黑洞的发现有助于解释宇宙的量子本质

W宇宙从何而来?它将走向何方?回答这些问题需要我们在两个截然不同的尺度上理解物理学:宇宙学，指的是星系超星系团和整个宇宙的领域，以及量子——原子和原子核的反直觉世界。

对于我们想要了解的宇宙，经典宇宙学就足够了。正如爱因斯坦的广义相对论所指出的那样，这个场是由引力控制的，它与原子和原子核无关。但是在我们的宇宙的一生中，有一些特殊的时刻——比如它的婴儿期，整个宇宙只有一个原子那么大——这种对小尺度物理学的忽视让我们失望。为了理解这个时代，我们需要一个量子引力理论，既能描述电子围绕原子旋转，也能描述地球围绕太阳旋转。量子宇宙学的目标是设计并将量子引力理论应用于整个宇宙。

量子宇宙学不适合胆小的人。这是理论物理学的蛮荒西部，只有少量的观测事实和线索来指导我们。它的范围和难度像神话中的塞壬一样召唤着年轻而雄心勃勃的物理学家，结果却让他们沉沉的。但有一种明显的感觉，这一次是不同的，最近黑洞物理学的突破——这也需要理解量子力学和引力同样重要的机制——可以帮助我们在量子宇宙学中提取一些答案。在我最近参加的一次虚拟物理会议上，这种新的乐观情绪很明显。那次会议专门讨论了这两个领域之间的交叉。我原以为参加这次活动的人很少，但没想到许多物理学领域的杰出人物都到场了，他们充满了想法，准备开始工作。

视界

黑洞和我们的宇宙作为一个整体之间有任何联系的第一个迹象是，两者都显示出“视界”——两个人似乎永远失去联系的不归点。黑洞的引力如此之大，以至于在某个时刻，即使是光——宇宙中速度最快的东西——也无法逃脱它的引力。因此，光被困住的边界是一个围绕黑洞中心的球形事件视界。

我们的宇宙也有一个事件视界——1998年令人震惊和意外的发现证实了这一事实:不仅空间在膨胀，而且它的膨胀也在膨胀加速．导致这种加速的原因被称为暗能量。这种加速度就像黑洞一样困住了光:随着宇宙的膨胀，空间区域之间的相互排斥是如此强烈，以至于在某种程度上，连光都无法克服这种分离。这种由内而外的情况导致了我们周围的球形宇宙视界，将一定距离以外的一切都留在黑暗中。然而，宇宙学视界和黑洞视界之间有一个关键的区别。在黑洞中，时空向一个点坍缩——奇点。在整个宇宙中，所有的空间都在均匀地增长，就像气球的表面正在膨胀一样。这意味着遥远星系中的生物将有自己独特的球形视界，而不是围绕着我们。我们目前的宇宙视界距离我们大约160亿光年。只要这种加速度继续下去，今天发出的任何超出这个距离的光都永远不会到达我们。 (Cosmologists also speak of a particle horizon, which confusingly is often called a cosmological horizon as well. This refers to the distance beyond which light emitted in the early universe has not yet had time to reach us here on Earth. In our tale, we will be concerned only with the cosmological event horizon, which we will often just call the cosmological horizon. These are unique to universes that accelerate, like ours.)

黑洞和我们的宇宙之间的相似之处还不止于此。1974年，斯蒂芬·霍金证明了黑洞并不是完全黑的:由于量子力学，黑洞有温度，因此可以发射物质和辐射，就像所有的热体一样。这种辐射被称为霍金辐射，是导致黑洞最终蒸发的原因。事实证明，宇宙学视界也有温度，并由于非常相似的效应而发射物质和辐射。但由于宇宙视界包围着我们，而辐射向内下降，它们重新吸收了自己的辐射，因此不会像黑洞那样蒸发掉。

霍金的发现提出了一个严重的问题:如果黑洞可以消失，那么其中包含的信息也可以消失——这违反了量子力学的规则。这就是所谓的黑洞信息悖论，它是一个使量子力学和引力相结合的探索复杂化的深层谜题。但在2019年，科学家们取得了巨大进展。通过概念和技术的进步，物理学家认为，黑洞内部的信息实际上可以从离开黑洞的霍金辐射中获取。(有关科学家如何发现这一点的更多信息，请参阅“黑洞的内部是如何隐藏在外面的”)。

这一发现使我们这些研究量子宇宙学的人重新振作起来。由于黑洞和宇宙学视界在数学上的相似之处，我们中的许多人一直认为，如果不理解前者，就无法理解后者。研究黑洞成了一个热身问题——有史以来最难的问题之一。我们还没有完全解决我们的热身问题，但现在我们有了一套新的技术工具，可以对黑洞视界存在时引力和量子力学的相互作用提供漂亮的见解。

