宇宙学家花了几十年时间试图了解我们的宇宙就我们所见，它不仅光滑平坦，而且膨胀速度极其缓慢为了解释宇宙的扁平，物理学家提出宇宙在大爆炸开始时像气球一样膨胀，消除了任何曲率为了解释最初膨胀后空间的缓慢增长，有人认为我们的宇宙只是多元宇宙中的一个
但是现在，两位物理学家颠覆了人们传统的宇宙观继斯蒂芬·霍金和加里·吉本斯于1977年开始的一系列研究之后，两人发表了一项新的计算结果，该结果表明宇宙的扁平是意料之中的根据爱丁堡大学的尼尔·图罗克和加拿大滑铁卢圆形理论物理研究所的莱瑟姆·波义耳的说法，我们的宇宙是这样的，原因和空气在房间里均匀扩散一样
这个结论是基于一种数学技巧，涉及一个由虚数计时的时钟正如霍金在20世纪70年代所做的那样，图罗克和波义耳通过使用虚拟时钟计算了一个称为熵的量，这似乎与我们的宇宙相对应但是虚时间技术是一种计算熵的迂回方法没有更严格的方法，这个量的意义还有待讨论当物理学家对熵计算的正确解释感到困惑时，许多人把它视为时空基本量子性质的新路标
它为我们打开了一扇窗，也许我们可以看到时空的微观结构。
虚拟路径
去年，为了研究宇宙存在的可能性，图罗克和波义耳求助于理查德·费曼在20世纪40年代开发的一项技术。
为了捕捉粒子的概率行为，费曼想象了一个粒子从开始到结束的所有可能的路线:一条直线，一条曲线，一个循环，直到无穷大他设计了一种方法，给每条路径一个与其可能性相关的数字，然后把所有的数字加起来这种路径整合技术已经成为预测任何量子系统最可能性能的强大框架
物理学家发现了路径积分和热力学之间的奇怪联系正是量子理论和热力学之间的这座桥梁使得图罗克和波义耳的计算成为可能
尼尔·图罗克
热力学用统计的方法来描述一个系统，这个系统由许多部分组成，只有很少的几个数字，比如一个房间里有无数个空气分子例如，温度可以大致反映一个房间的能量温度和压力等整体属性描述了房间的宏观状态
但宏观状态是粗略的描述，空气分子可以有很多种排列方式，都对应同一个宏观状态每一种独特的微观结构称为微观状态，给定宏观状态对应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概率的方法宏观状态的熵越高，可能性越大比如，整个房间排列的空气分子比一个角落多很多因此，预计空气分子将分散并保持分散可能的结果是可能的这个不言而喻的事实，用物理学的语言表达出来，就成了著名的热力学第二定律:系统的总熵趋于增加
它与路径积分的相似性是毋庸置疑的:在热力学中，一个系统所有可能的构型都加在一起通过路径整合，将系统所有可能的路径加起来只有一个明显的区别:热力学研究的是概率但在路径积分中，分配给每条路径的数字是一个复数，这意味着它涉及虚数I复数在加在一起时可以增加或减少——这使它们能够捕捉量子粒子的波动特性，这些粒子可以组合或抵消
可是，物理学家发现，一个简单的转换就可以把你从一个领域带到另一个领域设时间为虚数，第二个I进入路径积分，消去第一个I，虚数变成实概率把时间变量换成温度的倒数，就得到一个著名的热力学方程
1977年，霍金做出了这个轰动性的发现，这是一系列关于时空理论发现的终结。
时空熵
早在几十年前，爱因斯坦的广义相对论就揭示了空间和时间构成了统一的现实结构，引力实际上是物体沿着时空折叠运动的趋势在极端情况下，时间和空间可以急剧弯曲，形成一个无法逃脱的黑洞
1973年，Jacob Beckenstein提出了一个异端观点，认为黑洞是一个不完美的宇宙他推论黑洞应该吸收宇宙中的熵，而不是删除它，因此违反了热力学第二定律但是如果黑洞有熵，那它一定也有温度，一定会辐射热量
斯蒂芬·霍金试图证明贝肯斯坦是错的他开始对黑洞弯曲时空中量子粒子的行为进行复杂的计算令他惊讶的是，在1974年，他发现黑洞确实在辐射另一项计算证实了贝肯斯坦的猜测:黑洞的熵等于其活动视界面积的四分之一
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，从另一个方向得出了同样的结果他们建立了一个路径积分，原则上是把时空弯曲形成黑洞的所有不同方式加起来接下来，他们对黑洞进行尾流旋转，用虚数标记时间的流动，仔细观察它的形状他们发现，在虚时间方向上，黑洞会周期性地回到初始状态
在物理学中，尾迹旋转是一种用虚变量代替实变量，从欧氏空间中相关问题的解来寻找闵可夫斯基空间中数学问题的解的方法这种变换也用于寻找量子力学和其他领域问题的解决方案
如果答案与贝肯斯坦和霍金早期计算的结果不完全一致，他们可能不会相信这些结果他们的研究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令人惊讶的是，即使不知道这些引力子是什么，物理学家也可以通过在虚拟时间中观察黑洞来计算它们的排列
计算所有可能的宇宙
