你有没有想过，如果把一杯水一直冷却下去会发生什么？0度结冰、-10度更冷，-100度、 -200度呢？你可能会觉得，只要冷却设备足够厉害，温度可以无限往下降。但宇宙会告诉你不行，到了零下273.15度一切戛然而止，这个温度叫绝对零度，是宇宙给温度划定的死亡线，没有任何东西能比这更冷，哪怕差0.000001度都不行。这就奇怪了，宇宙为什么要设这么一条线，更奇怪的是，当你真的想碰这条线的时候，你会发现你永远也碰不到。科学家用了100多年把温度降到了绝对零度之上的1/10,0000度，但就是没法再进一步，不是技术不行，是宇宙本身不允许。
宇宙里存在着一堆看不见的墙，它们规定了最快的速度、最低的温度、最短的距离、最小的时间，这些墙不是人类造的，是宇宙自己的规则。而最诡异的是，这些墙你不但翻不过去，你甚至连碰都碰不到。先说速度，每秒30万公里，这是光在真空中的速度。爱因斯坦在1905年说，这是宇宙的速度上限，没有任何东西能比光更快。100多年过去，无数实验验证了这个结论，没有一个例外。
但问题来了，为什么是光速，为什么不是2倍光速、10倍光速，宇宙凭什么要设这么个限制。要理解这件事得先搞清楚一个反直觉的事实，光速不是光的速度，是因果关系传递的速度上限。什么意思呢？你现在坐在这里，你的朋友在月球上，你想告诉他一句话，不管用什么方式，无线电、激光甚至还没发明出来的任何技术，这句话最快也要1.3秒才能到达。不是因为信号跑得慢，而是因为宇宙规定，原因和结果之间必须有最短的间隔，光速就是这个间隔的极限。
听起来象是宇宙在故意刁难我们，但其实这条规则保护了整个宇宙的逻辑。设想一下，如果你能超越光速会怎样，根据相对论，当你的速度超过光速的那一瞬间，时间会开始倒流，你会比你发出的信号更早到达目的地。再极端一点，你可以在事情发生之前就看到结果，然后可以回去阻止它发生，这就是著名的因果悖论，果在因之前。原因还没发生，结果已经出现了，整个宇宙的逻辑会彻底崩塌，所以光速不是一堵任意设置的墙，它是宇宙维护自身逻辑一致性的底线。
但这还没完，光速这堵墙有个特别阴险的地方，你永远也碰不到它。爱因斯坦的质能方程告诉我们，当一个有质量的物体加速时，它的能量会增加，速度越快需要的能量越多，这个关系不是线性的而是指数级的，当你接近光速时，需要的能量会趋向无穷大。什么意思呢，假设你有一艘飞船，你想把它加速到光速的90%，这已经很快了每秒27万公里，但要达到这个速度，你需要的能量大概相当于把整艘飞船的质量完全转化成能量的1.3倍。继续加速到光速的99%需要的能量变成7倍，99.92%十二倍，99.99%70倍。你看出规律了吗？越接近光速，每前进一小步需要付出的代价就越大，当你无限接近光速时需要的能量也趋向无限，而宇宙中的能量是有限的。所以从数学上说，任何有质量的物体都不可能达到光速，不是差一点点，是永远差那么一点点。这就是宇宙极限的第一个诡异之处，它象一条渐近线，你可以无限接近但永远无法触及。
速度说完了再来说温度，温度到底是什么？我们平时说热说冷，感受的其实是微观粒子的运动，空气热是因为空气分子在疯狂乱窜，水冷是因为水分子运动变慢了，温度本质上就是微观粒子平均动能的度量。那问题来了，粒子能不能完全停下来？理论上当所有粒子都完全静止、一点都不动的时候，温度就是绝对零度--零下273.15摄氏度，也叫0开尔文，这是温度的数学下限，因为运动不可能比静止更少了。但实际上宇宙说不行，你到不了那里，第一个障碍是热力学第三定律，这条定律说，要把任何系统冷却到绝对零度需要无限多的步骤，每一步都能让温度降低一点。但每降低一点下一步就更难，这跟光速那个问题一模一样，越接近极限代价越大，永远差那么一点点。
