宇宙喜欢螺旋。

这不是一个浪漫的比喻,而是一种根植于物理法则的事实。从星系到DNA,从飓风到量子力学的不确定性,螺旋和环形结构无处不在。过去,人们习惯用球形来描述封闭系统的边界,用直线来衡量确定性。但最新的物理研究表明,真正决定宇宙结构的,或许是一个更复杂的几何形式——环面(torus)。

从热力学的角度来看,熵通常被认为是“无序”的度量。然而,贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)早在1972年就提出,熵不是一个无上限的概念,而是受到能量和封闭体积的约束。他的贝肯斯坦界(Bekenstein Bound)告诉我们,任何物理系统可以储存的信息量,实际上与其能量及包围它的最小球体的半径成正比。这一观点直接将信息论、热力学和广义相对论联系在一起。
但贝肯斯坦的描述仍然过于“欧几里得”。后来,布索(Raphael Bousso)将其推广,认为熵的上限应当与封闭球体的表面积成正比,而非其体积。他的理论进一步深化了全息原理(Holographic Principle):三维空间的信息其实可以完全编码在其边界的二维表面上。这是一种颠覆性的认知,因为它意味着,我们熟悉的三维世界,可能只是一个更高维度投影出来的“屏幕”。
然而,布索的描述仍然存在问题。它虽然符合广义相对论,但它去掉了能量这个关键变量。能量在热力学中的地位无可撼动,它不只是熵的来源,更是决定系统演化的核心。
最近,阿里(Ahmed Farag Ali)和沃伊纳尔(Aneta Wojnar)给出了另一种描述。他们重新引入能量概念,但用爱因斯坦的质能公式将其替换为质量,再用广义相对论中的史瓦西半径 r_s 来重新定义质量在引力场中的物理意义。
这样一来,熵的边界不再是一个简单的球体,而是一个环面。
为什么这很重要?
因为环面才是宇宙真正的运作方式。宏观层面上,星系是旋涡状的。银河系不是一个完美的球体,而是一个扭曲的螺旋盘。黑洞的吸积盘也不是球形,而是环面状的物质流。中子星周围的磁场也呈现环形。
微观层面上,DNA并不是直线,而是双螺旋。电子的轨迹并不是单纯的椭圆,而是受到量子不确定性影响的旋转模式。甚至在天气系统中,飓风和龙卷风的结构也是环形的。空气并不是单向流动,而是沿着旋涡状路径运动。换句话说,宇宙的基本组织方式,从宏观到微观,都是螺旋和环面,而不是球形。
这个发现的数学基础来自于熵的不等式。传统的海森堡不确定性原理描述了位置和动量之间的测量极限,但在环面熵的表述下,这个不等式变成了一个等式:

这意味着什么?
意味着量子力学的不确定性并不是一个“误差”,而是一种几何结构。随机性不是无序,而是一种隐藏的秩序。过去,量子不确定性被看作是一种“测不准”,现在,它可能是某种更深层次的对称性的体现。
这对宇宙学也有重大影响。
比如,长久以来,理论物理学家一直在头疼一个问题:为什么量子场论计算出的真空能量密度比观测值大了10^120 倍?这个所谓的“宇宙常数问题”(Cosmological Constant Problem)是现代物理学最大的谜团之一。但如果真空的能量密度受到环面熵的约束,那么它的数值将自然受到调节,而不至于发散到无穷。
这也可能是暗能量问题的解法之一。
环形熵的存在意味着,真空本身并不是完全均匀的,而是受到某种周期性边界条件的制约。这种周期性可能导致能量密度的调整,使得宇宙的膨胀率维持在观测值范围内,而不是理论计算的极端值。
这一系列发现意味着,我们对宇宙的认知正在经历一场范式转变。过去,我们习惯用球体、直线、平面等欧几里得几何去描述物理世界,但真正的自然法则可能并不是欧几里得式的,而是环面式的。
从黑洞到电子,从飓风到星系,所有的运动都在告诉我们一个事实:自然不喜欢直线,它喜欢螺旋。它不喜欢球体,它喜欢环面。这不只是一个形态上的偏好,而是一种深层次的物理机制。
熵不是简单的“无序”,它是系统演化的方向。熵的几何约束决定了宇宙如何演化,而环面几何可能正是这个约束的真实形态。
这不仅会影响量子力学、热力学和宇宙学,还可能改变我们对现实的基本认知。过去,我们认为不确定性是测量的局限,现在我们知道它是一种物理定律。过去,我们认为宇宙的能量是随机分布的,现在我们知道它受到拓扑约束。