周游

《時(shí)間起源》作者托馬斯·赫托格。圖/受訪(fǎng)者提供

“霍金推翻了霍金?！?/p>

比利時(shí)魯汶大學(xué)教授、引力波中心主任托馬斯·赫托格在《時(shí)間起源》一書(shū)中這樣寫(xiě)道。他是世界著名的宇宙學(xué)家，也是史蒂芬·霍金的學(xué)生和多年合作伙伴。他在魯汶的團(tuán)隊(duì)主要致力于研究引力波和黑洞的物理本質(zhì)。

《時(shí)間起源》基于赫托格和霍金于2018年4月聯(lián)合發(fā)表在《高能物理雜志》上的一篇論文，它代表了霍金科研生涯最后的成果。他們?cè)跁?shū)中顛覆了霍金在《時(shí)間簡(jiǎn)史》中提出的宇宙大爆炸模型，科學(xué)而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)鼗卮鹆死_學(xué)界已久的宇宙“設(shè)計(jì)”之謎——我們的宇宙為什么恰好支持生命？此書(shū)沒(méi)有霍金的署名，2018年論文發(fā)表一個(gè)月前，霍金與世長(zhǎng)辭。

赫托格時(shí)常回憶起他和霍金在1998年6月初見(jiàn)的場(chǎng)景。在英國(guó)劍橋大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)和理論物理系那迷宮般的建筑深處，霍金坐在他辦公室的桌子后，頭靠在輪椅頭枕上，用微笑歡迎了這位從比利時(shí)趕來(lái)的準(zhǔn)博士生。那時(shí)，霍金已失去了自然聲音，他們通過(guò)計(jì)算機(jī)語(yǔ)音和屏幕文字交流?；艚痖_(kāi)門(mén)見(jiàn)山地用一系列前沿物理學(xué)理論和名詞“轟炸”了赫托格，而后者也成功在時(shí)不時(shí)閃爍的屏幕亮光中，讀懂了對(duì)方對(duì)當(dāng)時(shí)學(xué)界秉持的宇宙觀的擔(dān)憂(yōu)。

“當(dāng)我準(zhǔn)確理解他的意思并接上話(huà)時(shí)，他的眼睛會(huì)因興奮而明亮。”近日，赫托格在接受《中國(guó)新聞周刊》采訪(fǎng)時(shí)回憶。他從未在公開(kāi)場(chǎng)合吝惜過(guò)對(duì)霍金非凡學(xué)術(shù)成就的欽佩，也堅(jiān)稱(chēng)沒(méi)有霍金就沒(méi)有《時(shí)間起源》。赫托格會(huì)在回答任何問(wèn)題前沉思數(shù)秒，并在回答中反復(fù)斟酌用詞。還有一種情況會(huì)讓他沉默的時(shí)間更長(zhǎng)，那是在被問(wèn)及他和霍金的共同回憶時(shí)。這些沉默里蘊(yùn)含的情感，也許只有赫托格本人才知曉。

20世紀(jì)80年代，霍金在《時(shí)間簡(jiǎn)史》中提出了第一個(gè)關(guān)于大爆炸也即宇宙起源的科學(xué)模型。他提出的理論能夠科學(xué)地描述大爆炸后宇宙的演化，包括空間、時(shí)間和物質(zhì)的形成過(guò)程。十年后的90年代，霍金意識(shí)到他在《時(shí)間簡(jiǎn)史》中提出的大爆炸模型行不通。模型計(jì)算出了一個(gè)空虛的宇宙，沒(méi)有恒星，沒(méi)有行星，也沒(méi)有生命。大爆炸模型碰壁后，我們急需一個(gè)新模型來(lái)闡述宇宙誕生之初發(fā)生的事情。

如何尋找更好的宇宙起源理論？我抱著這樣的疑惑，從比利時(shí)去了劍橋，和霍金面談。他簡(jiǎn)短地告訴了我當(dāng)時(shí)宇宙學(xué)的困境。多年后，我們找到了問(wèn)題所在。這就是這本書(shū)存在的原因——霍金推翻了自己的大爆炸模型?！稌r(shí)間簡(jiǎn)史》中，霍金認(rèn)為大爆炸是一個(gè)突然出現(xiàn)的、什么物理定律都行不通的奇點(diǎn)，而在《時(shí)間起源》中，宇宙起源是一個(gè)可以順著時(shí)間回溯的平滑的過(guò)程。霍金稱(chēng)之為宇宙起源的無(wú)邊界假設(shè)。

