宇宙从何而来？它将走向何方？回答这些问题需要我们理解两个截然不同的尺度上的物理学：宇宙学尺度，指的是星系超星系团和整个宇宙的领域；以及量子尺度，即原子和原子核的反直觉世界。
对于我们想要了解的关于宇宙的大部分知识，经典宇宙学就足够了。这个领域受引力支配，正如爱因斯坦的广义相对论所描述的那样，它不关注原子和原子核。但是，在我们宇宙的生命周期中，存在一些特殊的时刻——例如宇宙的婴儿期，当时整个宇宙只有原子大小——在这些时刻，对小尺度物理学的忽视会让我们失败。为了理解这些时代，我们需要一个量子引力理论，它可以描述围绕原子旋转的电子和围绕太阳运动的地球。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。
量子宇宙学并非胆小者所为。它是理论物理学的狂野西部，只有少数观测事实和线索来指导我们。它的范围和难度像神话中的海妖一样呼唤着年轻而雄心勃勃的物理学家，最终却让他们陷入困境。但是，现在有一种明显不同的感觉，来自黑洞物理学的最新突破——这也需要理解量子力学和引力同样重要的领域——可能有助于我们从量子宇宙学中提取一些答案。在我参加的一次虚拟物理学会议上，这种新的乐观情绪显而易见，会议专门设立了一个讨论环节，讨论这两个领域之间的交叉。我原本以为这次活动会门可罗雀，但实际上，许多物理学界的泰斗都出席了，他们充满想法，准备开始工作。
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事件视界
黑洞和我们的宇宙作为一个整体之间存在某种联系的第一个迹象是，两者都表现出“事件视界”——过了这个点，两个人似乎永远失去了联系，无法返回。黑洞的引力非常强大，以至于在某个点，即使是宇宙中最快的东西——光——也无法逃脱它的引力。光线被捕获的边界因此是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 年一项惊人且出乎意料的发现证实了这一事实，即空间不仅在膨胀，而且其膨胀正在加速。任何导致这种加速的原因都被称为暗能量。加速像黑洞一样捕获光：随着宇宙膨胀，空间区域彼此强烈排斥，以至于在某个点，即使是光也无法克服这种分离。这种内外颠倒的情况导致了一个围绕着我们的球形宇宙学事件视界，使一定距离之外的一切都处于黑暗之中。然而，宇宙学事件视界和黑洞事件视界之间存在一个关键的区别。在黑洞中，时空正在向一个单点——奇点——坍缩。在广阔的宇宙中，整个空间都在均匀地增长，就像一个正在膨胀的气球表面。这意味着遥远星系中的生物将拥有自己独特的球形事件视界，这些视界围绕着它们，而不是我们。我们当前的宇宙学事件视界大约在 160 亿光年之外。只要这种加速持续下去，今天发出的任何超过该距离的光线将永远无法到达我们。（宇宙学家也谈到粒子视界，但令人困惑的是，粒子视界也经常被称为宇宙学视界。这指的是早期宇宙中发出的光线尚未到达地球的距离之外。在我们的故事中，我们将只关注宇宙学事件视界，我们通常将其简称为宇宙学视界。这些是加速宇宙独有的，就像我们的宇宙一样。）
黑洞和我们宇宙之间的相似之处还不止于此。1974 年，斯蒂芬·霍金表明，黑洞并非完全是黑色的：由于量子力学，它们具有温度，因此会像所有热体一样发射物质和辐射。这种称为霍金辐射的发射是导致黑洞最终蒸发的原因。事实证明，由于非常相似的效应，宇宙学视界也具有温度并会发射物质和辐射。但是，由于宇宙学视界围绕着我们，并且辐射向内坠落，因此它们会重新吸收自身的排放，因此不会像黑洞那样蒸发。
霍金的启示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能消失——这违反了量子力学的规则。这就是所谓的黑洞信息悖论，这是一个深刻的难题，使量子力学和引力的结合变得复杂。但在 2019 年，科学家取得了巨大的进步。通过概念和技术进步的融合，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。（有关科学家如何解决这个问题的更多信息，请参阅我的同事艾哈迈德·阿尔姆海里 此处的文章。）
这一发现重新激发了我们这些研究量子宇宙学的人。由于黑洞和宇宙学视界之间存在数学上的相似性，我们中的许多人长期以来一直认为，如果不了解前者，我们就无法理解后者。弄清楚黑洞成为了一个热身问题——有史以来最难的问题之一。我们尚未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，可以为引力和量子力学在黑洞事件视界存在下的相互作用提供美丽的见解。