但还有个更深层的障碍-量子力学，海森堡不确定性原理说，你不可能同时精确知道一个粒子的位置和动量，如果一个粒子完全静止了，那它的动量就是精确的零，这意味着它的位置将完全不确定，可以在宇宙的任何地方。反过来，如果粒子被限制在某个空间里，比如一个原子核附近，那它就不可能完全静止，必须保持某种最低限度的运动，这种运动叫做零点能。即使在绝对零度，粒子仍然在抖动，不是因为有热量，而是因为量子力学不允许它完全停下来。完全静止违反了不确定性原理，所以绝对零度不是冷到极致，而是冷到量子力学开始说不的地方。这里有个很有意思的细节，零点能不是虚无缥缈的理论概念，它是真实存在的。液氦在接近绝对零度时不会凝固成固体，因为氦原子的零点能太大了，大到能阻止原子排列成晶体结构，这就是为什么液氦可以一直保持液态，直到你对它施加巨大的压力。宇宙在温度的底部设置了一层量子迷雾，让你永远无法触及那条绝对的零度线。
说完了最快和最冷，现在来说最小。你把一根尺子折断、再折断、再折断，能折到多小？从直觉上说应该可以无限折下去，1厘米、1毫米、1微米、1纳米...... 没有理由停下来.但宇宙说有个最小长度叫做普朗克长度，大约是10的-35次方米。这个数字小到什么程度呢，如果把一个质子放大到太阳那么大，普朗克长度大概只有一根头发丝那么粗。为什么会有这么个东西，这要从量子力学和广义相对论的冲突说起。量子力学告诉我们，要观察越小的东西需要越高能量的探测器，这很好理解，就象你想看清楚越小的细节需要波长越短的光，波长越短能量越高。广义相对论告诉我们，能量会弯曲时空，能量越集中时空弯曲得越厉害。当能量集中到一定程度，时空会弯曲成黑洞。现在把这两件事放在一起，你想观察越小的尺度需要越高的能量，能量越高时空弯曲越厉害。当你想观察小于普朗克长度的尺度时，需要的能量会高到直接把那片空间弯曲成黑洞，你什么都看不见，这不是技术限制，是原理上的死路。空间本身在普朗克长度以下变得没有意义，或者说我们现有的物理学在那个尺度完全失效，那里可能不是空间太小，而是空间这个概念本身已经不存在了。
与普朗克长度配套的还有普朗克时间，大约是10的-43次方秒，这是宇宙中最短的有意义的时间间隔，比这更短的时间不是太快了，而是时间这个概念可能已经瓦解了。有意思的是，把普朗克长度除以光速刚好等于普朗克时间，这不是巧合，这说明时间和空间在最底层是锁死在一起的。宇宙的时空结构有一个最小的颗粒度，小于这个颗粒度，时空本身就不再是平滑连续的了。你可以把宇宙想象成一块屏幕，从远处看屏幕上的图像是连续的，但凑近了看，你会发现图像其实是由一个个像素组成的普朗克尺度。可能就是宇宙这块屏幕的像素大小，再往下没有更小的像素了。
好了，现在来说一个更刺激的，宇宙中最大的密度极限。你可能知道物质是可以被压缩的，空气可以压缩、水可以压缩，甚至钢铁在足够大的压力下也能被压缩。那有没有一个极限，物质不能再被压得更密？有的，但这个极限的实现方式超乎想象。当一颗大质量恒星死亡时，它的核心会在自身引力下坍缩，如果质量够大，坍缩会突破所有已知的阻力，先突破电子简并压力变成中子星。如果还不够大，继续突破中子简并压力，然后就没有然后了。根据我们目前的理论，没有任何力量能阻止继续坍缩，物质会被压缩到一个体积为0密度为无限大的点，这个点叫做起点，是黑洞的核心。
