宇宙的形状如何让量子物理学陷入僵局

在理论上，宇宙可以以任何形状或大小出现，但科学家更倾向于思考三种基本的宇宙模型：膨胀的宇宙、收缩的宇宙以及保持不变的宇宙。在这三种简化模型中，膨胀的宇宙对物理学家来说是最难理解的。然而，这恰恰是我们的现实世界最接近的模样。

当物理学家计算收缩或静态宇宙中极小的量子能级粒子的状态时，他们能让结果自圆其说。但对物理学家来说，不幸的是，我们的现实宇宙既不是收缩的也不是静态的，而是在暗能量的推动下不断膨胀。

当科学家试图理解膨胀宇宙中的量子理论时，他们会遇到一个又一个令人困惑的悖论。在膨胀的空间里，物理学家无法将我们体验到的宏观世界与微观层面的运行方式统一起来。

现在，试图理解量子世界如何在膨胀宇宙中运作的物理学家们，正希望从一个意想不到的来源——黑洞——中寻找答案。

时空的形状

1915年，阿尔伯特·爱因斯坦的引力理论（即广义相对论）提出了空间和时间密不可分的观点。

空间和时间会对宇宙的内容物做出反应：如果宇宙充满了物质，那么随着时间的推移，物质引力的吸引力会导致空间收缩。如果宇宙充满了足够的暗能量——或者用爱因斯坦那个时代的说法，叫“宇宙学常数”——那么随着时间的推移，它的推力会导致空间膨胀。

当爱因斯坦最初撰写广义相对论时，他相信我们的宇宙一定是永恒且不变的。从几何角度看，他认为宇宙应该是无限且平坦的，而且推挤和拉扯时空的各种力量应该恰好抵消。

但一位名叫威廉·德西特（Willem de Sitter）的荷兰物理学家思维更加开阔。他意识到，宇宙的演化是相对论的自然推论。在1916年至1917年间，德西特发表了三篇探讨相对论可能性的论文。（在此过程中，他向许多英语读者介绍了爱因斯坦的理论，因为一战期间科学交流的中断，最初由德语撰写的这些理论曾被隔离在外。）

阿尔伯特·爱因斯坦曾坚信宇宙是永恒不变的。Linda Hall 科学、工程与技术图书馆

德西特发现，一个真空宇宙——一个没有物质但仍有宇宙学常数的宇宙——根据宇宙学常数的正负符号，只能呈现出三种形状中的一种：它可以是爱因斯坦预测的平坦形状，也可以是正曲率或负曲率形状。

如果宇宙学常数为正，那么时空会正向弯曲成现在所说的德西特空间（de Sitter space）。如果宇宙学常数为负，那么时空会负向弯曲成反德西特空间（anti-de Sitter space）。如果宇宙学常数为零，那时空就是平坦的。

你可以通过观察两个原本静止的物体随时间推移的演化来判断你所处的宇宙形状。想象在气球上标记两个点；如果你吹大报气球，这两个点会随着气球的膨胀而相互远离。这就是在正曲率时空中发生的情况。在负曲率时空中，静止的粒子会向彼此靠近，就像气球正在放气一样。

在正曲率的德西特空间中，空间以指数级的速度膨胀。如果你是生活在德西特空间中的观察者，这种膨胀会产生一个“视界”（horizon），越过这个视界就无法进行通信。如果你试图向视界之外的人发送信息，膨胀的空间将确保信息永远无法抵达，这就像一股强大到游泳者无法克服的水流。纽约大学的理论物理学家莫妮卡·佩特（Monica Pate）说：“它膨胀得如此之快，以至于时空中的某些部分，即使你等上永恒的时间，也永远无法看到。”

另一方面，反德西特空间表现得像一个盒子。这个盒子的边缘不是你可以触摸到的东西——只有光能到达那里——但它像画框一样约束着反德西特宇宙。一切都会被吸引回盒子的中心。如果你在反德西特空间广播一条信息，或者扔一块石头，它最终会像回力棒一样回到你身边。“你可以把它想象成处处存在的常数引力，”佩特说，这种引力不一定均匀，但持久存在。

