介绍
宇宙学家花了几十年的时间努力理解为什么我们的宇宙是如此惊人的香草味。 就我们所见，它不仅是光滑平坦的，而且还在以越来越慢的速度膨胀，当时天真的计算表明——从大爆炸中出来——空间应该被引力和被令人厌恶的暗能量炸开。
为了解释宇宙的平坦性，物理学家为宇宙历史添加了戏剧性的开篇篇章：他们提出空间在大爆炸开始时像气球一样迅速膨胀，消除了任何曲率。 为了解释最初的暴胀之后空间的温和增长，一些人认为我们的宇宙只是巨大多元宇宙中许多不那么宜居的宇宙之一。
但是现在，两位物理学家颠覆了我们对普通宇宙的传统看法。 继 Stephen Hawking 和 Gary Gibbons 于 1977 年开始的一系列研究之后，这对搭档发表了一项新的计算，表明宇宙的平淡是意料之中的，而不是罕见的。 我们的宇宙是这样的，根据 尼尔·图罗克（Neil Turok） 爱丁堡大学和 莱瑟姆博伊尔 加拿大滑铁卢周界理论物理研究所的研究人员，原因与空气在整个房间内均匀分布的原因相同：可以想象更奇怪的选择，但可能性极小。
宇宙“可能看起来非常微调，极不可能，但[他们]说，'等一下，这是最受青睐的那个，'”说 托马斯赫托格，比利时鲁汶天主教大学的宇宙学家。
“与大多数人所做的相比，这是一项新颖的贡献，它使用了不同的方法，”说 史蒂芬吉伦，英国谢菲尔德大学的宇宙学家。
引人入胜的结论基于一个数学技巧，涉及切换到一个以虚数滴答作响的时钟。 使用假想的时钟，就像霍金在 70 年代所做的那样，Turok 和 Boyle 可以计算出一个被称为熵的量，它似乎与我们的宇宙相对应。 但虚时间技巧是一种计算熵的迂回方法，没有更严格的方法，这个数量的意义仍然存在激烈的争论。 虽然物理学家对熵计算的正确解释感到困惑，但许多人将其视为通向空间和时间的基本量子性质的道路上的新路标。
“不知何故，”吉伦说，“它给了我们一个窗口，让我们或许可以看到时空的微观结构。”
想象中的路径
Turok 和 Boyle 是经常合作的人，他们以提出关于宇宙学的创造性和非正统的想法而闻名。 去年，为了研究我们的宇宙存在的可能性有多大，他们求助于物理学家理查德·费曼 (Richard Feynman) 在 1940 年代开发的一项技术。
为了捕捉粒子的概率行为，费曼设想一个粒子会探索连接起点和终点的所有可能路线：一条直线、一条曲线、一条环路，一直到无穷远。 他设计了一种方法，给每条路径一个与其可能性相关的数字，并将所有数字相加。 这种“路径积分”技术成为预测任何量子系统最有可能表现的强大框架。
费曼一开始宣传路径积分，物理学家就发现了它与热力学的奇妙联系，热力学是一门研究温度和能量的古老科学。 正是量子理论和热力学之间的这种桥梁使 Turok 和 Boyle 的计算成为可能。
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热力学利用统计的力量，因此您可以仅使用几个数字来描述一个由许多部分组成的系统，例如在房间里嘎嘎作响的无数空气分子。 例如，温度——本质上是空气分子的平均速度——给出了房间能量的粗略感觉。 温度和压力等整体属性描述了房间的“宏观状态”。
但是宏观国家是一个粗略的账户； 空气分子可以以多种方式排列，所有这些方式都对应于相同的宏观态。 将一个氧原子向左轻推一点，温度就不会改变。 每个独特的微观配置被称为微观状态，对应于给定宏观状态的微观状态的数量决定了它的熵。
熵为物理学家提供了一种比较不同结果几率的敏锐方法：宏观状态的熵越高，它出现的可能性就越大。 例如，与聚集在一个角落相比，空气分子在整个房间内的排列方式要多得多。 结果，人们期望空气分子散开（并保持散开）。 可能的结果是可能的这一不言而喻的真理，用物理学的语言表达，成为著名的热力学第二定律：系统的总熵趋于增长。
与路径积分的相似之处是明确无误的：在热力学中，您将系统的所有可能配置相加。 通过路径积分，您可以将系统可以采用的所有可能路径相加。 只有一个相当明显的区别：热力学处理概率，概率是直接相加的正数。 但是在路径积分中，分配给每条路径的数字是复数，意味着它涉及虚数 i, −1 的平方根。 复数加在一起时可以增大或缩小——这使它们能够捕捉到量子粒子的波状性质，这些粒子可以结合或抵消。
然而物理学家发现，一个简单的转变就可以把你从一个领域带到另一个领域。 让时间虚构（这一举动以意大利物理学家 Gian Carlo Wick 的名字命名为 Wick 旋转），并且第二个 i 进入扼杀第一个的路径积分，将虚数变成实数概率。 将时间变量替换为温度的倒数，您将得到一个著名的热力学方程。
