希臘哲學家柏拉圖在他的《洞穴寓言》中描述了這樣一群囚犯，他們一生都被鎖在一個黑暗洞穴的牆壁上。囚犯身後有一團火焰，火焰和囚犯之間遊行著物體，這些物體將陰影投射到囚犯視野中的牆壁上。這些二維陰影是囚犯們唯一見過的東西——他們唯一的現實。他們的鐐銬阻止了他們感知真實的世界，一個比他們所知的世界多一個維度的領域，一個充滿複雜性的維度，並且——囚犯們不知道——能夠解釋他們所看到的一切。
柏拉圖的想法很有道理。
我們可能都生活在一個巨大的宇宙洞穴中，它是在存在的最初時刻創造的。在標準的說法中，宇宙是在一場大爆炸中誕生的，這場大爆炸始於一個無限密集的點。但根據我們最近進行的計算，我們或許可以將宇宙的開始追溯到大爆炸之前的時代——一個具有額外空間維度的時代。這個原始宇宙可能留下了可見的痕跡，即將到來的天文觀測可能會揭示出來。
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宇宙在我們看來存在於三個空間維度和一個時間維度中——我們將這種幾何結構稱為“三維宇宙”。在我們的設想中，這個三維宇宙僅僅是一個四維空間世界的影子。具體來說，我們整個宇宙是在這個超宇宙中的一次恆星內爆中誕生的，這次內爆在一個四維黑洞周圍創造了一個三維殼層。我們的宇宙就是那個殼層。
我們為什麼要假設聽起來如此荒謬的事情？我們有兩個理由。首先，我們的想法不是空閒的猜測——它們牢牢地紮根於描述空間和時間的數學之中。
在過去的幾十年裡，物理學家們發展出了一種豐富的全息理論，這是一套數學工具，使他們能夠將一個維度中事件的描述轉化為不同維度的物理學。例如，研究人員可以求解相對簡單的二維流體動力學方程，並使用這些解來理解在一個更復雜的系統中發生的事情——例如，三維黑洞的動力學。在數學上，這兩種描述是可互換的——流體充當了非凡黑洞的完美類比物。
全息術的成功使許多科學家相信，這裡起作用的不僅僅是一個簡單的數學變換。也許維度之間的界限不如我們想象的那麼穩定。也許宇宙的規則是用另一組維度書寫的，並被翻譯成我們感知到的三個維度。也許，就像柏拉圖的囚犯一樣，我們個人的處境欺騙我們相信世界是三維的，而事實上，只有當我們從第四維度尋找解釋時，才能更深入地理解我們所感知到的東西。
我們的四維宇宙值得思考還有第二個原因。對這個宇宙的深入研究可以幫助我們理解關於宇宙起源和本質的深刻問題。例如，考慮一下大爆炸，這個最初的閃光將我們的宇宙帶入了存在。現代宇宙學認為，大爆炸之後立即是“暴脹”——空間快速膨脹的時期，早期宇宙的體積增加了 10
78 倍（或更多）。然而，這種膨脹並沒有提供關於是什麼導致了大爆炸的見解。相比之下，我們的四維宇宙為我們提供了最終謎題的答案：宇宙從何而來？
已知和未知的宇宙
我們對四維宇宙的調查是由於我們在思考三維宇宙時遇到的問題而產生的。現代宇宙學已經取得了巨大的成功，但其成功掩蓋了深刻而複雜的謎團，這些謎團可能適合用全息解釋。
宇宙學家可以使用幾個方程（其中最主要的是阿爾伯特·愛因斯坦提供的方程）和五個獨立的數字或引數來描述整個宇宙的歷史——從今天一直追溯到大爆炸後不到一秒的一小部分。這些引數包括普通物質、暗物質和暗能量的密度（稍後會詳細介紹），以及早期宇宙中量子漲落的振幅和形狀。這個模型——Lambda 冷暗物質 (Λ-CDM) 宇宙學正規化——描述了數百個（如果不是數千個）觀測資料點，涵蓋了從一百萬光年到 100 億光年的尺度，一直到我們可觀測宇宙的邊緣。