很快，霍金和吉本斯维克就把可以想象的最简单的宇宙变成了——这个宇宙只包含空间本身的暗能量这个空的，膨胀的宇宙被称为Desit时空，它有一个事件视界在事件视界之外，空间膨胀得如此之快，以至于没有信号能够到达位于空间中心的观察者1977年，吉本斯和霍金计算出Desite宇宙的熵，就像黑洞一样，等于其视界面积的四分之一时空似乎又有了可数的微观状态
但是实际宇宙的熵仍然是一个公开的问题我们的宇宙不是空的，它充满了辐射光，星系和暗物质在宇宙青年时期，光促进了空间的快速膨胀，然后在宇宙青春期，物质的引力使物体变慢现在暗能量似乎占了上风，推动着宇宙不受控制的膨胀
在过去的一年多时间里，图罗克和波义耳构建了这样一个清晰的解决方案首先，今年1月，他们注意到在Desite时空中加入辐射不会破坏Wake旋转宇宙所需的简单性
夏天，他们发现这种技术甚至可以承受物质的混合描述更复杂的膨胀历史的数学模型仍然属于一组易于处理的函数，而热力学的世界仍然可以理解
通过Wake对宇宙膨胀史的旋转，他们得到了更普遍的宇宙熵方程对于由辐射，物质，曲率和暗能量密度定义的大范围的宇宙宏观态，这个公式可以计算出对应的微观态的个数和图罗克·博伊尔于10月初在网上发表了他们的研究成果
莱瑟姆·博伊尔
专家们肯定了这一清晰的定量结果但是从他们的熵方程中，波义耳和图罗克得出了一个关于宇宙本质的非常规结论
波义耳和图罗克认为这个方程概括了所有可以想象的宇宙历史就像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一样，他们怀疑他们的熵计算了时空中原子可能被打乱的所有方式，最终仍然得到一个给定整体历史，曲率和暗能量密度的宇宙
波义耳将这一过程比作探索一袋弹珠，每一粒代表一个不同的宇宙负曲率的可能是绿色暗能量多的可能会被猫眨眼之类的他们的普查表明，绝大多数的弹珠只有一种颜色，对应一种类型的宇宙:与我们的宇宙大致相似，没有明显的曲率，只有一点暗能量更奇怪的宇宙类型是罕见的换句话说，我们宇宙奇怪的共同特征可能一点也不令人惊讶
熵的核心是无知。
波义耳和图罗克给出了一个计算宇宙数量的方程他们得出了一个惊人的结论，即像我们这样的宇宙似乎占据了所有可想象宇宙的绝大多数
这两个人并没有试图解释引力和宇宙学的量子理论是如何让一些宇宙变得普遍或罕见的他们也无法解释我们的宇宙是如何形成的最后，他们认为他们的计算与其说是一个近乎完整的宇宙学理论，不如说是一个线索
他们的研究还重新激活了一个自霍金首次打开时空熵以来一直没有答案的问题:用这种方法计算出来的微观状态是什么。
斯坦福大学研究引力量子理论的物理学家亨利·马克斯菲尔德说:这里的关键是我们不知道熵意味着什么。
熵的核心是无知例如，对于由分子组成的气体，物理学家知道温度，但不知道每个粒子的行为，气体的熵反映了微观结构的可能数量
经过几十年的理论研究，物理学家对黑洞有了类似的认识现在，许多理论家认为，视界的面积描述了他们对落入黑洞的物质的无知——黑洞内部的所有成分都与其外观相匹配
研究人员仍然不知道微观状态是什么，这些想法包括在弦理论中被称为引力子或弦的粒子的结构。
但是当谈到宇宙的熵时，物理学家甚至不确定他们的无知在哪里。
今年4月，两位理论家试图在更坚实的数学基础上构建宇宙熵马里兰大学的物理学家泰德·雅各布森以从黑洞热力学推导出爱因斯坦的引力理论而闻名他和他的研究生清楚地定义了Desit宇宙的熵他们采纳了中心观察者的观点他们在中心观察者和事件视界之间添加了一个虚拟表面，然后缩小该表面，直到它到达中心观察者并消失他们得到了吉本斯和霍金的答案，熵等于视界面积的四分之一他们得出结论，Desit熵计算了视界中所有可能的微观状态
泰德·雅各布森和他的研究生
波义耳和图罗克计算的熵与雅各布森计算的空宇宙的熵相同但是在他们关于充满物质和辐射的真实宇宙的新计算中，他们得到了更多的微观状态——与体积成比例，而不是与面积成比例面对这种明显的冲突，他们推测不同的熵可以回答不同的问题:较小的Desit熵计算的是被视界包围的纯时空的微观状态，而他们怀疑较大的熵计算的是视界内外充满物质和能量的时空的所有微观状态
最后，要解决波义耳和图罗克正在计数的问题，需要一个更清晰的微观态集的数学定义。
宇宙学家表示，膨胀和多元宇宙远未消亡尤其是现代的暴胀理论，解决的不仅仅是宇宙的光滑和平坦而图罗克·波义耳的熵论点已经通过了重要的第一次检验，但它仍然需要其他更详细的数据来更有效地对抗通货膨胀
作为无知的衡量标准，植根于熵的神秘一度是未知物理的先兆19世纪后期，从微观排列角度对熵的准确理解有助于证实原子的存在现在的希望是，如果研究人员用不同的方法计算宇宙的熵，他们可以准确地得到他们正在回答的问题这些数字将使他们对时间和空间的乐高积木如何堆积起来创造我们周围的宇宙有类似的理解
图罗克说，
我们的计算为那些试图建立量子引力微观理论的人提供了巨大的额外动力因为这个理论的前景是，它最终会解释宇宙的大尺度几何结构