撰文尼亚耶什·阿弗肖迪（加拿大滑铁卢大学物理学和天文学系的助理教授）
罗伯特·B·曼（滑铁卢大学物理学和天文学系的教授及前系主任，曾担任加拿大物理学家协会主席）
拉兹·帕哈桑（圆周理论物理研究所和滑铁卢大学的博士生）
翻译易疏序（中科院高能物理研究所粒子天体物理专业博士生，研究方向为中子星计时探测引力波）
古希腊哲学家柏拉图在他的作品《洞穴寓言》（Allegory of the Cave）中，描述了这样一群囚徒：他们终生居住在一个黑暗洞穴中，脖子和脚被锁住，无法环顾四周，只能面向洞穴岩壁。在囚徒身后，有一堆篝火。在篝火与囚徒之间，有着形形色色的物体，火光将那些物体的影子投射到囚徒眼前的岩壁上。这些二维影子就是囚徒们所能看到的全部，他们认为这就是现实世界。但真实情况是，世界要比他们认为的二维世界多出一个维度，锁链让他们无法回头看到这个真实的世界。这个不为囚徒所知的额外维度，精彩而复杂，可以解释他们在岩壁上看到的一切。
柏拉图的这一寓言，可能说出了我们的真实处境。
我们也许正生活在一个巨大的宇宙洞穴中，这个洞穴在万物之初就出现了。按照标准说法，宇宙是由一个密度无限大的点经过大爆炸而产生的。但通过最近开展的一些计算工作，我们可能会将宇宙的诞生追溯到大爆炸之前的纪元里，那时的空间要比现在的宇宙空间多出一个维度。即将开展的一些天文观测，可能会找到这个“原初宇宙”（ protouniverse）留下的一些蛛丝马迹。
以往的经验告诉我们，宇宙有3个空间维度和1个时间维度，我们将这种几何结构定义为“三维空间宇宙”。但在我们的新宇宙模型里，这个三维宇宙不过是一个四维宇宙的投影。明确来说，我们整个宇宙诞生于高维宇宙中的一次恒星塌缩。这次塌缩在四维宇宙中产生了一个四维黑洞；黑洞的三维表面，就是我们生活的宇宙。
我们干嘛要提出这样一个听起来很荒诞的理论？这有两个理由。第一，我们的理论并非异想天开，它有坚固的数学基础，从而可以正确描述时空。
过去几十年，物理学家发展出了完善的全息理论（theory of holography）。他们有一套数学工具，可以将某个维度上的物理过程，转而在另一个维度上描述。举例来说，二维空间中的流体动力学方程相对简单，研究人员就可以解出方程，并利用这些二维解来理解一些更复杂的系统，比如三维黑洞的动力学过程。在数学上来说，这两种描述是相通的——人们可以用流体来完美类比难以捉摸的黑洞。
全息理论的成功使很多科学家相信，它可能是一个深层次、根本性的理论，而不仅仅是一个数学变换那么简单。或许，不同维度之间的界限，并不像我们想象得那么难以逾越；或许，宇宙基本原理是存在于另一个维度中的，然后被转换到我们看到的这个三维世界中；或许，就像柏拉图寓言中的囚徒，日常经验欺骗了我们，让我们误以为世界是三维的，只有当我们把目光投向第四个维度时，一切才会豁然开朗。
四维宇宙假说值得关注的另一个原因是，通过严谨地研究四维宇宙，或许可以帮助我们了解宇宙的本质，回答宇宙起源之谜，比如创世的闪光——大爆炸之谜。现代宇宙学认为，在大爆炸之后，宇宙紧接着进入了空间极速膨胀的时期——暴胀（inflation），在此期间早期宇宙的体积增加了1078倍以上。不过，暴胀学说仍没能回答，是什么导致了大爆炸。相比之下，四维宇宙模型回答了这个终极谜题：宇宙究竟从何而来？
已知与未知的宇宙
我们研究四维宇宙正是为了解决三维宇宙中存在的问题。现代宇宙学已经取得了巨大的成功，但成功的光环下，却隐藏着深刻而复杂的谜团。对这些谜团的求索，让研究人员想到了全息理论。
宇宙学家用几个简单的方程（其中最重要的几个是爱因斯坦写出来的）和5个独立参数，就能描述整个宇宙的历史——从今天一路回溯到大爆炸后的一刹那。这5个独立参数为：普通物质、暗物质和暗能量各自的相对能量密度（我们会在后面的内容中详细说明），以及早期宇宙量子涨落的幅度和功率谱。他们用一个标准的宇宙学模型——Λ 冷暗物质（lambda Cold Dark Matter，Λ-CDM）模型，描述了数百个甚至可能是数千个观测数据点，这些数据覆盖的空间尺度从百万光年到百亿光年，到达了可见宇宙的边缘位置。不过，观测上的成功并不代表我们对宇宙的研究大功告成了。研究人员推测的这一宇宙演化版本，仍然有很多令人感到棘手的漏洞。我们遇到了有关宇宙本质的最根本问题，而且到目前为止，我们仍无法对这些问题做出解答。
问题1：我们并不理解这5个参数
