希腊哲学家柏拉图在他的《洞穴寓言》中描述了这样一群囚犯，他们一生都被锁在一个黑暗洞穴的墙壁上。囚犯身后有一团火焰，火焰和囚犯之间游行着物体，这些物体将阴影投射到囚犯视野中的墙壁上。这些二维阴影是囚犯们唯一见过的东西——他们唯一的现实。他们的镣铐阻止了他们感知真实的世界，一个比他们所知的世界多一个维度的领域，一个充满复杂性的维度，并且——囚犯们不知道——能够解释他们所看到的一切。
柏拉图的想法很有道理。
我们可能都生活在一个巨大的宇宙洞穴中，它是在存在的最初时刻创造的。在标准的说法中，宇宙是在一场大爆炸中诞生的，这场大爆炸始于一个无限密集的点。但根据我们最近进行的计算，我们或许可以将宇宙的开始追溯到大爆炸之前的时代——一个具有额外空间维度的时代。这个原始宇宙可能留下了可见的痕迹，即将到来的天文观测可能会揭示出来。
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宇宙在我们看来存在于三个空间维度和一个时间维度中——我们将这种几何结构称为“三维宇宙”。在我们的设想中，这个三维宇宙仅仅是一个四维空间世界的影子。具体来说，我们整个宇宙是在这个超宇宙中的一次恒星内爆中诞生的，这次内爆在一个四维黑洞周围创造了一个三维壳层。我们的宇宙就是那个壳层。
我们为什么要假设听起来如此荒谬的事情？我们有两个理由。首先，我们的想法不是空闲的猜测——它们牢牢地扎根于描述空间和时间的数学之中。
在过去的几十年里，物理学家们发展出了一种丰富的全息理论，这是一套数学工具，使他们能够将一个维度中事件的描述转化为不同维度的物理学。例如，研究人员可以求解相对简单的二维流体动力学方程，并使用这些解来理解在一个更复杂的系统中发生的事情——例如，三维黑洞的动力学。在数学上，这两种描述是可互换的——流体充当了非凡黑洞的完美类比物。
全息术的成功使许多科学家相信，这里起作用的不仅仅是一个简单的数学变换。也许维度之间的界限不如我们想象的那么稳定。也许宇宙的规则是用另一组维度书写的，并被翻译成我们感知到的三个维度。也许，就像柏拉图的囚犯一样，我们个人的处境欺骗我们相信世界是三维的，而事实上，只有当我们从第四维度寻找解释时，才能更深入地理解我们所感知到的东西。
我们的四维宇宙值得思考还有第二个原因。对这个宇宙的深入研究可以帮助我们理解关于宇宙起源和本质的深刻问题。例如，考虑一下大爆炸，这个最初的闪光将我们的宇宙带入了存在。现代宇宙学认为，大爆炸之后立即是“暴胀”——空间快速膨胀的时期，早期宇宙的体积增加了 10
78 倍（或更多）。然而，这种膨胀并没有提供关于是什么导致了大爆炸的见解。相比之下，我们的四维宇宙为我们提供了最终谜题的答案：宇宙从何而来？
已知和未知的宇宙
我们对四维宇宙的调查是由于我们在思考三维宇宙时遇到的问题而产生的。现代宇宙学已经取得了巨大的成功，但其成功掩盖了深刻而复杂的谜团，这些谜团可能适合用全息解释。
宇宙学家可以使用几个方程（其中最主要的是阿尔伯特·爱因斯坦提供的方程）和五个独立的数字或参数来描述整个宇宙的历史——从今天一直追溯到大爆炸后不到一秒的一小部分。这些参数包括普通物质、暗物质和暗能量的密度（稍后会详细介绍），以及早期宇宙中量子涨落的振幅和形状。这个模型——Lambda 冷暗物质 (Λ-CDM) 宇宙学范式——描述了数百个（如果不是数千个）观测数据点，涵盖了从一百万光年到 100 亿光年的尺度，一直到我们可观测宇宙的边缘。
