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雷达卡
比利时鲁汶大学教授、引力波中心主任托马斯·赫托格在新书《时间起源》中这样写道。他是世界著名的宇宙学家，也是史蒂芬·霍金的学生和多年合作伙伴。他在鲁汶的团队主要致力于研究引力波和黑洞的物理本质。 《时间起源》基于赫托格和霍金于2018年4月联合发表在《高能物理杂志》上的一篇论文，它代表了霍金科研生涯最后的成果。他们在书中颠覆了霍金在《时间简史》中提出的宇宙大爆炸模型，科学而严谨地回答了困扰学界已久的宇宙“设计”之谜——我们的宇宙为什么恰好支持生命？此书没有霍金的署名，2018年论文发表一个月前，霍金与世长辞。 赫托格时常回忆起他和霍金在1998年6月初见的场景。在英国剑桥大学应用数学和理论物理系那迷宫般的建筑深处，霍金坐在他办公室的桌子后，头靠在轮椅头枕上，用微笑欢迎了这位从比利时赶来的准博士生。那时，霍金已失去了自然声音，他们通过计算机语音和屏幕文字交流。霍金开门见山地用一系列前沿物理学理论和名词“轰炸”了赫托格，而后者也成功在时不时闪烁的屏幕亮光中，读懂了对方对当时学界秉持的宇宙观的担忧。 “当我准确理解他的意思并接上话时，他的眼睛会因兴奋而明亮。”近日，赫托格在接受《中国新闻周刊》采访时回忆。他从未在公开场合吝惜过对霍金非凡学术成就的钦佩，也坚称没有霍金就没有《时间起源》。赫托格会在回答任何问题前沉思数秒，并在回答中反复斟酌用词。还有一种情况会让他沉默的时间更长，那是在被问及他和霍金的共同回忆时。这些沉默里蕴含的情感，也许只有赫托格本人才知晓。 宇宙源于进化而非设计 中国新闻周刊：与《时间简史》相比，霍金改变了什么主意？《时间起源》最具颠覆性的成果是什么？ 赫托格：20世纪80年代，霍金在《时间简史》中提出了第一个关于大爆炸也即宇宙起源的科学模型。他提出的理论能够科学地描述大爆炸后宇宙的演化，包括空间、时间和物质的形成过程。十年后的90年代，霍金意识到他在《时间简史》中提出的大爆炸模型行不通。模型计算出了一个空虚的宇宙，没有恒星，没有行星，也没有生命。大爆炸模型碰壁后，我们急需一个新模型来阐述宇宙诞生之初发生的事情。 如何寻找更好的宇宙起源理论？我抱着这样的疑惑，从比利时去了剑桥，和霍金面谈。他简短地告诉了我当时宇宙学的困境。多年后，我们找到了问题所在。这就是这本书存在的原因——霍金推翻了自己的大爆炸模型。《时间简史》中，霍金认为大爆炸是一个突然出现的、什么物理定律都行不通的奇点，而在《时间起源》中，宇宙起源是一个可以顺着时间回溯的平滑的过程。霍金称之为宇宙起源的无边界假设。 中国新闻周刊：宇宙学在不断进化，完善这些理论并非易事。你对时间起源的研究兴趣来源于一个核心问题：宇宙存在设计感。如何理解宇宙的设计感？ 赫托格：观测宇宙时我们注意到，物理定律、粒子类型、宇宙常数在很多方面对于生命的出现来说几乎是完美的。例如，如果你让宇宙膨胀得更快一点，就不会有恒星和星系，因为物质将无法承受膨胀而被撕裂。如果你改变原子核和电子间的作用力，哪怕只改变一点点，原子都将不复存在。没有原子就没有化学，也就不会有DNA和生命。宇宙的各项指标都被“设计”成非常适合生命的出现，似乎暗示有某种超然宇宙外的“神力”在掌控我们，这是科学所不允许的。 上世纪90年代末，我第一次遇到霍金时，他说这些观测结果表明我们在理论中遗漏了些什么。在西方世界，物理定律通常被认为是某种更高级的、客观的、固定的、不可改变的定律和真理，与生命无关，与人类是否选择去了解和发现它无关。