我们并不是生活在这些理想化宇宙中的任何一个；我们生活在一个物质和暗能量比例不平衡的宇宙中。然而，在遥远的过去，在被称为“暴胀”（inflation）的快速膨胀时期，我们的宇宙看起来很像德西特空间。之后，由于物质和光的存在，它在一段时间内看起来更平坦。但随着空间在今天继续膨胀，物质变得越来越稀疏，宇宙看起来又越来越像德西特空间了。

圣地亚哥加州大学的宇宙学家丹尼尔·格林（Daniel Green）说：“人们认为，最终我们将在纯粹的德西特空间或类似的环境中生活很长一段时间。”

量子困惑

不幸的是，德西特空间给试图理解微观尺度宇宙的物理学家带来了巨大的麻烦。问题通常在于量子力学中那些奇怪的规则。

在量子力学中，不存在“确定性”这回事。由于随机的量子涨落，即使是关于一个粒子在哪里，或者一小块区域内有多少个粒子这种简单的问题，都没有明确的答案。

然而，我们需要探测这些微小的空间碎片，以理解量子世界如何与我们的宏观经验联系起来。你想要探测得越精确，就需要使用越多的能量来克服背景中的量子涨落。从本质上讲，这就是物理学家为什么要使用长达数英里的粒子对撞机，将粒子加速到巨大能量的原因。

在弯曲空间中，平行路径不会保持平行。威廉·德西特意识到，在具有宇宙学常数的宇宙中也会发生类似的情况：正的常数会导致物体随时间漂移分离，而负的常数会导致物体靠得更近。

Mark Belan/Quanta Magazine

但是，单次测量所能使用的能量是有限的。在微小的空间里投入过多的能量，你就会制造出一个黑洞。为了在不触及这一极限的情况下进行精确测量，物理学家需要寻找另一种减少量子涨落的方法。

在平坦空间中，物理学家可以通过从（实际上）无限远的地方进行测量来做到这一点——远到足以屏蔽测量设备免受涨落的影响。在反德西特空间中，这甚至更容易：在一个盒子状宇宙的边界上，量子涨落趋于零，因此你可以通过在宇宙边缘设置实验来完全理解量子测量。

在德西特空间，问题出现了。当你离要测量的粒子越远，量子涨落并不会变小。“引力在量子层面上处处都在涨落，”格林说。“没有地方可以让你屏蔽这些干扰。”由于没有一个可供测量的可及边界，这就好比德西特空间里的实验者永远被困在他们自己的实验内部。

“量子力学的整个机制都建立在这样一个理念之上：存在一个量子系统，然后某个巨大的实验人员过来测量这个系统，”格林说。在德西特空间，量子系统和观察者之间没有界限，这套机制就崩溃了。

镜中奇遇

德西特空间的问题变得更加糟糕。物理学家的许多直觉在膨胀宇宙中开始失效。例如，能量守恒定律不再成立。洛桑联邦理工学院的若昂·佩内多内斯（João Penedones）说：“膨胀实际上是在注入能量，改变着宇宙。”

甚至“粒子”的概念也变得不同。我们通常认为粒子是一个具有特定位置并在空间中移动的物体。“在德西特空间，没有这种东西，”佩内多内斯的前研究生、现任职于都灵大学的曼努埃尔·洛帕科（Manuel Loparco）说。德西特空间中持续涌入的能量最终会导致粒子扩散或衰变。

威廉·德西特意识到，宇宙的演化是爱因斯坦相对论的自然产物。芝加哥大学影像档案/知识共享

在2025年5月首次发布于科学预印本网站 arXiv.org 的一篇论文中，佩内多内斯和洛帕科尝试提出了一个简单的问题：在指数级膨胀的空间里，一个光子（或者说一个光粒子）是什么样子的？通过严谨的数学推导得出的答案让他们震惊。在德西特空间里，无质量的光子竟然可以由有质量的粒子组成。

这一发现具有奇怪的含义。例如，如果光子没有任何质量，它们应该是稳定的，因为粒子只能衰变成更轻的东西。但德西特空间中有质量的光子可以自发地衰变成物质——然后这些物质又可以衰变回光。“我们仍在努力理解其中的物理含义，”佩内多内斯说。

这些正是物理学家正努力在德西特空间中理解的计算类型。格林说，他们的目标是将棘手的技术问题与棘手的概念问题区分开来，询问“我们能计算什么？我们不能计算什么？”他说，希望这项工作能让科学家们“处于一个更好的位置去解决其他更大的问题，因为我们不会将它们与那些更小的、更易处理的问题混为一谈”。