1977 年，霍金和吉本斯在关于空间和时间的一系列旋风式理论发现结束时，这一威克把戏导致了一项轰动一时的发现。
时空的熵
几十年前，爱因斯坦的广义相对论揭示了空间和时间共同构成了一个统一的现实结构——时空——而引力实际上是物体在时空中跟随褶皱的趋势。 在极端情况下，时空曲线可能会陡峭到足以形成一个无法逃脱的恶魔岛，即黑洞。
1973 年，雅各布·贝肯斯坦 推进了异端 黑洞是不完美的宇宙监狱。 他推断深渊应该吸收它们食物中的熵，而不是从宇宙中删除熵并违反热力学第二定律。 但是如果黑洞有熵，那么它们也一定有温度并且必须辐射热量。
持怀疑态度的史蒂芬霍金试图证明贝肯斯坦是错误的，他着手对量子粒子在黑洞的弯曲时空中的行为进行复杂的计算。 令他惊讶的是，在 1974 年，他 发现 黑洞确实会辐射。 另一种计算 证实了贝肯斯坦的猜测：黑洞的熵等于其事件视界面积的四分之一——坠落物体无法返回的点。
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在随后的几年里，英国物理学家吉本斯和马尔科姆佩里，以及后来的吉本斯和霍金， 抵达 在 相同的结果 止 另一个方向. 他们建立了一个路径积分，原则上将时空可能弯曲形成黑洞的所有不同方式相加。 接下来，他们对黑洞进行威克旋转，用虚数标记时间的流动，并仔细检查它的形状。 他们发现，在虚时间方向上，黑洞会周期性地回到初始状态。 这种土拨鼠日式的虚时间重复给了黑洞一种停滞状态，使他们能够计算出它的温度和熵。
如果答案与贝肯斯坦和霍金早先计算的结果不完全吻合，他们可能不会相信结果。 到本世纪末，他们的共同工作产生了一个惊人的概念：黑洞的熵意味着时空本身是由微小的、可重新排列的碎片组成的，就像空气是由分子组成的一样。 奇迹般的是，即使不知道这些“引力原子”是什么，物理学家也可以通过观察虚时间内的黑洞来计算它们的排列。
“正是这个结果给霍金留下了非常深刻的印象，”霍金的前研究生和长期合作者赫托格说。 霍金立即想知道威克旋转是否不仅仅适用于黑洞。 “如果那个几何学捕捉到了黑洞的量子特性，”Hertog 说，“那么对整个宇宙的宇宙学特性进行同样的研究是不可抗拒的。”
计算所有可能的宇宙
霍金和吉本斯维克立即旋转了一个最简单的可以想象的宇宙——一个只包含太空本身的暗能量的宇宙。 这个空洞、膨胀的宇宙被称为“德西特”时空，有一个视界，超过这个视界的空间膨胀得如此之快，以至于来自那里的信号永远不会到达空间中心的观察者。 1977 年，吉本斯和霍金计算出，与黑洞一样，德西特宇宙的熵也等于其视界面积的四分之一。 同样，时空似乎有可数的微观状态。
但实际宇宙的熵仍然是一个悬而未决的问题。 我们的宇宙不是空的； 它充满了辐射光以及星系和暗物质流。 在宇宙的年轻时期，光推动了空间的快速扩张，然后在宇宙的青春期，物质的引力使事物变得缓慢爬行。 现在暗能量似乎已经接管了一切，推动了失控的扩张。 “扩张的历史是一段坎坷的旅程，”Hertog 说。 “要获得明确的解决方案并不是那么容易。”
在过去一年左右的时间里，Boyle 和 Turok 已经建立了这样一个明确的解决方案。 首先，在一月份，他们在玩玩具宇宙学时， 注意到 向德西特时空添加辐射不会破坏威克旋转宇宙所需的简单性。
然后在整个夏天，他们发现该技术甚至可以承受杂乱的物质包裹。 描述更复杂的膨胀历史的数学曲线仍然属于一组特定的易于处理的函数，热力学的世界仍然可以访问。 “当你离开非常对称的时空时，这种 Wick 旋转是模糊的事情，”说 吉列梅·莱特·皮门特尔，意大利比萨高等师范学院的宇宙学家。 “但他们设法找到了它。”
通过威克旋转一类更现实的宇宙的过山车膨胀历史，他们得到了一个更通用的宇宙熵方程。 对于由辐射、物质、曲率和暗能量密度定义的范围广泛的宇宙宏观状态（就像一系列温度和压力定义一个房间的不同可能环境），该公式吐出相应微观状态的数量。 Turok 和 Boyle 发布 他们的结果 十月初上线。
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专家们称赞了明确的量化结果。 但是根据他们的熵方程，博伊尔和图罗克得出了一个关于我们宇宙本质的非常规结论。 “这就是它变得更有趣，也更有争议的地方，”Hertog 说。