这也是霍金在《时间简史》中的看法。原本的大爆炸模型与生命无关，结果它产生了没有生命的宇宙。 但宇宙学理论最好能解释我们的存在，所以我们必须重新考虑生命与物理学、宇宙学间的关联。以往的物理学研究者都从外部观察宇宙，仿佛在看一个与自己无关的试验箱。霍金在《时间简史》中犯的错误本质上源于他试图理解宇宙起源，但没有把他自己作为宇宙起源的一部分。我们在本书中提出了一种全新的“达尔文主义”宇宙学。这是一个巨大的思想转变。 中国新闻周刊：科学思维的范式转变十分重要。如果让生命进入宇宙学理论，我们是否可以断言，人的存在或意识在宇宙学理论中是重要的？这种新的认知下，宇宙最初究竟发生了些什么？ 赫托格：不，它是一种视角的转变。在物理学中，我们通常会首先构建一个模型、创立一个理论，比如牛顿定律或爱因斯坦相对论。然后我们看看理论预测了什么，并引入观测者和观测结果进行验证。物理学中的观测与意识无关。我们所说的让生命进入宇宙学，是指我们需要尝试构建一个包含观测者的理论，其中观测行为已经成为理论构建的一部分。人不重要，但观测重要。这是根本性的认识论变化。 量子理论中，观测行为会影响观测结果，而我们在宇宙学中使用量子思想的结果就是，整个宇宙的演化都和观测有着莫大的关联。 霍金和我推崇的新宇宙观中一个极其重要的推论是，宇宙不存在一种先验定律，定律是从观测角度推断出来的。如果采取这种观点，顺着时间回溯到大爆炸后不久的宇宙最早阶段，物理定律会简化、合并，最终在回到大爆炸原点时消失。这就是达尔文式的进化论视角。物理定律不是某种超然的终极真理，而是在宇宙早期阶段发生原始进化的结果。观测行为，或者说“提出问题”，使我们确定了能看到的唯一的历史和宇宙起源，就像我们通过不断寻找化石，得出生物的进化树一样。本书的题目是《时间起源》，这正是向达尔文的著作《物种起源》的一种致敬。 中国新闻周刊：时间起源于大爆炸吗？在那之前发生了什么？ 赫托格：你的问题相当于在问，如果继续沿时间线回溯会发生什么。遗憾的是，在时间起源之处，这个问题本身已经不成立了，或者说“回溯”这一概念失效了。霍金无边界假设的关键在于，时间本身也会蒸发，从而失去其意义。通常，事件总有发生的先后顺序，我们需要时间概念才能提出因果问题。时间失去意义意味着因果关系也失去了意义。 无边界假设表明，关于大爆炸，人类一直在问错误的问题。我们总想要一个解释、一个原因。但沿着大爆炸回溯，我们发现时间这一维度逐渐消散，因此大爆炸很可能“没有原因”。从科学角度看，大爆炸就像一个认知边界。我们所能知道的东西是有限的，或者说因果律的威力是有限的。 中国新闻周刊：我们似乎很难想象事物间是没有因果联系的，事物可以凭空出现等等。这是不是太反直觉了？ 赫托格：无边界假设确实是反直觉的。从根本上说，时间，甚至因果关系，都是时空深处的一种涌现性质。涌现性是指小个体组成大整体后，大整体所具备的小个体不具备的新性质。它在生物学、复杂系统科学、量子计算科学等各个领域变得越来越重要。现在宇宙学似乎在说，即使在基础物理层面上，涌现和进化也比先验定律更重要。 由于涉及到随机性，如果历史重来一次，地球上的生命进化结果很可能完全不同。同样，宇宙和早期深度进化可能会得出完全不同的结果，因为在这些最早的阶段存在量子随机性。关于宇宙设计感，霍金的答案是，没有所谓的设计，没有超越宇宙之外的“神力”。事实上，我们现在所熟知的各种基本物理常数和定律，都是宇宙进化早期阶段的偶然结果。以人类的视角看，这些常数和定律必须适合生命，但没有任何先验定律规定宇宙必须这么进化。