觀測(cè)宇宙時(shí)我們注意到，物理定律、粒子類(lèi)型、宇宙常數(shù)在很多方面對(duì)于生命的出現(xiàn)來(lái)說(shuō)幾乎是完美的。例如，如果你讓宇宙膨脹得更快一點(diǎn)，就不會(huì)有恒星和星系，因?yàn)槲镔|(zhì)將無(wú)法承受膨脹而被撕裂。如果你改變?cè)雍撕碗娮娱g的作用力，哪怕只改變一點(diǎn)點(diǎn)，原子都將不復(fù)存在。沒(méi)有原子就沒(méi)有化學(xué)，也就不會(huì)有DNA和生命。宇宙的各項(xiàng)指標(biāo)都被“設(shè)計(jì)”成非常適合生命的出現(xiàn)，似乎暗示有某種超然宇宙外的“神力”在掌控我們，這是科學(xué)所不允許的。

上世紀(jì)90年代末，我第一次遇到霍金時(shí)，他說(shuō)這些觀測(cè)結(jié)果表明我們?cè)诶碚撝羞z漏了些什么。在西方世界，物理定律通常被認(rèn)為是某種更高級(jí)的、客觀的、固定的、不可改變的定律和真理，與生命無(wú)關(guān)，與人類(lèi)是否選擇去了解和發(fā)現(xiàn)它無(wú)關(guān)。這也是霍金在《時(shí)間簡(jiǎn)史》中的看法。原本的大爆炸模型與生命無(wú)關(guān)，結(jié)果它產(chǎn)生了沒(méi)有生命的宇宙。

但宇宙學(xué)理論最好能解釋我們的存在，所以我們必須重新考慮生命與物理學(xué)、宇宙學(xué)間的關(guān)聯(lián)。以往的物理學(xué)研究者都從外部觀察宇宙，仿佛在看一個(gè)與自己無(wú)關(guān)的試驗(yàn)箱?；艚鹪凇稌r(shí)間簡(jiǎn)史》中犯的錯(cuò)誤本質(zhì)上源于他試圖理解宇宙起源，但沒(méi)有把他自己作為宇宙起源的一部分。我們?cè)诒緯?shū)中提出了一種全新的“達(dá)爾文主義”宇宙學(xué)。這是一個(gè)巨大的思想轉(zhuǎn)變。

不，它是一種視角的轉(zhuǎn)變。在物理學(xué)中，我們通常會(huì)首先構(gòu)建一個(gè)模型、創(chuàng)立一個(gè)理論，比如牛頓定律或愛(ài)因斯坦相對(duì)論。然后我們看看理論預(yù)測(cè)了什么，并引入觀測(cè)者和觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。物理學(xué)中的觀測(cè)與意識(shí)無(wú)關(guān)。我們所說(shuō)的讓生命進(jìn)入宇宙學(xué)，是指我們需要嘗試構(gòu)建一個(gè)包含觀測(cè)者的理論，其中觀測(cè)行為已經(jīng)成為理論構(gòu)建的一部分。人不重要，但觀測(cè)重要。這是根本性的認(rèn)識(shí)論變化。

量子理論中，觀測(cè)行為會(huì)影響觀測(cè)結(jié)果，而我們?cè)谟钪鎸W(xué)中使用量子思想的結(jié)果就是，整個(gè)宇宙的演化都和觀測(cè)有著莫大的關(guān)聯(lián)。