但等一下，体积为0密度无限大，这在数学上叫做发散，通常意味着理论出了问题。绝大多数物理学家认为，起点不是真的存在，而是广义相对论在极端条件下失效的信号，更有可能的情况是，在某个极端密度下量子效应会介入阻止进一步坍缩，这个密度大概在普朗克密度附近，约为每立方cm 5*10的93次方克，这个数字大到什么程度呢？把整个可观测宇宙的所有物质压缩到一个原子核那么大密度都达不到这个数。所以，黑洞起点可能不是一个真正的点，而是一团我们还不理解的东西被困在一个极小的空间里，宇宙在那里设了一道门，门后面是我们物理学的盲区。
说到黑洞就不得不提另一个极限-事件视界，事件视界不是一个物理屏障，你不会撞上什么东西，它是一条信息的单向门，任何东西包括光一旦越过事件世界就永远无法返回，对外界观察者来说，事件世界里面发生的一切都是不可知的。这引出了一个很哲学的问题：事件世界里面的东西还存在吗？如果一件事在原则上不可能被任何外界观察者检验，它的存在有意义吗？霍金辐射让这个问题更加复杂，黑洞会缓慢蒸发，释放出热辐射，理论上一个黑洞最终会完全蒸发掉，那么曾经掉进黑洞的信息去哪了？根据量子力学，信息不能被销毁，但根据霍金辐射的计算，那些信息似乎消失了，这就是黑洞信息悖论，是目前物理学最大的未解之谜之一。它告诉我们，在宇宙的这个极限边缘，我们最基本的物理定律正在打架，量子力学和广义相对论不能同时都对。
现在来说一个最细思极恐的极限宇宙的边界，我们的可观测宇宙是一个直径约930亿光年的球体，注意是可观测宇宙不是整个宇宙。这个边界的存在不是因为宇宙在那里结束了，而是因为更远处的光还没来得及到达我们这里。但这里有个诡异的现象，这个边界正在以超光速远离我们。等等，不是说没有东西能超过光速吗？对，没有东西能在空间中超过光速，但空间本身可以。宇宙在膨胀，而且膨胀的速度与距离成正比，距离我们越远的地方远离我们的速度越快，在某个距离之外空间膨胀的速度超过了光速，那里的光永远不可能到达我们这里，因为光在空间中跑，而空间本身在更快的远离。这意味着存在一个我们永远无法触及的宇宙部分，不是暂时触及不到，是原则上永远不可能。那里可能有星系、有行星甚至有文明，但他们永远不会出现在我们的天空中，我们永远不会收到他们的信号，我们和他们在因果关系上彻底脱节了。更诡异的是，由于宇宙在加速膨胀，这个不可触及的区域正在变大。曾经在我们可观测范围内的星系正在被推出去，永远消失在世界之外，几千亿年后除了本星系群，其他所有星系都会消失。那时候的智慧生命看向天空，会以为宇宙只有一个孤独的星系，其他一切都是虚空。宇宙不仅设置了边界，还在不断扩大这个边界内的孤独。
现在来说说能量的极限，能量能无限大吗？理论上好象没有上限，普朗克能量大约是每个粒子携带20亿焦耳的能量，相当于一箱汽油的化学能，这已经是我们能用粒子加速器达到的能量的万亿倍以上，但从原理上说，没有定律禁止更高的能量。然而宇宙有另一招，能量太集中会变成黑洞。我们刚才说过了，但还有更基本的限制，宇宙中的总能量是有限的，而且可能精确的等于0。这话听起来矛盾，让我解释一下，宇宙中有正能量，这是物质、辐射、你和我。但宇宙中也有负能量，这是引力场的能量，一个物体下落时它的动能增加，但引力势能减少，总能量守恒，引力势能是负的。有一种计算表明，宇宙中所有正能量和所有引力负能量加起来可能刚好等于零，如果这是真的，那宇宙就是一顿免费的午餐，从虚无中来，总账为零，不违反任何守恒定律。但这也意味着宇宙的能量不能无限增加，宇宙中能使用的能量是有限的，而且在不断减少。