Boyle 和 Turok 相信这个方程式对所有可以想象的宇宙历史进行了普查。 正如一个房间的熵计算了给定温度下空气分子排列的所有方式，他们怀疑它们的熵计算了人们可能将时空原子混为一谈并最终得到一个具有给定整体历史的宇宙的所有方式，曲率和暗能量密度。
博伊尔将这个过程比作调查一大袋弹珠，每一个弹珠都是一个不同的宇宙。 那些具有负曲率的可能是绿色的。 那些拥有大量暗能量的可能是猫眼，等等。 他们的普查表明，绝大多数弹珠只有一种颜色——比如蓝色——对应一种类型的宇宙：一种与我们的宇宙大致相似的宇宙，没有明显的曲率，只有一点暗能量。 更奇怪的宇宙类型非常罕见。 换句话说，我们宇宙中那些激发了数十年关于宇宙膨胀和多元宇宙理论的奇怪的香草特征可能一点也不奇怪。
“这是一个非常有趣的结果，”Hertog 说。 但“它提出的问题多于它回答的问题。”
计数混乱
Boyle 和 Turok 计算了一个计算宇宙的方程式。 他们做出了惊人的观察，即像我们这样的宇宙似乎占了可想象的宇宙选择的绝大部分。 但这就是确定性结束的地方。
两人并没有试图解释什么引力和宇宙学的量子理论可能使某些宇宙变得普遍或罕见。 他们也没有解释我们的宇宙及其微观部分的特殊配置是如何形成的。 最终，他们将他们的计算更多地视为一种线索，而不是任何接近于完整宇宙学理论的东西，更像是一种线索，表明人们更喜欢哪种宇宙。 “我们使用的是在不知道理论是什么的情况下获得答案的廉价技巧，”Turok 说。
他们的工作还让一个自 Gibbons 和霍金开始研究时空熵以来一直没有得到解答的问题重新焕发活力：廉价技巧计算的微观状态到底是什么？
“这里的关键是说我们不知道熵意味着什么，”说 亨利·麦克斯菲尔德，斯坦福大学研究引力量子理论的物理学家。
从本质上讲，熵封装了无知。 例如，对于由分子组成的气体，物理学家知道温度——粒子的平均速度——但不知道每个粒子在做什么； 气体的熵反映了选项的数量。
经过数十年的理论研究，物理学家们正在为黑洞绘制一张类似的图画。 许多理论家现在认为，视界的面积描述了他们对落入其中的物质的无知——黑洞内部排列构造块以匹配其外观的所有方式。 （研究人员仍然不知道微观状态到底是什么；想法包括称为引力子的粒子配置或弦理论的弦。）
但是当涉及到宇宙的熵时，物理学家们对他们的无知所在甚至都不太确定。
XNUMX 月，两位理论家试图将宇宙学熵置于更稳固的数学基础之上。 泰德·雅各布森，马里兰大学物理学家，以从黑洞热力学推导出爱因斯坦的引力理论而闻名，他的研究生 Batoul Banihashemi 明确定义 一个（空的，膨胀的）德西特宇宙的熵。 他们采用了中心观察员的视角。 他们的技术涉及在中心观察者和地平线之间添加一个虚拟表面，然后缩小表面直到它到达中心观察者并消失，恢复了吉本斯和霍金的答案，即熵等于地平线面积的四分之一。 他们得出结论，德西特熵计算了视界内所有可能的微观状态。
Turok 和 Boyle 为空宇宙计算了与 Jacobson 和 Banihashemi 相同的熵。 但在他们关于充满物质和辐射的现实宇宙的新计算中，他们得到了更多的微观状态——与体积而不是面积成正比。 面对这种明显的冲突，他们推测不同的熵回答了不同的问题：较小的德西特熵计算了以视界为界的纯时空的微观状态，而他们怀疑它们较大的熵计算了充满空洞的时空的所有微观状态。地平线内外的物质和能量。 “这是整个 shebang，”Turok 说。
最终，解决 Boyle 和 Turok 正在计算什么的问题将需要对微态集合有更明确的数学定义，类似于 Jacobson 和 Banihashemi 对德西特空间所做的工作。 Banihashemi 说，她认为博伊尔和图罗克的熵计算“是对一个尚未完全理解的问题的答案。”
至于“为什么是这个宇宙？”这个问题的更确定的答案，宇宙学家说暴胀和多元宇宙还远未消亡。 尤其是现代暴胀理论，不仅仅要解决宇宙的光滑和平整度问题。 对天空的观察与它的许多其他预测相符。 Pimentel 说，Turok 和 Boyle 的熵论已经通过了显着的首次检验，但它还必须确定其他更详细的数据才能更有效地对抗通货膨胀。
作为衡量无知的数量，植根于熵的奥秘以前曾作为未知物理学的先兆。 在 1800 年代后期，在微观排列方面对熵的精确理解有助于确认原子的存在。 今天，希望如果研究人员以不同方式计算宇宙熵能够准确地计算出他们正在回答的问题，这些数字将引导他们对时空乐高积木如何堆积以创造宇宙的类似理解围绕着我们。
“我们的计算所做的是为那些试图建立量子引力微观理论的人们提供巨大的额外动力，”Turok 说。 “因为该理论有望最终解释宇宙的大规模几何结构。”