熵与全息原理

最近关于黑洞信息悖论的部分进展源于全息原理，该原理由荷兰乌得勒支大学的Gerard 't Hooft和斯坦福大学的Leonard Susskind在20世纪90年代提出。全息原理表明，可以描述黑洞的量子引力理论不应该在所有其他物理理论使用的普通三维空间中表述，而是应该在二维空间中表述，就像一张平纸一样。这种方法的主要论点很简单:黑洞有一个熵——一种你能在里面塞多少东西的度量——与它的事件视界的二维面积成正比。

将其与更传统系统的熵进行对比，比如盒子里的气体。在这种情况下，熵与盒子的三维体积成正比，而不是面积。这是很自然的:你可以在盒子里空间的每一点都放一些东西，所以如果体积增加，熵也会增加。但由于黑洞内部的空间曲率，你实际上可以在不影响视界面积的情况下增加体积，这也不会影响熵!尽管看起来你有三维空间来塞东西，但黑洞熵公式告诉你你只有二维空间，一个面积的价值。因此全息原理说，由于黑洞的存在，量子引力应该被表述为一个更普通的非引力量子系统，在更少的维度中。至少这样熵是匹配的。

从哲学上讲，空间可能不是真正的三维的观点是相当引人注目的。它至少有一个维度可能是一种突现现象，源于其更深层次的本质，而不是明确地与基本定律绑定在一起。研究空间的物理学家现在明白，它可以从大量简单成分的集合中产生，类似于其他涌现现象，如意识，它似乎来自基本的神经元和其他生物系统。

黑洞信息悖论的进展中最令人兴奋的方面之一是，它指向了对全息原理的更普遍的理解，以前，全息原理只有在与我们的真实宇宙截然不同的情况下才能精确实现。然而，在2019年的计算中，黑洞内部信息在霍金辐射中的编码方式在数学上类似于引力系统在低维非引力系统中的编码方式。这些技术可以应用在更像我们的宇宙的情况下，为在现实世界中理解全息原理提供了一个潜在的途径。关于宇宙学视界的一个值得注意的事实是，它们也有熵，由与我们用于黑洞的公式完全相同的公式给出。对这种熵的物理解释还不太清楚，我们中的许多人希望将新技术应用于我们的宇宙将有助于解开这个谜团。如果熵衡量的是你能在视界之外留下多少东西，就像黑洞一样，那么我们就会对宇宙中可以有多少东西有一个明确的界限。

外部观察人士

黑洞信息悖论的最新进展表明，如果我们收集黑洞蒸发时的所有辐射，我们就可以获得落入黑洞内部的信息。宇宙学中最重要的概念问题之一是，宇宙学视界是否也可能存在同样的情况。我们认为它们像黑洞一样辐射，那么我们能通过收集宇宙视界之外的辐射来了解它吗?或者有没有其他方法可以跨越地平线?否则，我们广阔而丰富的宇宙的大部分最终将永远消失。这是我们未来的一个可怕景象——我们将被留在黑暗中。

几乎所有试图解决这个问题的尝试都要求物理学家人为地把自己从加速的宇宙中解脱出来，想象从外部观察它。这是一个至关重要的简化假设，它更接近于模拟黑洞，在黑洞中，我们可以简单地将观察者从系统中分离出来，只需将观察者放在很远的地方。但似乎无法逃离我们的宇宙视界;它围绕着我们，如果我们移动，它也会移动，这使得这个问题更加困难。然而，如果我们想把我们研究黑洞的新工具应用到宇宙学的问题上，我们必须找到一种从外部观察宇宙视界的方法。

构建一个局外人的观点有不同的方法。最简单的方法之一是考虑一个假设的辅助宇宙，它在量子力学上与我们自己的宇宙纠缠在一起，并研究辅助宇宙中的观察者是否可以访问我们宇宙中的信息，这超出了观察者的视界。在我与Thomas Hartman和Yikun Jiang的工作中，他们都在康奈尔大学，我们构建了辅助宇宙和其他场景的例子，并表明观察者可以访问宇宙学视界之外的信息，就像我们可以访问黑洞视界之外的信息一样。(普林斯顿大学的陈一鸣、瑞士EPFL的Victor Gorbenko和新泽西州普林斯顿高等研究院的Juan Maldacena的一篇补充论文也显示了类似的结果。)

但这些分析都有一个严重的缺陷:当我们研究“我们的”宇宙时，我们使用的是一个模型宇宙承包而不是扩张。在量子宇宙学的背景下描述这样的宇宙要简单得多。我们不完全明白其中的原因，但这与这样一个事实有关:我们可以把黑洞的内部想象成一个收缩的宇宙，所有的东西都被挤压在一起。这样，我们对黑洞的新认识可以很容易地帮助我们研究这种类型的宇宙