这就引出了下一个极限：熵。熵是宇宙中最无情的极限，热力学第二定律说在任何封闭系统中，熵永远不会减少，熵可以增加，可以保持不变，但永远不会降低，这是自然界中唯一一条给时间指定方向的定律。什么是熵？简单说熵是无序度，是能量分布的均匀程度，是做功能力的减少。当你烧一块木头，化学能变成热量散发到周围空气中，能量没有消失，但它从集中变得分散，从有用变得无用，你不能把空气中散开的热量再收集回来变成一块完整的木头。宇宙的熵在不断增加，恒星在燃烧把集中的核能变成分散的光和热，黑洞在缓慢蒸发把物质变成弥漫的辐射，所有过程都在增加宇宙的熵，让能量变得越来越分散、越来越没用，最终在极其遥远的未来宇宙会达到热寂状态。那时所有能量都均匀分布，所有地方温度相同，接近绝对零度，没有温度差就没有能量可以流动，没有能量流动就不能做任何功，没有功就没有任何变化、没有任何事件、没有任何时间可言，这是宇宙的最终极限，不是一堵你撞上去的墙而是一片无尽的平静，所有结构消散、所有活动停止，剩下的是永恒的虚空，既没有意义、也没有无意义。因为，那时已经没有任何东西能定义意义了，这是最冷的结局、也是最热的结局，因为在热寂状态冷和热已经没有区别了。
但在抵达这个终点之前，宇宙还有无数种方式在提醒我们极限的存在。比如信息的极限，一个区域内能存储的最大信息量是多少，你可能觉得可以无限，多用更小的单位就行了。但宇宙说不行，贝肯斯坦界限告诉我们，一个特定区域内能存储的最大信息量与这个区域的表面积成正比而不是体积。这非常反直觉，你以为一个球体的存储空间应该和它的体积有关，但实际上是和表面积有关。如果你试图在一个区域内塞入超过贝肯斯坦界限的信息，那个区域就会坍缩成黑洞，黑洞的表面积恰好等于它能存储的最大信息量，再多一比特都不行。这引出了一个惊人的猜想，也许我们的三维宇宙是某个更高维边界上信息的投影，就象全息图一样，这就是全息原理。它暗示宇宙的三维空间可能是一种幻觉，真正的信息都编码在一个遥远的二维边界上。
极限还体现在数学本身的边界上，哥德尔不完备定理证明，在任何足够强大的数学系统中总存在一些真命题是无法在这个系统内被证明的。数学有它自己的极限，不是因为我们不够聪明，而是因为逻辑本身有边界。图灵的停机问题证明，不存在一个通用的算法能判断任意程序是否会停止，计算也有它的极限，不是因为计算机不够快，而是因为有些问题在原理上就不可计算。海森堡的不确定性原理证明，你不可能同时精确知道一个粒子的位置和动量，测量本身有它的极限，不是因为仪器不够精确，而是因为同时精确的位置和动量在量子世界中根本就不存在。你有没有发现，所有这些极限都有一个共同的特点，他们不是技术上的障碍而是原理上的边界，光速不是因为我们的飞船不够快，是因为因果关系的传递有最大速度；绝对零度不是因为我们的冷却设备不够厉害，是因为量子力学不允许粒子完全静止；普朗克长度不是因为我们的尺子不够精细，是因为在更小的尺度上空间本身失去了意义；熵增不是因为我们的效率不够高，是因为宇宙的时间之箭永远指向混乱。这些极限划定了宇宙的游戏规则，在这些规则之内一切都可以发生，恒星可以诞生和死亡、生命可以进化和消亡、文明可以崛起和衰落。但规则本身是不可逾越的，你可以无限接近但永远无法触及。
