宇宙從何而來？又往何處去？如果想要回答這些問題，就必須理解在兩個差異很大的尺度之下的物理學：（1）宇宙尺度，指的是超星系團與整個宇宙的場域；（2）量子尺度，指的是在原子與原子核尺度下違反直覺的領域。

關於我們想知道的大部份宇宙，運用古典宇宙學就足夠了。此領域的核心是能夠精確描述重力現象的愛因斯坦廣義相對論，不過這門學問並不涉及原子與原子核。但是在宇宙歷史裡有一些特殊時刻，例如在宇宙誕生後不久，整個宇宙只有一個原子大，就無法忽略適用於小尺度的物理學。如果要了解這個階段的宇宙，便需要一個既能夠描述電子如何環繞原子、也能夠描述地球怎麼繞行太陽的量子重力論。量子宇宙學的目標是建構出一個量子重力論，並把它應用於整個宇宙。

研究量子重力論需要一點勇氣，因為它處於理論物理的蠻荒地帶，只能依賴少數觀察到的事實與線索來引導。對於有野心的年輕物理學家而言，量子重力論的廣度與難度有神秘吸引力，但是他們都落入失敗的下場。然而這一次，眾人卻感覺到不一樣，因為近期來自黑洞物理的突破，正需要同時了解量子力學與重力，因此可以幫助我們獲取量子宇宙學中的一些答案。我最近參加了一場線上物理會議，其中有一個議程是專門討論量子力學和宇宙這兩個領域的交流，我察覺到這一波新興起的樂觀氛圍。我本來認為不會有太多人參加的這場會議，卻見到很多知名物理學家也在線上，熱切地提出新點子，準備好好拚一下。

事件視界

黑洞與整個宇宙有某種類比的第一個跡象，是兩者都具有「事件視界」（event horizon），這是一條不歸路，若有人越過了就似乎會永遠失去聯繫。黑洞的吸引力在某些地方可以強到甚至光──宇宙中最快的東西，也無法逃脫，因此會束縛住光的邊界，是一個以黑洞為中心的二維球面事件視界。


繪圖：Jen Christiansen

我們的宇宙也一樣有個事件視界。1998年一項驚人的發現是：空間不僅在膨脹，而且是加速膨脹，這確認了宇宙有事件視界這回事。無論造成這種膨脹的是什麼事物，我們都稱為「暗能量」。這種加速膨脹和黑洞一樣會束縛住光：當宇宙膨脹時，空間中的各區域如此強烈地相互排斥，以至於在某時候連光都甚至無法克服空間的分離。這種內外有別的狀況導致一個把我們包圍住的球面「宇宙事件視界」（cosmological event horizon），致使無從得知在一定距離之外的事物。但宇宙事件視界與黑洞事件視界有一個關鍵差異，那就是在黑洞中，時空會往空間中的一個點（即奇異點）塌縮。

然而在宇宙的情況，所有的空間都均勻成長，就像膨脹的氣球表面。這表示遠處星系上的生物有它們自己的球面事件視界，把它們（而不是我們）包圍在裡面。我們的宇宙事件視界目前與我們相隔大約160億光年。


繪圖：Jen Christiansen

只要宇宙的加速膨脹持續下去，任何與今日的我們相隔160億光年外所發出的光，我們將永遠不會接收到。宇宙學家也談論另一種所謂的「粒子視界」（particle horizon），令人困擾的是，這也經常稱為宇宙事件視界。「粒子視界」指的是另一種距離，在那距離之外，宇宙早期所發出的光尚未經歷足夠時間抵達地球。本文僅討論「宇宙事件視界」，也經常簡稱為「宇宙視界」。這是加速膨脹的宇宙所特有的，就如我們的宇宙。

黑洞與我們宇宙的類似之處還不只於此。1974年，霍金（Stephen Hawking）證明黑洞並不全然是黑的：基於量子力學，黑洞有個（不為零的）溫度，所以會發出物質與輻射，就像一切有溫度的物體那樣。這種輻射稱為「霍金輻射」，是造成黑洞終究會蒸發掉的原因。事實上，宇宙視界也有個溫度，也由於非常類似的原因而發出物質與輻射。但是因為宇宙視界包圍著我們，輻射往內落下，所以宇宙重新吸收自己發出的輻射，因此宇宙不會像黑洞那樣蒸發掉。

霍金的發現引來一個問題：如果黑洞會消失，所包含的資訊也會跟著消失，但是這將牴觸量子力學法則。這個問題稱為「黑洞資訊弔詭」，是很深奧的謎題，讓結合量子力學與重力的問題變得更棘手。不過到了2019年，物理學家獲得了戲劇化的發展，藉由結合觀念與技術兩者的進展，論證了其實可以從逃離黑洞的霍金輻射擷取出黑洞內的資訊。

這項發現讓研究量子宇宙論的科學家注入新活力。由於黑洞事件視界與宇宙視界在數學上的相似性，很多學者早就相信如果不先了解黑洞，就不可能了解宇宙視界。所以弄清楚黑洞便成了暖身問題，這是有史以來最困難的問題之一。這個暖身問題尚未澈底解決，但現在已獲得一套新的技術工具，在有黑洞事件視界的情況下，重力與量子力學如何交互影響，提供了美妙洞見。

熵與全像原理

最近關於黑洞資訊弔詭的進展之一，來自一個稱為「全像原理」（holographic principle）的想法，是荷蘭烏特列茲大學的特霍夫特（Gerard 't Hooft）與美國史丹佛大學的色斯金（Leonard Susskind）在1990年代所提出。這項原理的意思是，能夠描述黑洞的量子重力論必須建構在二維平面（例如一張平坦的紙）之上，有別於所有其他物理理論，是建立於平常的三維空間之上。這種進路的主要依據其實很簡單：黑洞具有熵，熵是關於你能夠把多少東西放入黑洞內的一種度量，而黑洞的熵正好與其事件視界的二維面積成正比……