让我们来想想宇宙中物质和能量的密度吧。哪怕只是数十年以前，天文学家都还相信，普通物质（元素周期表里的那些物质）是宇宙质量能量的主要形式。后来的宇宙学观测彻底颠覆了这个观念（这也带来了3个诺贝尔奖）。我们现在知道，在宇宙全部能量密度中，普通物质只占5%，暗物质则占到了25%。暗物质是一种未知的物质形式，科学家通过引力作用推测出了它们的存在。宇宙中剩下的70%是暗能量，普通物质的引力作用理应让宇宙的膨胀减慢，而暗能量这种神秘的东西却加速了宇宙的膨胀。暗物质和暗能量是什么？它们为何能占据25%和70%的宇宙成分？这些问题我们不得而知。
如果我们能更好地理解大爆炸，也许就能知道这些问题的答案了。在一团由光和粒子组成的、温度高达1027℃的等离子体中，时间和空间突然创生。很难想象，在那样一种极端情况下创生的宇宙，居然会演化成我们今天所看到的这种情形——温度几乎处处相同，在大尺度上具有平直的空间曲率（在这样的空间曲率下，三角形的内角和是180°）。
暴胀可能是让我们理解宇宙大尺度结构的最好假说了。暴胀能“拉直”宇宙，抹平时空的弯曲部分，让宇宙的温度变得均匀。就像宇宙放大镜一样，暴胀也把宇宙初期微小的能量密度量子涨落放大到宇宙学尺度。这些涨落最终变成大尺度结构的种子，也就是星系、恒星、行星和包括我们在内的生命的种子。
暴胀学说是一个被广泛接受的成功理论（见“大爆炸之前”）。数十年来，宇宙学家通过观测宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background，CMB）来检验暴胀学说的各种预言。CMB记录了早期宇宙的密度扰动情况。欧洲空间局（European Space Agency）的普朗克卫星最近的观测结果，证实了我们的宇宙是平直（或者非常接近平直）而且均匀的（各向异性不超过六万分之一）——这两点都是暴胀学说的重要预言。此外，人们认为原初物质涨落是暴胀将量子涨落放大得来的，卫星观测到的原初物质的涨落功率谱和幅度，与理论预期符合得非常好。
问题二：我们并没有真正理解暴胀
我们可能会问：是什么驱动了暴胀的发生？如何提供这么大的能量？在我们的想象中，在大爆炸结束后极短的时间内，宇宙充满了能量，这些能量以一种假想粒子的形式存在，即“暴胀子”（inflaton）。最近，科学家在欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）上发现的希格斯粒子（Higgs particle），与“暴胀子”这一假想粒子有很多相似的性质，可能是“暴胀子”的候选者之一。“暴胀子”不仅能解释宇宙早期的加速膨胀，也能解释如今的宇宙结构，因为在早期宇宙中， “暴胀子”场能量的微小量子涨落，是唯一能导致显著的能量密度差异的机制。
不过，“暴胀子”并不能解决我们的问题，它只是把问题又向前推进了一步。我们不知道“暴胀子”的性质，不知道它从何而来以及如何找到它，我们甚至不确定它是否真的存在。
此外，物理学家不知道暴胀是如何自然地停止的——这就是所谓的“优雅退场疑难”（graceful exit problem）。如果一种能量场驱动了宇宙以指数级膨胀，那么，是什么让这个能量场突然“关闭”？同时，在Λ-CDM模型中的5个宇宙学参数，其中一些参数必须被精确地调整到当前数值，否则我们观测到的宇宙会面目全非，但对于这5个参数的起源，我们也没有一个令人信服的解释。并且，对于暴胀发生之前的宇宙——宇宙诞生的最初万亿亿亿亿分之一秒（10-36秒）内，我们也没有一个确定的描述。
问题三：我们不理解大爆炸是如何开始的
宇宙学领域的最大挑战是，如何理解大爆炸本身的性质：在一个密度无穷大的点——奇点（singularity），一切时间、空间、物质突然剧烈地喷薄而出。奇点是一个令人难以理解的“怪物”，时间和空间蜷曲于其中，在那里根本无法分辨过去和未来，一切物理定律也都失效。奇点是一个没有秩序、没有规则的宇宙。从奇点中跳出任何东西，在逻辑上都是成立的。但从奇点中跳出来一个像我们看到的宇宙一样有秩序的宇宙，是不太可能发生的。
我们能够想象的情形是，从奇点中有可能跳出一个高度混乱的宇宙，那个宇宙的特点是，温度有剧烈的空间涨落，也就是说，在宇宙空间中，不同点的温度有着巨大的差异。而且，那个宇宙里的暴胀可能不能将这些涨落抹平。事实上，如果温度的涨落太大的话，暴胀可能都没有机会发生。因此，奇点的问题不能全靠暴胀来解决。
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