宇宙從何而來？它將走向何方？回答這些問題需要我們理解兩個截然不同的尺度上的物理學：宇宙學尺度，指的是星系超星系團和整個宇宙的領域；以及量子尺度，即原子和原子核的反直覺世界。
對於我們想要了解的關於宇宙的大部分知識，經典宇宙學就足夠了。這個領域受引力支配，正如愛因斯坦的廣義相對論所描述的那樣，它不關注原子和原子核。但是，在我們宇宙的生命週期中，存在一些特殊的時刻——例如宇宙的嬰兒期，當時整個宇宙只有原子大小——在這些時刻，對小尺度物理學的忽視會讓我們失敗。為了理解這些時代，我們需要一個量子引力理論，它可以描述圍繞原子旋轉的電子和圍繞太陽運動的地球。量子宇宙學的目標是設計並將量子引力理論應用於整個宇宙。
量子宇宙學並非膽小者所為。它是理論物理學的狂野西部，只有少數觀測事實和線索來指導我們。它的範圍和難度像神話中的海妖一樣呼喚著年輕而雄心勃勃的物理學家，最終卻讓他們陷入困境。但是，現在有一種明顯不同的感覺，來自黑洞物理學的最新突破——這也需要理解量子力學和引力同樣重要的領域——可能有助於我們從量子宇宙學中提取一些答案。在我參加的一次虛擬物理學會議上，這種新的樂觀情緒顯而易見，會議專門設立了一個討論環節，討論這兩個領域之間的交叉。我原本以為這次活動會門可羅雀，但實際上，許多物理學界的泰斗都出席了，他們充滿想法，準備開始工作。
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事件視界
黑洞和我們的宇宙作為一個整體之間存在某種聯絡的第一個跡象是，兩者都表現出“事件視界”——過了這個點，兩個人似乎永遠失去了聯絡，無法返回。黑洞的引力非常強大，以至於在某個點，即使是宇宙中最快的東西——光——也無法逃脫它的引力。光線被捕獲的邊界因此是圍繞黑洞中心的球形事件視界。
我們的宇宙也有一個事件視界——1998 年一項驚人且出乎意料的發現證實了這一事實，即空間不僅在膨脹，而且其膨脹正在加速。任何導致這種加速的原因都被稱為暗能量。加速像黑洞一樣捕獲光：隨著宇宙膨脹，空間區域彼此強烈排斥，以至於在某個點，即使是光也無法克服這種分離。這種內外顛倒的情況導致了一個圍繞著我們的球形宇宙學事件視界，使一定距離之外的一切都處於黑暗之中。然而，宇宙學事件視界和黑洞事件視界之間存在一個關鍵的區別。在黑洞中，時空正在向一個單點——奇點——坍縮。在廣闊的宇宙中，整個空間都在均勻地增長，就像一個正在膨脹的氣球表面。這意味著遙遠星系中的生物將擁有自己獨特的球形事件視界，這些視界圍繞著它們，而不是我們。我們當前的宇宙學事件視界大約在 160 億光年之外。只要這種加速持續下去，今天發出的任何超過該距離的光線將永遠無法到達我們。（宇宙學家也談到粒子視界，但令人困惑的是，粒子視界也經常被稱為宇宙學視界。這指的是早期宇宙中發出的光線尚未到達地球的距離之外。在我們的故事中，我們將只關注宇宙學事件視界，我們通常將其簡稱為宇宙學視界。這些是加速宇宙獨有的，就像我們的宇宙一樣。）
黑洞和我們宇宙之間的相似之處還不止於此。1974 年，斯蒂芬·霍金表明，黑洞並非完全是黑色的：由於量子力學，它們具有溫度，因此會像所有熱體一樣發射物質和輻射。這種稱為霍金輻射的發射是導致黑洞最終蒸發的原因。事實證明，由於非常相似的效應，宇宙學視界也具有溫度並會發射物質和輻射。但是，由於宇宙學視界圍繞著我們，並且輻射向內墜落，因此它們會重新吸收自身的排放，因此不會像黑洞那樣蒸發。
霍金的啟示提出了一個嚴重的問題：如果黑洞可以消失，那麼其中包含的資訊也可能消失——這違反了量子力學的規則。這就是所謂的黑洞資訊悖論，這是一個深刻的難題，使量子力學和引力的結合變得複雜。但在 2019 年，科學家取得了巨大的進步。透過概念和技術進步的融合，物理學家認為，黑洞內部的資訊實際上可以從離開黑洞的霍金輻射中獲取。（有關科學家如何解決這個問題的更多資訊，請參閱我的同事艾哈邁德·阿爾姆海里 此處的文章。）
這一發現重新激發了我們這些研究量子宇宙學的人。由於黑洞和宇宙學視界之間存在數學上的相似性，我們中的許多人長期以來一直認為，如果不瞭解前者，我們就無法理解後者。弄清楚黑洞成為了一個熱身問題——有史以來最難的問題之一。我們尚未完全解決我們的熱身問題，但現在我們有了一套新的技術工具，可以為引力和量子力學在黑洞事件視界存在下的相互作用提供美麗的見解。