熵和全息原理
黑洞信息悖论的最新进展部分源于全息原理的思想，该原理由荷兰乌得勒支大学的杰拉德·特霍夫特和斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德在 1990 年代提出。全息原理指出，可以描述黑洞的量子引力理论不应在所有其他物理理论都使用的普通三维空间中制定，而应在像一张纸一样的二维空间中制定。这种方法的主要论点非常简单：黑洞具有熵——衡量您可以将多少东西塞入其中的指标——这与黑洞事件视界的二维面积成正比。
将此与更传统的系统——例如，盒子中的气体——的熵进行对比。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：您可以将东西塞入盒子内空间中的每个点，因此如果体积增长，熵也会增长。但是，由于黑洞内空间的曲率，您实际上可以在不影响视界面积的情况下增加体积，并且它不会影响熵！即使天真地看来您有三个维度的空间可以塞入东西，黑洞熵公式也告诉您，您只有两个维度的空间，即一个面积的量。因此，全息原理指出，由于黑洞的存在，量子引力应被制定为维度更少的更为普通的非引力量子系统。至少这样熵才能匹配。
空间可能并非真正的三维，这个想法在哲学上相当引人注目。至少它的一个维度可能是一种涌现现象，它源于其更深层的本质，而不是明确地硬连接到基本定律中。现在研究空间的物理学家了解到，空间可以从大量简单的组成部分中涌现出来，类似于其他涌现现象，例如意识，意识似乎是从基本的神经元和其他生物系统中涌现出来的。
黑洞信息悖论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理解，而全息原理以前仅在与我们真实宇宙非常不同的情况下才被精确化。然而，在 2019 年的计算中，黑洞内部的信息在霍金辐射中的编码方式在数学上类似于引力系统根据全息原理在较低维度非引力系统中的编码方式。这些技术可以用于更像我们宇宙的环境中，为理解真实世界中的全息原理提供了一种可能的途径。关于宇宙学视界的一个显着事实是，它们也具有熵，其公式与我们用于黑洞的公式完全相同。这种熵的物理意义远不清楚，我们许多人希望将新技术应用于我们的宇宙将阐明这个谜团。如果熵像黑洞一样衡量您可以将多少东西塞入视界之外，那么我们将对宇宙中可以存在多少东西有一个明确的界限。
外部观察者
黑洞信息悖论的最新进展表明，如果我们收集黑洞蒸发时发出的所有辐射，我们可以访问落入黑洞内部的信息。宇宙学中最重要的概念问题之一是，宇宙学事件视界是否也可能发生同样的情况。我们认为它们像黑洞一样辐射，那么我们是否可以通过收集其辐射来访问宇宙学事件视界之外的东西？或者是否有其他方法可以跨越视界？如果不是，那么我们浩瀚而丰富的宇宙的大部分最终将永远丢失。这是我们未来的一幅阴暗景象——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将自己从加速膨胀的宇宙中抽离出来，并想象从外部观察它。这是一个关键的简化假设，它更接近于模拟黑洞，在黑洞中，我们可以通过简单地将观察者放置在远处来干净利落地将观察者与系统分离。但是，似乎无法逃脱我们的宇宙学视界；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，如果我们想将我们在黑洞研究中获得的新工具应用于宇宙学问题，我们必须找到一种从外部观察宇宙视界的方法。
有不同的方法来构建外部观察者视角。最简单的方法之一是考虑一个假设的辅助宇宙，该宇宙与我们自己的宇宙在量子力学上纠缠在一起，并研究辅助宇宙中的观察者是否可以访问我们宇宙中超出观察者视界的信息。在我与康奈尔大学的托马斯·哈特曼和蒋亦鲲所做的工作中，我们构建了辅助宇宙和其他场景的示例，并表明观察者可以像我们访问黑洞视界之外的信息一样访问宇宙学视界之外的信息。（普林斯顿大学的陈一鸣、瑞士 EPFL 的维克多·戈尔本科和新泽西州普林斯顿高级研究所 [IAS] 的胡安·马尔达西那撰写的一篇补充论文显示了类似的结果。）
但是，这些分析都存在一个严重的缺陷：当我们研究“我们的”宇宙时，我们使用了一个收缩而不是膨胀的模型宇宙。在量子宇宙学的背景下，这种宇宙更容易描述。我们并不完全理解为什么，但这与我们可以将黑洞内部视为一个收缩的宇宙有关，在收缩的宇宙中，一切都被挤压在一起。通过这种方式，我们对黑洞的新理解可以轻松帮助我们研究这种类型的宇宙。