霍金和我推崇的新宇宙觀中一個(gè)極其重要的推論是，宇宙不存在一種先驗(yàn)定律，定律是從觀測(cè)角度推斷出來(lái)的。如果采取這種觀點(diǎn)，順著時(shí)間回溯到大爆炸后不久的宇宙最早階段，物理定律會(huì)簡(jiǎn)化、合并，最終在回到大爆炸原點(diǎn)時(shí)消失。這就是達(dá)爾文式的進(jìn)化論視角。物理定律不是某種超然的終極真理，而是在宇宙早期階段發(fā)生原始進(jìn)化的結(jié)果。觀測(cè)行為，或者說(shuō)“提出問(wèn)題”，使我們確定了能看到的唯一的歷史和宇宙起源，就像我們通過(guò)不斷尋找化石，得出生物的進(jìn)化樹(shù)一樣。本書(shū)的題目是《時(shí)間起源》，這正是向達(dá)爾文的著作《物種起源》的一種致敬。

你的問(wèn)題相當(dāng)于在問(wèn)，如果繼續(xù)沿時(shí)間線(xiàn)回溯會(huì)發(fā)生什么。遺憾的是，在時(shí)間起源之處，這個(gè)問(wèn)題本身已經(jīng)不成立了，或者說(shuō)“回溯”這一概念失效了?；艚馃o(wú)邊界假設(shè)的關(guān)鍵在于，時(shí)間本身也會(huì)蒸發(fā)，從而失去其意義。通常，事件總有發(fā)生的先后順序，我們需要時(shí)間概念才能提出因果問(wèn)題。時(shí)間失去意義意味著因果關(guān)系也失去了意義。

無(wú)邊界假設(shè)表明，關(guān)于大爆炸，人類(lèi)一直在問(wèn)錯(cuò)誤的問(wèn)題。我們總想要一個(gè)解釋、一個(gè)原因。但沿著大爆炸回溯，我們發(fā)現(xiàn)時(shí)間這一維度逐漸消散，因此大爆炸很可能“沒(méi)有原因”。從科學(xué)角度看，大爆炸就像一個(gè)認(rèn)知邊界。我們所能知道的東西是有限的，或者說(shuō)因果律的威力是有限的。

無(wú)邊界假設(shè)確實(shí)是反直覺(jué)的。從根本上說(shuō)，時(shí)間，甚至因果關(guān)系，都是時(shí)空深處的一種涌現(xiàn)性質(zhì)。涌現(xiàn)性是指小個(gè)體組成大整體后，大整體所具備的小個(gè)體不具備的新性質(zhì)。它在生物學(xué)、復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)、量子計(jì)算科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域變得越來(lái)越重要。現(xiàn)在宇宙學(xué)似乎在說(shuō)，即使在基礎(chǔ)物理層面上，涌現(xiàn)和進(jìn)化也比先驗(yàn)定律更重要。

由于涉及到隨機(jī)性，如果歷史重來(lái)一次，地球上的生命進(jìn)化結(jié)果很可能完全不同。同樣，宇宙和早期深度進(jìn)化可能會(huì)得出完全不同的結(jié)果，因?yàn)樵谶@些最早的階段存在量子隨機(jī)性。關(guān)于宇宙設(shè)計(jì)感，霍金的答案是，沒(méi)有所謂的設(shè)計(jì)，沒(méi)有超越宇宙之外的“神力”。事實(shí)上，我們現(xiàn)在所熟知的各種基本物理常數(shù)和定律，都是宇宙進(jìn)化早期階段的偶然結(jié)果。以人類(lèi)的視角看，這些常數(shù)和定律必須適合生命，但沒(méi)有任何先驗(yàn)定律規(guī)定宇宙必須這么進(jìn)化。我們只能像達(dá)爾文一樣回顧過(guò)去，尋找“化石”，并嘗試重建物理定律的進(jìn)化史。

很可惜，你在說(shuō)“宇宙進(jìn)化成現(xiàn)在這個(gè)樣子的概率很小”的時(shí)候，其實(shí)默認(rèn)了存在一個(gè)中立外部視角，計(jì)算了所有可能出現(xiàn)的宇宙數(shù)量，然后得出了某種概率。但我們應(yīng)該回答的問(wèn)題是，人類(lèi)作為一種存在，是如何出現(xiàn)的。在宇宙進(jìn)化早期，先驗(yàn)定律都不存在了，數(shù)學(xué)也很可能不是我們現(xiàn)在所認(rèn)知的樣子，因此你所說(shuō)的概率也是不存在的。很多人包括我自己都常犯這個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)檫@是一種思維定勢(shì)。我們總是嘗試尋找我們熟知的理論解釋。