熵和全息原理
黑洞資訊悖論的最新進展部分源於全息原理的思想，該原理由荷蘭烏得勒支大學的傑拉德·特霍夫特和斯坦福大學的倫納德·薩斯坎德在 1990 年代提出。全息原理指出，可以描述黑洞的量子引力理論不應在所有其他物理理論都使用的普通三維空間中制定，而應在像一張紙一樣的二維空間中制定。這種方法的主要論點非常簡單：黑洞具有熵——衡量您可以將多少東西塞入其中的指標——這與黑洞事件視界的二維面積成正比。
將此與更傳統的系統——例如，盒子中的氣體——的熵進行對比。在這種情況下，熵與盒子的三維體積成正比，而不是面積。這是很自然的：您可以將東西塞入盒子內空間中的每個點，因此如果體積增長，熵也會增長。但是，由於黑洞內空間的曲率，您實際上可以在不影響視介面積的情況下增加體積，並且它不會影響熵！即使天真地看來您有三個維度的空間可以塞入東西，黑洞熵公式也告訴您，您只有兩個維度的空間，即一個面積的量。因此，全息原理指出，由於黑洞的存在，量子引力應被制定為維度更少的更為普通的非引力量子系統。至少這樣熵才能匹配。
空間可能並非真正的三維，這個想法在哲學上相當引人注目。至少它的一個維度可能是一種湧現現象，它源於其更深層的本質，而不是明確地硬連線到基本定律中。現在研究空間的物理學家瞭解到，空間可以從大量簡單的組成部分中湧現出來，類似於其他湧現現象，例如意識，意識似乎是從基本的神經元和其他生物系統中湧現出來的。
黑洞資訊悖論進展中最令人興奮的方面之一是，它指向了對全息原理的更普遍理解，而全息原理以前僅在與我們真實宇宙非常不同的情況下才被精確化。然而，在 2019 年的計算中，黑洞內部的資訊在霍金輻射中的編碼方式在數學上類似於引力系統根據全息原理在較低維度非引力系統中的編碼方式。這些技術可以用於更像我們宇宙的環境中，為理解真實世界中的全息原理提供了一種可能的途徑。關於宇宙學視界的一個顯著事實是，它們也具有熵，其公式與我們用於黑洞的公式完全相同。這種熵的物理意義遠不清楚，我們許多人希望將新技術應用於我們的宇宙將闡明這個謎團。如果熵像黑洞一樣衡量您可以將多少東西塞入視界之外，那麼我們將對宇宙中可以存在多少東西有一個明確的界限。
外部觀察者
黑洞資訊悖論的最新進展表明，如果我們收集黑洞蒸發時發出的所有輻射，我們可以訪問落入黑洞內部的資訊。宇宙學中最重要的概念問題之一是，宇宙學事件視界是否也可能發生同樣的情況。我們認為它們像黑洞一樣輻射，那麼我們是否可以透過收集其輻射來訪問宇宙學事件視界之外的東西？或者是否有其他方法可以跨越視界？如果不是，那麼我們浩瀚而豐富的宇宙的大部分最終將永遠丟失。這是我們未來的一幅陰暗景象——我們將被留在黑暗中。
幾乎所有試圖解決這個問題的嘗試都要求物理學家人為地將自己從加速膨脹的宇宙中抽離出來，並想象從外部觀察它。這是一個關鍵的簡化假設，它更接近於模擬黑洞，在黑洞中，我們可以透過簡單地將觀察者放置在遠處來乾淨利落地將觀察者與系統分離。但是，似乎無法逃脫我們的宇宙學視界；它圍繞著我們，如果我們移動，它也會移動，這使得這個問題更加困難。然而，如果我們想將我們在黑洞研究中獲得的新工具應用於宇宙學問題，我們必須找到一種從外部觀察宇宙視界的方法。
有不同的方法來構建外部觀察者視角。最簡單的方法之一是考慮一個假設的輔助宇宙，該宇宙與我們自己的宇宙在量子力學上糾纏在一起，並研究輔助宇宙中的觀察者是否可以訪問我們宇宙中超出觀察者視界的資訊。在我與康奈爾大學的托馬斯·哈特曼和蔣亦鯤所做的工作中，我們構建了輔助宇宙和其他場景的示例，並表明觀察者可以像我們訪問黑洞視界之外的資訊一樣訪問宇宙學視界之外的資訊。（普林斯頓大學的陳一鳴、瑞士 EPFL 的維克多·戈爾本科和新澤西州普林斯頓高階研究所 [IAS] 的胡安·馬爾達西那撰寫的一篇補充論文顯示了類似的結果。）
但是，這些分析都存在一個嚴重的缺陷：當我們研究“我們的”宇宙時，我們使用了一個收縮而不是膨脹的模型宇宙。在量子宇宙學的背景下，這種宇宙更容易描述。我們並不完全理解為什麼，但這與我們可以將黑洞內部視為一個收縮的宇宙有關，在收縮的宇宙中，一切都被擠壓在一起。透過這種方式，我們對黑洞的新理解可以輕鬆幫助我們研究這種型別的宇宙。