佩内多内斯仍然发现，尝试理解不同版本的宇宙（德西特、反德西特、平坦）这一挑战很有价值，哪怕仅仅是为了更好地理解量子理论。“德西特空间告诉你，你在平坦空间中培养的直觉并不适用于所有空间，”他说。“这就是为什么在德西特空间做研究很有用：为了打破你的偏见。”

突破边界

为了尝试理解德西特空间的量子力学，一些物理学家转而研究黑洞。黑洞是光都无法逃脱的超高密度物体。虽然你无法在物理上探测黑洞内部，但物理学家在理论上研究了它们的内部情况。在过去的几年里，他们取得了很大的进展。

对黑洞理解的进步建立在“全息原理”（holography）的基础之上，即黑洞的二维表面以某种方式捕获了其内部三维空间的所有信息。物理学家将黑洞的体积视为虚幻的，就像全息图一样。

黑洞一直是研究量子引力的有用背景，因为黑洞的极端引力即使在量子尺度上也表现强烈。但近年来，物理学家注意到黑洞与德西特空间惊人地相似。

在黑洞周围，光线再也无法克服黑洞引力吸引的区域形成了一个所谓的“视界”。在德西特空间，由于空间膨胀速度太快，光线无法从一定距离之外到达观察者，观察者周围也会形成一种视界。如果我们的宇宙像物理学家预测的那样永远膨胀下去，那么我们就像是被困在了一个黑洞里；德西特视界之外的一切将永远无法触及。

“我们将黑洞宇宙学视为理解量子效应和宇宙学的一种‘热身运动’，”斯坦福大学物理学家汤姆·哈特曼（Tom Hartman）说。“所以，每当我们研究黑洞取得进展时，我们就会回头问：我们可以把它应用到德西特空间吗？”

到目前为止，当哈特曼和其他人尝试将他们在黑洞研究中取得的进展应用到德西特空间时，他们似乎无法让结果自圆其说。黑洞有一个单一的视界，而德西特空间有许多视界，分别以不同的观察者为中心。由于没有一个单一的边界来锚定物理学家的计算，德西特宇宙似乎无法容纳任何量子状态。哈特曼说：“它有一种空洞感。就像如果你试图构建德西特空间的量子理论，从某种意义上说，它似乎不想包含任何状态。”

这与我们观察到的世界形成了鲜明对比，我们的世界既充满了量子粒子，又看起来越来越像德西特空间。格林说：“最可能的答案是我们没有正确地解读那个计算结果。”

尽管如此，物理学家仍希望全息原理总有一天能更广泛地应用于德西特空间，并回答我们关于量子引力的一些重大问题。哈特曼说：“这一直是人们所相信的，但我认为在过去的几年里，这种看法变得更有说服力了。”

德西特空间还保留着哪些惊喜尚不得而知，但洛帕科表示，这个领域似乎已经成熟，随时会有洞见产出。他说：“我们正在采摘的确实是垂手可得的果实。”

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重要术语翻译对照表

英文术语	中文翻译	备注
General Relativity	广义相对论	爱因斯坦的引力理论
de Sitter Space	德西特空间	宇宙学常数为正的膨胀宇宙模型
Anti-de Sitter Space (AdS)	反德西特空间	宇宙学常数为负的收缩/闭合宇宙模型
Cosmological Constant ($\Lambda$)	宇宙学常数	描述真空能量密度的常数
Dark Energy	暗能量	驱动宇宙加速膨胀的神秘力量
Horizon	视界	观察者无法获取信息的边界
Inflation	暴胀	早期宇宙极速膨胀的过程
Quantum Fluctuations	量子涨落	量子力学中能量/位置的随机变化
Holography / Holographic Principle	全息原理	高维空间信息可由低维边界编码的理论
Quantum Gravity	量子引力	试图统一广义相对论与量子力学的理论
Flat Space (Minkowski Space)	平坦空间	曲率为零的空间
Space-time	时空	空间与时间的统一体
Particle Collider	粒子对撞机	用于探测微观结构的实验设备
Low-hanging fruit	垂手可得的果实	指容易解决的问题或易取得的成果