但这些观测上的成功并不意味着我们的任务已经完成。宇宙的故事充满了令人不安的漏洞。我们面临着关于宇宙本质的基本问题——我们迄今为止还无法回答的问题。
问题 1：我们不理解这五个参数。
我们对 Λ-CDM 模型的五个参数的起源没有令人满意的解释，其中一些参数必须非常精确地选择才能与观测结果一致。考虑一下宇宙中物质和能量的密度。仅仅在几十年前，天文学家还认为普通物质——构成元素周期表的元素——将是质量-能量的主要形式。宇宙学观测彻底修正了这一图景（并因此获得了三项诺贝尔奖）。我们现在知道，普通物质的密度仅占宇宙总能量密度的 5%。
另外 25% 以暗物质的形式出现，暗物质是一种未知的物质形式，其存在是从其引力吸引力推断出来的[参见博格丹·A·多布雷斯库和唐·林肯的“隐藏宇宙之谜”]。宇宙的 70% 由暗能量构成，暗能量是一种神秘的东西，它导致我们宇宙的膨胀速度加快而不是因引力吸引而减慢[参见约书亚·弗里曼的“在黑暗中观察”]。暗物质和暗能量是什么？为什么它们分别占宇宙的 25% 和 70%？我们不知道。
如果我们能更好地理解大爆炸——空间和时间在温度高于 10
27 度的热等离子体中突然起源，也许就能找到答案。很难想象大爆炸后瞬间的宇宙状态如何导致我们今天观察到的景象——一个温度几乎均匀且具有平坦、大尺度空间几何结构（三角形内角和为 180 度）的宇宙。
宇宙暴胀可能是我们理解宇宙大尺度结构的最好想法。暴胀会倾向于“展平”宇宙，消除时空中的任何弯曲区域，并使其达到均匀的温度。就像宇宙放大镜一样，暴胀还在此过程中将能量密度中的微小量子涨落放大到宇宙尺寸。这些涨落反过来又成为星系、恒星、行星甚至包括我们自己在内的生命有机体等结构生长的种子。
暴胀通常被认为是一种非常成功的范式。几十年来，宇宙学家一直在通过观测宇宙微波背景 (CMB) 辐射来检验暴胀的预测，宇宙微波背景辐射是早期宇宙中密度涨落的宇宙记录。普朗克卫星最近的观测证实，我们的宇宙是平坦的（或非常接近平坦），并且均匀性优于六万分之一——正如暴胀所预测的那样。此外，观测到的原始物质涨落的振幅和形状与我们预期暴胀放大量子真空的方式大致一致。
问题 2：我们没有完全理解暴胀。
我们可能会问，是什么驱动了这种暴胀，这需要大量的能量。我们想象，在大爆炸后不久，宇宙中充满了能量，这种能量以一种假设的粒子形式存在，称为暴胀子（发音为“IN-flah-tahn”）。最近在日内瓦附近欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上发现的希格斯粒子与拟议的暴胀子有许多共同的特性，并且可能是暴胀子的候选者。暴胀子可能既对早期的加速膨胀负责，也对我们宇宙中的结构负责，因为早期宇宙中唯一显著的密度差异是由暴胀子场能量中的微小量子涨落引起的。
但暴胀子并没有解决我们的问题；它只是把问题往后推了一步。暴胀子的性质、它的来源以及如何找到它仍然是谜。我们不确定它是否真的存在。
此外，物理学家不理解如何自然地结束暴胀。如果某种能量场驱动着指数膨胀的宇宙，是什么会让该场突然关闭？而且，我们缺乏对暴胀时代之前我们宇宙历史的令人满意的描述——大爆炸后最初的万亿分之一的万亿分之一的万亿分之一秒。