這是一種激進(jìn)的看法，但我可以作出一個(gè)更溫和的陳述：廣義上說(shuō)，宇宙的歷史及其所包含的物理學(xué)，以某種抽象的方式取決于我們存在本身，以及我們所觀測(cè)到的東西。例如，量子理論中的電子不會(huì)有一個(gè)特定的位置，除非你詢(xún)問(wèn)或測(cè)量它的位置。同理，宇宙也沒(méi)有特定的歷史，除非我們?nèi)ビ^測(cè)。

人擇原理是我們?yōu)橛钪鎸W(xué)打的一個(gè)補(bǔ)丁。其中的區(qū)別在于，人擇原理與任何數(shù)學(xué)或物理理論無(wú)關(guān)，是人類(lèi)強(qiáng)加給宇宙學(xué)的外部原則。因此它會(huì)在可驗(yàn)證性和理論測(cè)試方面捉襟見(jiàn)肘。試想，如果存在許多個(gè)平行宇宙，某些宇宙里也演化出了生命，那些生命的“人擇原理”跟人類(lèi)相比，會(huì)得出完全不同的結(jié)果。這種多元宇宙理論最大的弱點(diǎn)就是，它依靠人擇原理來(lái)推導(dǎo)我們存在的合理性，而不是依靠科學(xué)和觀測(cè)基礎(chǔ)。

霍金直到他生命的盡頭，都痛恨人擇原理，反對(duì)多元宇宙。因此，他嘗試構(gòu)建一種包含觀測(cè)本身的物理理論。無(wú)邊界假設(shè)的一個(gè)非常重要的推論是，宇宙不需要人擇原理強(qiáng)行進(jìn)化，而是通過(guò)觀測(cè)者的觀測(cè)一步步褪去各種量子不確定性，呈現(xiàn)出那唯一的歷史。

望向太空是我們回顧過(guò)去的方式。遙遠(yuǎn)星星的光需要很長(zhǎng)時(shí)間才能到達(dá)地球，所以我們看到的是它們的過(guò)去。但觀測(cè)光是有限制的。大爆炸是宇宙初期一個(gè)短暫而快速的膨脹階段，其后的30萬(wàn)年宇宙都是一顆巨大的火球，內(nèi)部光子四處亂竄，因此我們無(wú)法通過(guò)觀測(cè)光譜來(lái)獲得有用的信息。

但我們有引力波，引力波就像空間和時(shí)間交織成的海洋中泛起的陣陣漣漪。如果能捕捉到引力波，我們將能夠一路回溯到宇宙的最初。400年來(lái)，我們一直在用各種望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)光，是時(shí)候用引力波解鎖新宇宙了。無(wú)邊界假設(shè)給了我們回溯到大爆炸開(kāi)始時(shí)的可能性，而引力波這種“宇宙化石”給了我們證據(jù)。

在遙遠(yuǎn)的未來(lái)，宇宙仍在不斷加速膨脹。這意味著誕生新恒星的宇宙時(shí)代將結(jié)束。宇宙將進(jìn)入一個(gè)相當(dāng)黑暗和無(wú)聊的階段?，F(xiàn)在基本確定的是，宇宙的加速膨脹是由暗能量驅(qū)動(dòng)的。暗能量無(wú)處不在，但我們無(wú)法將其具象或定位。

暗能量在宇宙演化早期并不是那么重要，但現(xiàn)在，它實(shí)際上主宰了宇宙的演化。關(guān)于暗能量有一個(gè)懸而未決的問(wèn)題，就是它是否恒定。如果它的能量密度在減少，那么宇宙膨脹就會(huì)減緩，最終會(huì)停止。20世紀(jì)的大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為暗能量只是自然常數(shù)之一，是固定的。但霍金和我提出關(guān)于物理學(xué)的基本進(jìn)化思想后，或許連暗能量都不是恒定的。我們可能會(huì)嘗試尋找暗能量隨時(shí)間緩慢變化的證據(jù)，這也是我們需要的“化石”之一，是我們理解和預(yù)測(cè)遙遠(yuǎn)未來(lái)的關(guān)鍵。

