在黑洞研究取得成功后，受此鼓舞的理论物理学家正将相关经验和知识应用到整个宇宙。他们的发现让他们开始质疑支撑物理学运作的基本假设。

在书桌前钻研量子时空数学原理的过程中，物理学家遇到了一个令人费解的难题。量子理论和引力的奥妙规则让他们能够详细地构想许多种不同类型的宇宙，从而开展强有力的思想实验。近年来，这些实验帮助解决了不少有关黑洞的长期未解之谜。

但2019年，一组研究人员在考察某个与我们的宇宙非常相似的假想宇宙时，发现了一个悖论：这个宇宙似乎只允许一种可能状态。它看起来太过简单，以至于其内容在描述时不必传递哪怕1比特的数据，甚至连0或1的选择都不需要。这个结果与此类宇宙应该能够容纳黑洞、恒星、行星以及人类的事实相矛盾。在那个假想宇宙中，以上这一切丰富的细节都无处可寻。

“我们环顾四周：毫无疑问，我们的世界看起来比那个世界复杂得多。”加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所的理论物理学家罗布 · 迈耶斯（Rob Myers）指出（他并未直接参与这项研究）。

物理学家有充分的理由相信这一计算结果，因为它是基于基本物理理论得出的。数学结果表明宇宙只有单一状态；然而，我们的宇宙显然并非如此。现在，一支理论团队提出了一个可能的答案：当物理学家试图为整个宇宙寻求一种客观的状态描述时，这种矛盾结果便会从中产生。但即使从原则上讲，这种描述或许也根本不可能成立。它的隐含假设是，存在一种没有观测者来观测其存在的宇宙。也许，一旦没有了观测者，宇宙的复杂性就失去了意义。

惊人之论

对于同时热衷于量子力学和引力的物理学家而言，过往的实践已然证明，要将这两种理论结合起来是异常困难的。弦理论是解决这一问题的候选方案之一，它用微小的振动弦代替粒子，以化解其他候选理论面临的各种“死结”。然而，弦理论的数学原理非常艰深，其含义也难以轻松梳理。

但在近30年前，来自美国普林斯顿高等研究院的理论物理学家胡安 · 马尔达西那（Juan Maldacena）发表了一篇里程碑式的论文，表明复杂的弦理论计算有时可以通过采用粒子物理学中的常用概念规避。关键在于，这种方法只有在宇宙具有非同寻常的“反德西特”几何结构时才成立。反德西特宇宙存在一个边界，通常被描绘成类似铁皮罐头的结构。值得注意的是，罐头内部发生的一切——从碰撞的粒子到旋转的黑洞——都会在罐子外部边界的阴影上体现出来，就好像边界内部的三维宇宙等价于一张平面屏幕上的二维图像，物理学家称之为全息性。

胡安·马尔达西那是美国普林斯顿高等研究院的理论物理学家，他发现了物理空间与其边界之间的重要关系

全息性这一理论带来了重大的突破。2019年，马尔达西那与高等研究院的三位同事——艾哈迈德 · 阿尔姆海里（Ahmed Almheiri）、拉古 · 马哈贾恩（Raghu Mahajan ）和赵英（Ying Zhao，音译）——利用全息思维来更好地理解黑洞内部发生的情况。基于早期研究，他们提出了“孤岛公式”，用以追踪黑洞内不同区域的边界。很快，它帮助他们和其他人为某个长期没有答案的问题找到了一种潜在的解释：量子理论认为黑洞必然会揭示落入其中的信息，但黑洞是如何在不违背其引力绝对性质的前提下做到这一点的呢？他们的成功让物理学家们对孤岛公式在理解量子引力方面的可靠性更有信心。后续的结果也表明，该公式在原本所属的反德西特空间的背景之外也适用。

但这只是热身。

“黑洞是检验理论的绝佳试验场，但它们并非关键所在。”美国斯坦福大学的物理学家亨利 · 麦克斯菲尔德（Henry Maxfield）说，“量子引力的重要问题在于量子宇宙学，在后者的推动下，科学家才能理解极早期宇宙。”

问题在于，我们生活的宇宙并不是一个罐头式的反德西特空间。宇宙膨胀的性质意味着它没有边界。无论你走多远，你永远无法撞到边缘。

宇宙无边界的方式之一是具有“闭合”的几何结构。在这种情况下，如果一名旅行者沿直线行进，最终会回到出发的原点，就像当你跳上飞机向东一直飞，最终会绕地球一圈一样。

由于我们的宇宙也可能是以这种方式闭合的，马尔达西那很快将孤岛公式应用到了一个闭宇宙上。他发现了一些让他的同事难以接受的事：闭合区域似乎几近空无。

“我当时完全被那个论点震惊到了，”赵英表示，“我试图和他理论。”几年之后，赵英终于在马尔达西那的空无宇宙中找到了一个漏洞。

“弗拉马里翁版画”：首次出版于1888年，原本的配字说明称该图描绘了一位观察者正穿过“天空与大地相接”的地平线。在穿界之际，宇宙的运作机制展露无遗

空白状态

马尔达西那探究的那些闭宇宙并非在质量或能量意义上“空无一物”。它们缺少的是更重要的东西：信息。

在物理学家研究量子理论时，他们需要跟踪物理系统可能处于的所有量子态。为此，他们使用一种名为希尔伯特空间的抽象空间。希尔伯特空间以20世纪初数学家大卫 · 希尔伯特（David Hilbert）的名字命名，通过添加新的数学维度来容纳不同的量子态。维度越多，这些希尔伯特空间能够编码的信息也就越多。