问题 3：我们不理解这一切是如何开始的。
宇宙学最大的挑战是理解大爆炸本身——所有空间、时间和物质从一个无限密集的点（称为奇点）突然、猛烈地出现。奇点是一个难以想象的奇异事物，一个空间和时间向内弯曲自身的点，使得区分未来和过去成为不可能。所有的物理定律都失效了。奇点是一个没有秩序或规则的宇宙。任何可能逻辑上存在的东西都可能从奇点中产生。我们没有理由认为奇点会产生一个像我们所看到的这样有序的宇宙。
我们预计宇宙从奇点中出现将是难以想象的混乱，到处都有巨大的温度波动。此外，暴胀的放大能力可能不会消除一切。事实上，如果这些涨落太大，暴胀可能永远没有机会开始。仅靠暴胀无法解决奇点的问题。
奇点很奇怪，但并非不熟悉。它们也形成于黑洞的中心，黑洞是巨星坍缩后的残骸。所有恒星都是核熔炉，将较轻的元素（主要是氢）聚变成较重的元素。核聚变过程为恒星的大部分生命提供动力，但最终恒星耗尽了所有核燃料，引力开始起作用。一颗至少比我们的太阳大 10 倍的恒星会在爆炸成超新星之前自行坍缩。如果恒星更大——15 到 20 个太阳质量或更多——超新星将留下一个致密的核心，该核心会发生失控坍缩，收缩成一个零尺寸的点——黑洞。
黑洞可以被认为是空间区域，即使光线也无法从中逃脱。由于光速是任何形式物质可以达到的最大速度，黑洞的边界——一个称为事件视界的二维表面——是一个不归点：一旦恒星物质（或任何其他物质）落入这个边界内，它就会与宇宙的其余部分隔绝，并不可避免地被拉向中心的奇点。
与大爆炸一样，物理定律在这个奇点也失效了。与大爆炸不同的是，黑洞被事件视界包围。这个表面就像装甲包装纸——它阻止了任何关于奇点的信息泄漏出来。黑洞的事件视界保护了外部观察者免受奇点灾难性不可预测的影响。
事件视界有效地使奇点变得无能为力，从而使物理定律能够描述和预测我们观察到的一切。从远处看，黑洞似乎是一个简单、光滑且均匀的结构，仅由其质量和角动量（以及电荷，如果有的话）来描述。尽管物理学家最近提出了一些关于这种传统图景是否与量子物理学相符的有趣问题[参见约瑟夫·波尔钦斯基的“时空中的火焰环”]，但宇宙学中的工作假设是黑洞被其事件视界所笼罩。
相比之下，大爆炸奇点（通常理解的那样）没有被笼罩。它没有事件视界。我们希望有一种方法可以保护自己免受大爆炸奇点及其灾难性不可预测性的影响，也许可以通过类似于事件视界的东西。
我们提出了这样一种设想。它将大爆炸变成了一个宇宙海市蜃楼。我们的图景像事件视界笼罩黑洞中心的奇点一样，笼罩了大爆炸中的奇点。这种笼罩保护我们免受奇点反复无常和邪恶的影响。
超维度坍缩
这种笼罩与普通的事件视界在一个关键方面有所不同。因为我们认为我们的宇宙有三个空间维度，所以笼罩大爆炸中心奇点的事件视界也必须有三个空间维度——而不仅仅是两个。如果我们想象这个事件视界也是宇宙坍缩的结果——就像黑洞的二维事件视界是由三维恒星的坍缩形成的一样——那么坍缩就必须发生在具有四个空间维度的宇宙中。
这种空间维度数量超过显而易见的三维的超维度场景，其想法几乎与广义相对论本身一样古老。它最初由西奥多·卡鲁扎于 1919 年提出，并由奥斯卡·克莱因在 20 世纪 20 年代扩展。他们的想法在很大程度上被遗忘了半个多世纪，直到 20 世纪 80 年代被研究弦理论的物理学家们重新拾起。最近，科学家们用它来构建所谓的膜世界宇宙学。