赫托格與霍金在劍橋大學(xué)霍金的辦公室里。 圖/受訪(fǎng)者提供

是的。相對(duì)論告訴我們，大質(zhì)量恒星會(huì)坍塌并形成黑洞，任何東西都無(wú)法逃脫黑洞的引力，所以，黑洞只能吸收物質(zhì)不斷生長(zhǎng)。但霍金在1975年意識(shí)到黑洞也存在微小的量子效應(yīng)。黑洞有一個(gè)連光都無(wú)法逃逸的邊界，稱(chēng)為視界。當(dāng)量子效應(yīng)產(chǎn)生在視界附近時(shí)，黑洞就會(huì)緩慢輻射出能量。因此，它像恒星一樣具有溫度，有溫度就有輻射，有輻射就有能量的耗散。這一發(fā)現(xiàn)被封裝在一個(gè)公式中，刻在位于倫敦威斯敏斯特教堂里霍金本人的墓碑上。

現(xiàn)在問(wèn)題來(lái)了。如果黑洞消失，它所包含的信息去哪兒了？這些信息是黑洞的全部歷史，包括它是如何形成的、吞噬了什么物質(zhì)等。令人困惑的是，黑洞輻射本身不攜帶任何信息，就像一杯熱水散發(fā)的熱量不會(huì)告訴你它是怎么被裝進(jìn)杯子里的一樣。那么隨著黑洞消失，如此大量的信息就丟失了嗎？這是違反信息守恒定律的。

黑洞輻射所引發(fā)的黑洞信息悖論是一場(chǎng)物理學(xué)危機(jī)，但霍金認(rèn)為這是件好事，因?yàn)橛忻芫鸵馕吨碚摮隽藛?wèn)題。事實(shí)上，它與我們前面一直在談?wù)摰挠钪嫫鹪?、宇宙設(shè)計(jì)感等問(wèn)題都有關(guān)。霍金將大爆炸和黑洞兩個(gè)研究領(lǐng)域聯(lián)系起來(lái)，使用黑洞信息問(wèn)題去描摹大爆炸過(guò)程。這是天才的智慧。

前面我們提到，時(shí)間是涌現(xiàn)性質(zhì)，那么時(shí)間是從哪里涌現(xiàn)出來(lái)的？這就要提到物理學(xué)近年來(lái)蓬勃發(fā)展的一個(gè)分支——全息理論。它模擬了時(shí)間從量子信息中的涌現(xiàn)。過(guò)去，相對(duì)論和量子論在很多時(shí)候都互斥，這讓物理學(xué)界十分頭疼。而從全息的角度來(lái)看，二者可以協(xié)同工作，因?yàn)橐土孔有?yīng)并不存在于同一時(shí)空維度中。

想象一下，你面前有一個(gè)各方面看起來(lái)完全正常的三維物體，但它其實(shí)是從一個(gè)二維屏幕投射出來(lái)的虛像。也就是說(shuō)，呈現(xiàn)三維投影時(shí)，空間中的第三個(gè)維度是一個(gè)涌現(xiàn)維度。量子論和相對(duì)論這兩個(gè)20世紀(jì)最重要的物理學(xué)理論，其實(shí)是看待同一個(gè)現(xiàn)實(shí)的兩種不同方式。使用全息投影時(shí)，我們可以查看屏幕信息，也可以查看投影出的這一物體。

越來(lái)越多的研究證明，黑洞內(nèi)部的所有信息都可以被編碼在它的表面，也就是視界面。量子效應(yīng)和引力在黑洞中共同起作用，引力告訴我們黑洞的形成歷史、整體結(jié)構(gòu)等，量子理論則將我們所知道的關(guān)于黑洞的一切編碼成了黑洞表面的比特信息。對(duì)宇宙來(lái)說(shuō)，這種編碼更難想象。我們只需理解，編碼宇宙信息的平面顯然不是一個(gè)物理平面，而是一個(gè)抽象平面。

全息理論告訴我們，時(shí)間就是宇宙這一三維空間的涌現(xiàn)維度。因?yàn)闀r(shí)間維度在大爆炸或黑洞奇點(diǎn)之類(lèi)的地方就崩潰了。全息理論幫助詮釋了“時(shí)間不是固有性質(zhì)，而是涌現(xiàn)性質(zhì)”這一重要想法。