但這些觀測上的成功並不意味著我們的任務已經完成。宇宙的故事充滿了令人不安的漏洞。我們面臨著關於宇宙本質的基本問題——我們迄今為止還無法回答的問題。
問題 1：我們不理解這五個引數。
我們對 Λ-CDM 模型的五個引數的起源沒有令人滿意的解釋，其中一些引數必須非常精確地選擇才能與觀測結果一致。考慮一下宇宙中物質和能量的密度。僅僅在幾十年前，天文學家還認為普通物質——構成元素週期表的元素——將是質量-能量的主要形式。宇宙學觀測徹底修正了這一圖景（並因此獲得了三項諾貝爾獎）。我們現在知道，普通物質的密度僅佔宇宙總能量密度的 5%。
另外 25% 以暗物質的形式出現，暗物質是一種未知的物質形式，其存在是從其引力吸引力推斷出來的[參見博格丹·A·多佈雷斯庫和唐·林肯的“隱藏宇宙之謎”]。宇宙的 70% 由暗能量構成，暗能量是一種神秘的東西，它導致我們宇宙的膨脹速度加快而不是因引力吸引而減慢[參見約書亞·弗里曼的“在黑暗中觀察”]。暗物質和暗能量是什麼？為什麼它們分別佔宇宙的 25% 和 70%？我們不知道。
如果我們能更好地理解大爆炸——空間和時間在溫度高於 10
27 度的熱等離子體中突然起源，也許就能找到答案。很難想象大爆炸後瞬間的宇宙狀態如何導致我們今天觀察到的景象——一個溫度幾乎均勻且具有平坦、大尺度空間幾何結構（三角形內角和為 180 度）的宇宙。
宇宙暴脹可能是我們理解宇宙大尺度結構的最好想法。暴脹會傾向於“展平”宇宙，消除時空中的任何彎曲區域，並使其達到均勻的溫度。就像宇宙放大鏡一樣，暴脹還在此過程中將能量密度中的微小量子漲落放大到宇宙尺寸。這些漲落反過來又成為星系、恆星、行星甚至包括我們自己在內的生命有機體等結構生長的種子。
暴脹通常被認為是一種非常成功的正規化。幾十年來，宇宙學家一直在透過觀測宇宙微波背景 (CMB) 輻射來檢驗暴脹的預測，宇宙微波背景輻射是早期宇宙中密度漲落的宇宙記錄。普朗克衛星最近的觀測證實，我們的宇宙是平坦的（或非常接近平坦），並且均勻性優於六萬分之一——正如暴脹所預測的那樣。此外，觀測到的原始物質漲落的振幅和形狀與我們預期暴脹放大量子真空的方式大致一致。
問題 2：我們沒有完全理解暴脹。
我們可能會問，是什麼驅動了這種暴脹，這需要大量的能量。我們想象，在大爆炸後不久，宇宙中充滿了能量，這種能量以一種假設的粒子形式存在，稱為暴脹子（發音為“IN-flah-tahn”）。最近在日內瓦附近歐洲核子研究中心的大型強子對撞機上發現的希格斯粒子與擬議的暴脹子有許多共同的特性，並且可能是暴脹子的候選者。暴脹子可能既對早期的加速膨脹負責，也對我們宇宙中的結構負責，因為早期宇宙中唯一顯著的密度差異是由暴脹子場能量中的微小量子漲落引起的。
但暴脹子並沒有解決我們的問題；它只是把問題往後推了一步。暴脹子的性質、它的來源以及如何找到它仍然是謎。我們不確定它是否真的存在。
此外，物理學家不理解如何自然地結束暴脹。如果某種能量場驅動著指數膨脹的宇宙，是什麼會讓該場突然關閉？而且，我們缺乏對暴脹時代之前我們宇宙歷史的令人滿意的描述——大爆炸後最初的萬億分之一的萬億分之一的萬億分之一秒。