即使在这些简单的情况下，我们也会在一些令人困惑的问题上困惑不解。一个问题是，很容易构建多个同时存在的局外人视图，以便每个局外人都可以访问收缩宇宙中的信息。但这意味着多人可以接触到同一条信息，并独立地操作它。然而，量子力学是严格的:它不仅禁止信息被销毁，还禁止信息被复制。这个想法被称为不可克隆定理，而多个局外人似乎违反了它。在黑洞中，这不是问题，因为尽管仍然可能有很多局外人，但事实证明，没有两个局外人能够独立地获取内部的同一条信息。这个极限与只有一个黑洞的事实有关，因此只有一个视界。但在不断扩大的时空中，不同的观察者有不同的视野。然而，麻省理工学院的亚当·莱文(Adam Levine)和我最近一起做的工作表明，来自黑洞背景的相同技术工具也可以避免这种不一致。

迈向更真实的理论

虽然已经有了令人兴奋的进展，但到目前为止，我们还不能直接将我们对黑洞视界的了解应用到我们宇宙中的宇宙学视界上，因为这两种类型的视界之间存在差异。

最终目标是什么?没有局外人的观点，没有收缩的宇宙，没有变通的办法:我们想要一个完整的膨胀宇宙的量子理论，从我们在野兽肚子里的有利位置描述。许多物理学家认为，我们最好的选择是提出全息描述，这意味着使用比通常的三维空间更少的空间。有两种方法。第一种是使用弦理论的工具，弦理论将自然界的基本粒子视为振动的弦。当我们以完全正确的方式配置这个理论时，我们可以提供特定黑洞视界的全息描述。我们希望对宇宙学视界做同样的研究。许多物理学家在这个方法上投入了大量的工作，但它还没有得出一个完整的模型来解释像我们这样正在膨胀的宇宙。

另一种占卜全息描述的方法是从这种描述应该具有的属性中寻找线索。这种方法是科学标准实践的一部分——使用数据来构建一个理论，这个理论可以再现数据，并希望它也能做出新颖的预测。然而，在这种情况下，数据本身也是理论性的。即使不完全理解整个理论，我们也能可靠地计算出它们，就像我们不使用量子力学也能计算出棒球的轨迹一样。这个想法是这样的:我们在经典宇宙学中计算各种事物，可能会加入一点量子力学，但我们试图避免量子力学和引力同样重要的情况。这就是我们的理论数据。例如，霍金辐射就是一个理论数据。而必须是正确的是，完整的、精确的量子宇宙学理论应该能够在适当的情况下再现这个理论数据，就像量子力学可以再现棒球的轨迹一样(尽管以比经典力学复杂得多的方式)。

带头提取这些理论数据的是一位强大的物理学家，他对量子宇宙学问题有着超自然的关注:伦敦国王学院的Dionysios Anninos已经在这一课题上工作了十多年，并为全息描述提供了许多线索。世界各地的其他人也加入了这项努力，包括国际量子力学研究所的爱德华·威腾(Edward Witten)，几十年来，他一直在量子引力和弦理论方面处于领先地位，但他倾向于避开量子宇宙学的狂野西部。他和他的合作者，国际量子力学研究所的Venkatesa Chandrasekaran，罗马大学的Roberto Longo和加州大学伯克利分校的Geoffrey Penington一起，正在研究观察者和宇宙学视界之间不可分离的联系是如何影响量子宇宙学的数学描述的。

有时我们野心勃勃，试图计算理论数据，而量子力学和引力同样重要。在这种情况下，我们不可避免地要对完整、准确的理论的行为强加一些规则或猜测。我们中的许多人相信，最重要的理论数据之一是量子宇宙学理论的组成部分之间的纠缠的数量和模式。苏斯金德和我就如何计算这些数据制定了不同的建议，在大流行期间交换的数百封电子邮件中，我们不断争论哪一种更合理。斯坦福大学的伊娃·西尔弗斯坦(Eva Silverstein)是另一位杰出的物理学家，在量子宇宙学方面有着长期的研究记录，她和合作者的早期工作为计算这些理论数据提供了另一种建议。

量子宇宙学中纠缠的本质是一项正在进行的工作，但很明显，确定它将是朝着全息描述迈出的重要一步。这样一个具体的、可计算的理论正是这门学科所迫切需要的，这样我们就可以把它的产出与科学家们积累的丰富的理论数据进行比较。如果没有这个理论，我们将陷入一个类似于在没有量子力学帮助下解释其模式的情况下填写元素周期表的阶段。

物理学家在了解到黑洞的新知识后，迅速转向宇宙学，这种现象由来已久。故事往往是这样的:我们被打败了，被羞辱了，但在舔完伤口后，我们回来从黑洞中学习更多的东西。在这种情况下，我们对黑洞的认识深度以及世界各地科学家对量子宇宙学的兴趣广度可能会讲述一个不同的故事。