即使在這些簡化的情況下，我們也在努力解決一些令人困惑的問題。一個問題是，很容易構建多個同時存在的外部觀察者視角，以便每個外部觀察者都可以訪問收縮宇宙中的資訊。但這意味著多人可以訪問同一條資訊並獨立地操縱它。然而，量子力學是嚴格的：它不僅禁止資訊被銷燬，而且還禁止資訊被複制。這個想法被稱為不可克隆定理，而多個外部觀察者似乎違反了它。在黑洞中，這不是問題，因為儘管仍然可以有很多外部觀察者，但事實證明，他們中沒有兩個人可以獨立訪問內部的同一條資訊。這個限制與只有一個黑洞，因此只有一個事件視界有關。但是在膨脹的時空中，不同的觀察者具有不同的視界。然而，馬薩諸塞理工學院的亞當·萊文和我一起進行的工作表明，來自黑洞背景的相同技術工具也可以幫助避免這種不一致性。
邁向更真實的理論
儘管已經取得了令人興奮的進展，但到目前為止，由於黑洞視界和宇宙學視界這兩種型別的視界之間存在差異，我們還無法將我們從黑洞視界中學到的知識直接應用於我們宇宙的宇宙學視界。
最終目標是什麼？沒有外部觀察者視角，沒有收縮的宇宙，沒有變通方法：我們想要一個完整的膨脹宇宙量子理論，從我們身處巨獸腹中的角度進行描述。許多物理學家認為，我們最好的選擇是提出一個全息描述，這意味著使用比通常的三維空間更少的維度。我們有兩種方法可以做到這一點。第一種方法是使用弦理論的工具，該理論將自然界的基本粒子視為振動弦。當我們以完全正確的方式配置該理論時，我們可以提供某些黑洞視界的全息描述。我們希望對宇宙學視界也這樣做。許多物理學家已經為此方法投入了大量工作，但它尚未為像我們這樣的膨脹宇宙產生完整的模型。
獲得全息描述的另一種方法是透過尋找這種描述應具有的屬性的線索。這種方法是科學標準實踐的一部分——使用資料構建一個可以重現資料的理論，並希望它也能做出新的預測。然而，在這種情況下，資料本身也是理論性的。即使在不完全理解完整理論的情況下，它們也是我們可以可靠計算的事物，就像我們可以在不使用量子力學的情況下計算棒球的軌跡一樣。這個想法的工作原理如下：我們計算經典宇宙學中的各種事物，可能摻雜一點量子力學，但我們儘量避免量子力學和引力同等重要的情況。這構成了我們的理論資料。例如，霍金輻射是一條理論資料。必須為真的是，量子宇宙學的完整、精確理論應該能夠在適當的範圍內重現這條理論資料，就像量子力學可以重現棒球的軌跡一樣（儘管方式比經典力學複雜得多）。
領導提取這些理論資料的是一位強大的物理學家，他對量子宇宙學問題有著超自然的關注：倫敦國王學院的狄俄尼索斯·安尼諾斯已經在這個主題上工作了十多年，併為全息描述提供了許多線索。世界各地的其他人也加入了這項工作，包括 IAS 的愛德華·威滕，他是一位在量子引力和絃理論領域佔據主導地位數十年的傑出人物，但他傾向於避開量子宇宙學的狂野西部。他與 IAS 的文卡特薩·錢德拉塞卡蘭、羅馬第二大學的羅伯託·隆戈和加州大學伯克利分校的傑弗裡·彭寧頓合作，正在研究觀察者與宇宙學視界之間不可分割的聯絡如何影響量子宇宙學的數學描述。
有時我們雄心勃勃，試圖在量子力學和引力同等重要的情況下計算理論資料。不可避免地，我們必須對完整、精確理論在這種情況下的行為施加一些規則或猜測。我們許多人認為，最重要的理論資料之一是量子宇宙學理論組成部分之間的糾纏量和模式。薩斯坎德和我制定了計算這些資料的不同提案，在 COVID 大流行早期的數百封電子郵件往來中，我們不斷爭論哪個更合理。斯坦福大學的伊娃·西爾弗斯坦是另一位在量子宇宙學領域有著長期記錄的傑出物理學家，她和她的合作者為計算這些理論資料提供了另一種提案。
量子宇宙學中糾纏的本質仍在研究中，但似乎很明顯，掌握它將是邁向全息描述的重要一步。這樣一個具體、可計算的理論是該學科迫切需要的，這樣我們就可以將其輸出與科學家積累的大量理論資料進行比較。沒有這個理論，我們將停留在類似於在沒有量子力學幫助解釋其模式的情況下填寫元素週期表的階段。
物理學家在學習到有關黑洞的新知識後，很快轉向宇宙學，這有著豐富的歷史。故事通常是相同的：我們被擊敗和羞辱，但在舔舐傷口後，我們又回來從黑洞那裡學習更多東西。在這種情況下，我們對黑洞的認識深度以及世界各地科學家對量子宇宙學的廣泛興趣可能講述一個不同的故事。