那么为什么宇宙要设置这些极限，有一种观点认为，这些极限不是限制而是让宇宙能够存在的条件，如果没有光速极限，因果关系就会崩溃，时间旅行会创造悖论，历史会变成一团浆糊；如果没有量子不确定性，原子就会坍缩，电子会螺旋落入原子核，物质会在瞬间崩溃；如果没有熵增定律，时间就没有方向，过去和未来无法区分，生命也无从演化。这些极限不是宇宙的缺陷而是宇宙能够运转的前提，它们是一套精密的游戏规则，让复杂结构得以存在、让时间得以流动、让我们得以思考为什么会有这些规则。还有一种更深刻的观点，也许这些极限是我们提问方式的边界，而不是宇宙本身的边界，当我们问最快的速度是多少时，我们预设了速度是一个有意义的概念。但在某些情况下，比如量子纠缠中两个粒子的关联是瞬时的，不存在任何传递速度的概念，信息没有移动，因为没有什么东西在移动。当我们问最小的长度是多少时，我们预设了长度是一个有意义的概念，但在普朗克尺度以下空间可能不再是连续的，测量可能不再有意义。问最小长度就象问北极点的北边是什么一样，不是答案是零，而是这个问题本身已经没有意义了。所以，也许当我们碰到这些极限时，宇宙不是在说你走的太远了，而是在说你问错了问题。
最后，让我们回到开头的那杯水，那杯水不能被冷却到绝对零度，不是因为冷却技术的问题，而是因为绝对零度这个概念本身包含着矛盾，完全静止的粒子违反了不确定性原理，所以绝对零度在物理上是不可能达到的。但这并不意味着绝对零度不存在，它作为一个数学极限存在，作为一个我们可以无限接近但永远无法触及的点存在，这可能就是宇宙最深刻的秘密，极限存在但永远无法被触及。它们象是彼岸，指引方向却永不抵达。你可以把火箭加速到光速的99.999999%，但剩下的那0.000001%需要整个宇宙的能量；你可以把温度降到绝对零度之上的1/10,0000度，但剩下的那1/10,0000度需要无限的工作；你可以把时空切分到普朗克尺度，但再往下时空本身就不再是时空了。宇宙的极限不是终点而是渐近线，我们永远在接近、永远在路上、永远差那么一点点，但也正是这差的一点点让旅程得以继续。
想象一下，如果我们真的能达到绝对零度、达到光速、到达宇宙的边缘，触摸到普朗克尺度以下的真实，那之后呢？还有什么问题可问、还有什么目标可追？也许，宇宙设置这些永远无法触及的极限不是为了限制我们，而是为了让我们永远有追求的方向。就象一条渐进线，虽然永远不会与坐标轴相交，但它定义了曲线的走势、给了图形意义。那些极限就是宇宙的渐近线，它们定义了物理定律的边界，划定了可能与不可能的分界，让混沌变成秩序，让虚无变成存在。我们每一次尝试逼近他们都在加深对宇宙的理解，我们每一次碰壁都在发现新的物理学，从这个意义上说，永远无法触及的极限反而是我们永恒前进的动力。宇宙不允许真正的极限，因为真正的极限意味着终点，而宇宙似乎不喜欢终点，它更喜欢无限的旅程、永恒的追问和那永远差的一点点。这一点点可能就是宇宙存在的理由，也可能这一点点就是我们存在的理由，毕竟我们就是宇宙用来理解这些极限的方式。而理解永远不会完成，永远不会有真正的答案，因为真正的答案可能根本就不存在。存在的只是问题、只是探索、只是对极限永远的接近，这就够了，这就是宇宙给我们最好的礼物：不是终点是旅途，不是答案是问题，不是到达是追寻，而追寻本身可能就是宇宙存在的意义！
