇宙现在正在加速膨胀，遥远的星系总有一天会以如此快的速度远离我们，以至于它们发出的光永远无法追上我们。
延伸阅读
致读者：与 SciAm 博客网络的其他部分一样，自由度博客将在 7 月 15 日之前暂停更新。请在那之后回来查看更多帖子！
在准备这篇文章时，我受益于与 Scott Dodelson 和 George Musser 的对话。然而，任何不正确的陈述的责任完全由我承担。
鱼图标由 Bartosz Michalik/Open Clip Art 提供；星空由 Krystof Jetmar/Open Clip Art 提供；CMB 球体由 NASA 提供