膜世界的基本思想是，我们的三维宇宙是嵌入在四个或更多空间维度的更大空间中的一个子宇宙。三维宇宙被称为膜，更大的宇宙被称为体。所有已知的物质和能量形式都像电影投射在屏幕上（或柏拉图洞穴中囚犯的阴影现实）一样，粘附在我们的三维膜上。例外是引力，它渗透到所有更高维度的体中。
让我们思考一下可能在大爆炸之前存在的四维空间超宇宙。我们可以想象，这个体宇宙充满了物体，例如四维恒星和四维星系。这些更高维度的恒星可能会像我们的三维恒星一样耗尽燃料，并坍缩成黑洞。
四维黑洞会是什么样子？它也会有一个事件视界，一个没有返回的表面，即使光线也无法从中逃脱。但是，四维黑洞不是像普通黑洞那样具有二维表面，而是会产生一个具有三个空间维度的事件视界。
事实上，通过模拟四维恒星坍缩死亡，我们在一定假设条件下发现，从恒星坍缩中喷射出的物质可以形成一个围绕这个三维事件视界的缓慢膨胀的三膜。我们的宇宙就是这个三膜——某种程度上是一个坍缩成黑洞的四维恒星的全息图。宇宙大爆炸奇点对我们来说变得隐藏起来，永远被锁定在一个三维事件视界之后。
这是真的吗？
我们的模型有很多优点，首先是它消除了产生宇宙的裸奇点。但是，其他长期存在的宇宙学问题，例如宇宙的近乎平坦和高度均匀性又如何呢？由于四维体宇宙可能在过去无限长的时间内存在，因此体中的任何冷热点都有足够的时间达到平衡。体宇宙将是光滑的，我们的三膜宇宙将继承这种光滑性。
此外，由于四维黑洞看起来也几乎没有特征，因此我们新兴的三膜宇宙也将同样光滑。四维恒星的质量越大，三膜就越平坦，因此我们宇宙的平坦性是它作为一颗重恒星坍缩的残留碎片的必然结果。
通过这种方式，我们的全息大爆炸模型不仅解决了标准宇宙学的均匀性和近乎平坦的主要难题，而无需诉诸暴胀，而且还消除了初始奇点的破坏性影响。
这个想法听起来可能很疯狂，但有几种方法可以对其进行测试。一种方法是研究宇宙微波背景辐射。在我们的三膜之外，我们预计会存在一些额外的四维体物质——一些被黑洞引力拉近的东西。我们可以证明，这种额外物质中的热涨落会在三膜上产生涨落，而这些涨落反过来会以微小但可能可测量的量扭曲 CMB。我们的计算与欧洲航天局普朗克空间天文台的最新数据相差约 3%。但这种差异可能是我们目前正在建模的次要效应的结果。
此外，如果四维黑洞是旋转的（黑洞旋转非常常见），那么我们的三膜在所有方向上可能看起来都不一样。我们宇宙的大尺度结构在不同方向上看起来会略有不同。天文学家也可能通过研究 CMB 天空中细微的变化来发现这种方向性。
当然，即使全息大爆炸可能解决了一个巨大的问题——我们宇宙的起源——它也同时引发了一系列新的谜团。其中最重要的是：我们宇宙的母宇宙从何而来？
对于这个谜题的答案，我们可能再次求助于柏拉图。当柏拉图的囚犯从洞穴中出来时，太阳的光芒灼伤了他们的眼睛。他们花了时间来适应亮度。起初，囚犯们只能辨认出阴影和倒影。很快他们就能看到月亮和星星。最后，他们正确地得出结论，太阳是“我们所看到的一切的作者”——白天、夜晚、季节和阴影。
柏拉图的囚犯不理解太阳背后的力量，就像我们不理解四维体宇宙一样。但至少他们知道在哪里寻找答案。