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……