問題 3：我們不理解這一切是如何開始的。
宇宙學最大的挑戰是理解大爆炸本身——所有空間、時間和物質從一個無限密集的點（稱為奇點）突然、猛烈地出現。奇點是一個難以想象的奇異事物，一個空間和時間向內彎曲自身的點，使得區分未來和過去成為不可能。所有的物理定律都失效了。奇點是一個沒有秩序或規則的宇宙。任何可能邏輯上存在的東西都可能從奇點中產生。我們沒有理由認為奇點會產生一個像我們所看到的這樣有序的宇宙。
我們預計宇宙從奇點中出現將是難以想象的混亂，到處都有巨大的溫度波動。此外，暴脹的放大能力可能不會消除一切。事實上，如果這些漲落太大，暴脹可能永遠沒有機會開始。僅靠暴脹無法解決奇點的問題。
奇點很奇怪，但並非不熟悉。它們也形成於黑洞的中心，黑洞是巨星坍縮後的殘骸。所有恆星都是核熔爐，將較輕的元素（主要是氫）聚變成較重的元素。核聚變過程為恆星的大部分生命提供動力，但最終恆星耗盡了所有核燃料，引力開始起作用。一顆至少比我們的太陽大 10 倍的恆星會在爆炸成超新星之前自行坍縮。如果恆星更大——15 到 20 個太陽質量或更多——超新星將留下一個緻密的核心，該核心會發生失控坍縮，收縮成一個零尺寸的點——黑洞。
黑洞可以被認為是空間區域，即使光線也無法從中逃脫。由於光速是任何形式物質可以達到的最大速度，黑洞的邊界——一個稱為事件視界的二維表面——是一個不歸點：一旦恆星物質（或任何其他物質）落入這個邊界內，它就會與宇宙的其餘部分隔絕，並不可避免地被拉向中心的奇點。
與大爆炸一樣，物理定律在這個奇點也失效了。與大爆炸不同的是，黑洞被事件視界包圍。這個表面就像裝甲包裝紙——它阻止了任何關於奇點的資訊洩漏出來。黑洞的事件視界保護了外部觀察者免受奇點災難性不可預測的影響。
事件視界有效地使奇點變得無能為力，從而使物理定律能夠描述和預測我們觀察到的一切。從遠處看，黑洞似乎是一個簡單、光滑且均勻的結構，僅由其質量和角動量（以及電荷，如果有的話）來描述。儘管物理學家最近提出了一些關於這種傳統圖景是否與量子物理學相符的有趣問題[參見約瑟夫·波爾欽斯基的“時空中的火焰環”]，但宇宙學中的工作假設是黑洞被其事件視界所籠罩。
相比之下，大爆炸奇點（通常理解的那樣）沒有被籠罩。它沒有事件視界。我們希望有一種方法可以保護自己免受大爆炸奇點及其災難性不可預測性的影響，也許可以透過類似於事件視界的東西。
我們提出了這樣一種設想。它將大爆炸變成了一個宇宙海市蜃樓。我們的圖景像事件視界籠罩黑洞中心的奇點一樣，籠罩了大爆炸中的奇點。這種籠罩保護我們免受奇點反覆無常和邪惡的影響。
超維度坍縮
這種籠罩與普通的事件視界在一個關鍵方面有所不同。因為我們認為我們的宇宙有三個空間維度，所以籠罩大爆炸中心奇點的事件視界也必須有三個空間維度——而不僅僅是兩個。如果我們想象這個事件視界也是宇宙坍縮的結果——就像黑洞的二維事件視界是由三維恆星的坍縮形成的一樣——那麼坍縮就必須發生在具有四個空間維度的宇宙中。
這種空間維度數量超過顯而易見的三維的超維度場景，其想法幾乎與廣義相對論本身一樣古老。它最初由西奧多·卡魯扎於 1919 年提出，並由奧斯卡·克萊因在 20 世紀 20 年代擴充套件。他們的想法在很大程度上被遺忘了半個多世紀，直到 20 世紀 80 年代被研究弦理論的物理學家們重新拾起。最近，科學家們用它來構建所謂的膜世界宇宙學。