一个简单的系统，比如可取值为0或1的计算机比特位，其对应的希尔伯特空间可能有两个维度。

大多数量子系统则要复杂得多。以单个氢原子为例，它的电子在获得更多能量时可以跃迁到更高的轨道。在这种情况下，其可能的量子态数量是无限的，因此它对应的希尔伯特空间是无限维的。真实的量子系统大多都具备这种特征。

因此，物理学家自然期望整个宇宙也具有无限多个量子态。但当马尔达西那将孤岛公式应用于闭宇宙上时，他发现它的希尔伯特空间只有一个维度，其中没有任何信息可循。整个宇宙及其中的所有事物都只能处于单一的量子态，其复杂程度甚至不及一个比特。

这一结论让物理学家们感到矛盾，因为我们同样可能生活在一个闭宇宙中，然而，我们看到的世界显然远不止一个量子态。

“光是在我的书桌上，就已经存在无限多个量子态。”美国加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的物理学家埃德加 · 沙古里安（Edgar Shaghoulian）说。

加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的物理学家埃德加·沙古里安注意到这种奇特的行为与拓扑场论之间存在某种联系

但是，随着物理学家持续研究不同类型的闭宇宙，他们不断看到相同的现象。在高等研究院小组关注黑洞时，麦克斯菲尔德和他的合作者唐纳德 · 马洛夫（Donald Marolf）则研究起了假想的时空量子气泡，也就是婴儿宇宙。他们同样从中发现了鲜明到惊人的简单性。闭宇宙的贫瘠性越来越像是一种普遍的趋势。

“到最后，我们终于相信了。”赵英说。

麻省理工学院理论物理学家赵英是提出单态宇宙问题解决方案的团队成员之一

复杂性回归

这种情况呈现了一个悖论：计算结果始终表明，任何闭宇宙都只有一个可能量子态。但我们的宇宙很可能也是一个闭宇宙，却似乎无限复杂。那么，到底是怎么回事？

在2023年的一篇文章中，沙古里安指出，物理学家此前已在拓扑场论中观测到了这种奇特的行为。数学家使用这类理论描绘几何空间的形状或拓扑结构。拓扑场论也可以具有一维希尔伯特空间。但是，如果你将几何空间分割成多个区域，你就可以用许多种不同方式描述这个空间。为了追踪这些新的可能性，就需要一个更大的希尔伯特空间。

“游戏规则变了。”沙古里安说。

沙古里安提出，可能存在一种类似的方法以分割闭宇宙：引入一个观测者。

量子力学要求区分观测者（例如进行实验的科学家）与被观测的系统。系统通常是微小且量子化的，比如原子。观测者则大而远，因此可以用经典物理学很好地描述。沙古里安认为，这种划分与拓扑场论中扩展希尔伯特空间的方式类似。或许，一名观测者就能对这些看似简单至极的闭宇宙做到同样的事？

2024年，赵英来到麻省理工学院，开始研究如何将观测者“放入”闭宇宙。她和两位同事——丹尼尔 · 哈洛（Daniel Harlow）和米哈伊洛 · 乌萨图克（Mykhaylo Usatyuk）——认为，观测者引入了一种新的边界：不是宇宙的边缘，而是观测者自身的边界。赵英和她的合作者表明，一旦在闭宇宙中将一个经典观测者纳入考虑，世界的一切复杂性便会回归。

麻省理工学院团队的论文于2025年初发表，大约在同一时间，另一个研究团队也提出了类似的想法。其他学者也加入进来，指出此类观点与早期研究之间的联系。

在这个阶段，所有相关学者都强调他们并不知道完整的解决方案。这个悖论本身也可能是一种误解，这种误解可能会随着新的论证而消散。但到目前为止，向闭宇宙中加入观测者并尝试计入其存在似乎是最稳妥的途径。

“这就是正确答案、就是能解决问题的方案吗？那我不敢肯定。只能说，我们尽力了。”赵英说。

如果这一想法成立，那么，用观测者的主观性来解释宇宙复杂性的这种方式，将代表着物理学的一场范式转变。传统上，物理学家寻求的是一种“无来源视角”，即（不依赖观测者的）对自然的独立描述。他们想知道世界如何运作，而像我们这样的观测者又如何作为世界的一部分涌现。但随着物理学家开始通过私人观测者周围的私人边界来理解闭宇宙，这种“无来源视角”似乎越来越站不住脚。也许我们能拥有的永远都只能是某种“有来源视角”。

资料来源 Quanta Magazine

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本文作者马特·冯·希佩尔（Matt von Hippel）是科学作者，目前在哥本哈根生活，主要报道粒子物理学、宇宙学等领域内容