全息宇宙理論深化了宇宙學(xué)的達(dá)爾文革命。當(dāng)霍金要求我寫(xiě)這本書(shū)作為《時(shí)間簡(jiǎn)史》的續(xù)集時(shí)，他明確告訴我一定要包括全息理論，因?yàn)樗砹宋覀兿胍菩械囊环N全新宇宙觀。我相信它擁有及其豐富的理論意義，將深刻地影響宇宙學(xué)和物理學(xué)的走向。

《時(shí)間起源》 。供圖/中信出版社

難，也不難。難是因?yàn)?，他的身體情況變得越來(lái)越糟。但另一方面，我認(rèn)為我和他的共事就像一次歷時(shí)20年的完整對(duì)話(huà)。后期他雖然不能說(shuō)很多詞句，但我能通過(guò)這些零散的關(guān)鍵詞清楚地回憶起他幾年前告訴過(guò)我的事情。我們共同目睹整個(gè)宇宙學(xué)研究領(lǐng)域的交織與變遷。在某些時(shí)候，我曾認(rèn)為這段對(duì)話(huà)不可能繼續(xù)下去了，因?yàn)橐屗暾磉_(dá)自己的意思實(shí)在是太難了。但后來(lái)發(fā)現(xiàn)，我們?cè)谝黄鸸ぷ鞯臅r(shí)間如此長(zhǎng)，以至于我們能夠心意相通。

大方向上沒(méi)有過(guò)。我們必須拓展和完善哪個(gè)領(lǐng)域、如何在宇宙學(xué)中加入觀測(cè)者視角等一系列決策，都源于我們共有的非常強(qiáng)烈的直覺(jué)。在實(shí)現(xiàn)相對(duì)論和量子論的的統(tǒng)一前，我們嘗試過(guò)很多別的道路。我們確實(shí)在“怎么做”的問(wèn)題上有過(guò)爭(zhēng)執(zhí)，但對(duì)于破解宇宙設(shè)計(jì)謎題、從全息角度去理解宇宙這一研究目標(biāo)，我們一直都同樣堅(jiān)定。

我和霍金曾經(jīng)就有過(guò)一個(gè)賭注，與宇宙微波背景輻射，即大爆炸產(chǎn)生的輻射余輝中伴隨的引力微小波動(dòng)有關(guān)。他認(rèn)為宇宙微波背景輻射應(yīng)該伴隨引力波。但遺憾的是，這件事在他的有生之年沒(méi)有得到解決。他從不諱言改變主張并糾正自己的立場(chǎng)。我認(rèn)為這是霍金魅力的一部分。他是一位才華橫溢的科學(xué)家，也是一位真正喜歡玩樂(lè)的人。他以一種快樂(lè)的方式度過(guò)一生，為科學(xué)界和許多其他群體帶來(lái)了向上的動(dòng)力。他是我認(rèn)識(shí)的最自由的人。

他如果還在世，心情會(huì)很好吧。自從他去世以來(lái)，宇宙學(xué)的發(fā)展都與黑洞和全息理論有關(guān)，非常符合他的直覺(jué)。這些進(jìn)展昭示了物理學(xué)及其理論框架與觀測(cè)者、觀測(cè)行為和手段等有深刻聯(lián)系。這一思想是我們這20年工作醞釀的重要成果。現(xiàn)在它似乎快要成熟了，霍金不能一同見(jiàn)證，實(shí)在太遺憾了。

霍金一直堅(jiān)信，如果我們探索我們與宇宙最深層次的聯(lián)系，如果我們能理解宇宙設(shè)計(jì)如何在這一層次上發(fā)揮作用，我們就會(huì)對(duì)人類(lèi)自身有更多的了解。這是某種人文主義世界觀的體現(xiàn)。宇宙起源是霍金眼中一個(gè)深刻的人類(lèi)問(wèn)題，也是所有文化和宗教都提過(guò)的古老問(wèn)題。霍金在從事基礎(chǔ)物理學(xué)研究的科學(xué)家之中屬于非常罕見(jiàn)的一類(lèi)，因?yàn)樗膭?dòng)力來(lái)自于回歸人性本身。