膜世界的基本思想是，我們的三維宇宙是嵌入在四個或更多空間維度的更大空間中的一個子宇宙。三維宇宙被稱為膜，更大的宇宙被稱為體。所有已知的物質和能量形式都像電影投射在螢幕上（或柏拉圖洞穴中囚犯的陰影現實）一樣，粘附在我們的三維膜上。例外是引力，它滲透到所有更高維度的體中。
讓我們思考一下可能在大爆炸之前存在的四維空間超宇宙。我們可以想象，這個體宇宙充滿了物體，例如四維恆星和四維星系。這些更高維度的恆星可能會像我們的三維恆星一樣耗盡燃料，並坍縮成黑洞。
四維黑洞會是什麼樣子？它也會有一個事件視界，一個沒有返回的表面，即使光線也無法從中逃脫。但是，四維黑洞不是像普通黑洞那樣具有二維表面，而是會產生一個具有三個空間維度的事件視界。
事實上，透過模擬四維恆星坍縮死亡，我們在一定假設條件下發現，從恆星坍縮中噴射出的物質可以形成一個圍繞這個三維事件視界的緩慢膨脹的三膜。我們的宇宙就是這個三膜——某種程度上是一個坍縮成黑洞的四維恆星的全息圖。宇宙大爆炸奇點對我們來說變得隱藏起來，永遠被鎖定在一個三維事件視界之後。
這是真的嗎？
我們的模型有很多優點，首先是它消除了產生宇宙的裸奇點。但是，其他長期存在的宇宙學問題，例如宇宙的近乎平坦和高度均勻性又如何呢？由於四維體宇宙可能在過去無限長的時間記憶體在，因此體中的任何冷熱點都有足夠的時間達到平衡。體宇宙將是光滑的，我們的三膜宇宙將繼承這種光滑性。
此外，由於四維黑洞看起來也幾乎沒有特徵，因此我們新興的三膜宇宙也將同樣光滑。四維恆星的質量越大，三膜就越平坦，因此我們宇宙的平坦性是它作為一顆重恆星坍縮的殘留碎片的必然結果。
透過這種方式，我們的全息大爆炸模型不僅解決了標準宇宙學的均勻性和近乎平坦的主要難題，而無需訴諸暴脹，而且還消除了初始奇點的破壞性影響。
這個想法聽起來可能很瘋狂，但有幾種方法可以對其進行測試。一種方法是研究宇宙微波背景輻射。在我們的三膜之外，我們預計會存在一些額外的四維體物質——一些被黑洞引力拉近的東西。我們可以證明，這種額外物質中的熱漲落會在三膜上產生漲落，而這些漲落反過來會以微小但可能可測量的量扭曲 CMB。我們的計算與歐洲航天局普朗克空間天文臺的最新資料相差約 3%。但這種差異可能是我們目前正在建模的次要效應的結果。
此外，如果四維黑洞是旋轉的（黑洞旋轉非常常見），那麼我們的三膜在所有方向上可能看起來都不一樣。我們宇宙的大尺度結構在不同方向上看起來會略有不同。天文學家也可能透過研究 CMB 天空中細微的變化來發現這種方向性。
當然，即使全息大爆炸可能解決了一個巨大的問題——我們宇宙的起源——它也同時引發了一系列新的謎團。其中最重要的是：我們宇宙的母宇宙從何而來？
對於這個謎題的答案，我們可能再次求助於柏拉圖。當柏拉圖的囚犯從洞穴中出來時，太陽的光芒灼傷了他們的眼睛。他們花了時間來適應亮度。起初，囚犯們只能辨認出陰影和倒影。很快他們就能看到月亮和星星。最後，他們正確地得出結論，太陽是“我們所看到的一切的作者”——白天、夜晚、季節和陰影。
柏拉圖的囚犯不理解太陽背後的力量，就像我們不理解四維體宇宙一樣。但至少他們知道在哪裡尋找答案。