即使在这些简化的情况下，我们也在努力解决一些令人困惑的问题。一个问题是，很容易构建多个同时存在的外部观察者视角，以便每个外部观察者都可以访问收缩宇宙中的信息。但这意味着多人可以访问同一条信息并独立地操纵它。然而，量子力学是严格的：它不仅禁止信息被销毁，而且还禁止信息被复制。这个想法被称为不可克隆定理，而多个外部观察者似乎违反了它。在黑洞中，这不是问题，因为尽管仍然可以有很多外部观察者，但事实证明，他们中没有两个人可以独立访问内部的同一条信息。这个限制与只有一个黑洞，因此只有一个事件视界有关。但是在膨胀的时空中，不同的观察者具有不同的视界。然而，马萨诸塞理工学院的亚当·莱文和我一起进行的工作表明，来自黑洞背景的相同技术工具也可以帮助避免这种不一致性。
迈向更真实的理论
尽管已经取得了令人兴奋的进展，但到目前为止，由于黑洞视界和宇宙学视界这两种类型的视界之间存在差异，我们还无法将我们从黑洞视界中学到的知识直接应用于我们宇宙的宇宙学视界。
最终目标是什么？没有外部观察者视角，没有收缩的宇宙，没有变通方法：我们想要一个完整的膨胀宇宙量子理论，从我们身处巨兽腹中的角度进行描述。许多物理学家认为，我们最好的选择是提出一个全息描述，这意味着使用比通常的三维空间更少的维度。我们有两种方法可以做到这一点。第一种方法是使用弦理论的工具，该理论将自然界的基本粒子视为振动弦。当我们以完全正确的方式配置该理论时，我们可以提供某些黑洞视界的全息描述。我们希望对宇宙学视界也这样做。许多物理学家已经为此方法投入了大量工作，但它尚未为像我们这样的膨胀宇宙产生完整的模型。
获得全息描述的另一种方法是通过寻找这种描述应具有的属性的线索。这种方法是科学标准实践的一部分——使用数据构建一个可以重现数据的理论，并希望它也能做出新的预测。然而，在这种情况下，数据本身也是理论性的。即使在不完全理解完整理论的情况下，它们也是我们可以可靠计算的事物，就像我们可以在不使用量子力学的情况下计算棒球的轨迹一样。这个想法的工作原理如下：我们计算经典宇宙学中的各种事物，可能掺杂一点量子力学，但我们尽量避免量子力学和引力同等重要的情况。这构成了我们的理论数据。例如，霍金辐射是一条理论数据。必须为真的是，量子宇宙学的完整、精确理论应该能够在适当的范围内重现这条理论数据，就像量子力学可以重现棒球的轨迹一样（尽管方式比经典力学复杂得多）。
领导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：伦敦国王学院的狄俄尼索斯·安尼诺斯已经在这个主题上工作了十多年，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工作，包括 IAS 的爱德华·威滕，他是一位在量子引力和弦理论领域占据主导地位数十年的杰出人物，但他倾向于避开量子宇宙学的狂野西部。他与 IAS 的文卡特萨·钱德拉塞卡兰、罗马第二大学的罗伯托·隆戈和加州大学伯克利分校的杰弗里·彭宁顿合作，正在研究观察者与宇宙学视界之间不可分割的联系如何影响量子宇宙学的数学描述。
有时我们雄心勃勃，试图在量子力学和引力同等重要的情况下计算理论数据。不可避免地，我们必须对完整、精确理论在这种情况下的行为施加一些规则或猜测。我们许多人认为，最重要的理论数据之一是量子宇宙学理论组成部分之间的纠缠量和模式。萨斯坎德和我制定了计算这些数据的不同提案，在 COVID 大流行早期的数百封电子邮件往来中，我们不断争论哪个更合理。斯坦福大学的伊娃·西尔弗斯坦是另一位在量子宇宙学领域有着长期记录的杰出物理学家，她和她的合作者为计算这些理论数据提供了另一种提案。
量子宇宙学中纠缠的本质仍在研究中，但似乎很明显，掌握它将是迈向全息描述的重要一步。这样一个具体、可计算的理论是该学科迫切需要的，这样我们就可以将其输出与科学家积累的大量理论数据进行比较。没有这个理论，我们将停留在类似于在没有量子力学帮助解释其模式的情况下填写元素周期表的阶段。
物理学家在学习到有关黑洞的新知识后，很快转向宇宙学，这有着丰富的历史。故事通常是相同的：我们被击败和羞辱，但在舔舐伤口后，我们又回来从黑洞那里学习更多东西。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广泛兴趣可能讲述一个不同的故事。