我们只能像达尔文一样回顾过去，寻找“化石”，并尝试重建物理定律的进化史。 可以用引力波解锁新宇宙 中国新闻周刊：宇宙有那么多精确的常数和定律，它进化成这样的概率应该很小。这是否说明我们很幸运？ 赫托格：很可惜，你在说“宇宙进化成现在这个样子的概率很小”的时候，其实默认了存在一个中立外部视角，计算了所有可能出现的宇宙数量，然后得出了某种概率。但我们应该回答的问题是，人类作为一种存在，是如何出现的。在宇宙进化早期，先验定律都不存在了，数学也很可能不是我们现在所认知的样子，因此你所说的概率也是不存在的。很多人包括我自己都常犯这个错误，因为这是一种思维定势。我们总是尝试寻找我们熟知的理论解释。 中国新闻周刊：那是否可以说，正因为我们存在，所以宇宙必须是现在这个样子？这是否有点太自大了？ 赫托格：这是一种激进的看法，但我可以作出一个更温和的陈述：广义上说，宇宙的历史及其所包含的物理学，以某种抽象的方式取决于我们存在本身，以及我们所观测到的东西。例如，量子理论中的电子不会有一个特定的位置，除非你询问或测量它的位置。同理，宇宙也没有特定的历史，除非我们去观测。 中国新闻周刊：这和著名的“人择原理”有什么区别？人择原理指出，人类的存在“选择”了这一非常适合我们的宇宙，如果宇宙不适合生命生存，就不会有人类来提出这些问题。 赫托格：人择原理是我们为宇宙学打的一个补丁。其中的区别在于，人择原理与任何数学或物理理论无关，是人类强加给宇宙学的外部原则。因此它会在可验证性和理论测试方面捉襟见肘。试想，如果存在许多个平行宇宙，某些宇宙里也演化出了生命，那些生命的“人择原理”跟人类相比，会得出完全不同的结果。这种多元宇宙理论最大的弱点就是，它依靠人择原理来推导我们存在的合理性，而不是依靠科学和观测基础。 霍金直到他生命的尽头，都痛恨人择原理，反对多元宇宙。因此，他尝试构建一种包含观测本身的物理理论。无边界假设的一个非常重要的推论是，宇宙不需要人择原理强行进化，而是通过观测者的观测一步步褪去各种量子不确定性，呈现出那唯一的历史。 中国新闻周刊：宇宙大爆炸是很久以前的事了。要怎样获取有关宇宙历史的数据来支撑我们的理论？ 赫托格：望向太空是我们回顾过去的方式。遥远星星的光需要很长时间才能到达地球，所以我们看到的是它们的过去。但观测光是有限制的。大爆炸是宇宙初期一个短暂而快速的膨胀阶段，其后的30万年宇宙都是一颗巨大的火球，内部光子四处乱窜，因此我们无法通过观测光谱来获得有用的信息。 但我们有引力波，引力波就像空间和时间交织成的海洋中泛起的阵阵涟漪。如果能捕捉到引力波，我们将能够一路回溯到宇宙的最初。400年来，我们一直在用各种望远镜观测光，是时候用引力波解锁新宇宙了。无边界假设给了我们回溯到大爆炸开始时的可能性，而引力波这种“宇宙化石”给了我们证据。 中国新闻周刊：关于宇宙的历史我们谈论了很多，那么在遥远的未来，比如100亿年后，我们的宇宙会是什么样子？ 赫托格：在遥远的未来，宇宙仍在不断加速膨胀。这意味着诞生新恒星的宇宙时代将结束。宇宙将进入一个相当黑暗和无聊的阶段。现在基本确定的是，宇宙的加速膨胀是由暗能量驱动的。暗能量无处不在，但我们无法将其具象或定位。 暗能量在宇宙演化早期并不是那么重要，但现在，它实际上主宰了宇宙的演化。关于暗能量有一个悬而未决的问题，就是它是否恒定。如果它的能量密度在减少，那么宇宙膨胀就会减缓，最终会停止。20世纪的大多数科学家认为暗能量只是自然常数之一，是固定的。但霍金和我提出关于物理学的基本进化思想后，或许连暗能量都不是恒定的。我们可能会尝试寻找暗能量随时间缓慢变化的证据，这也是我们需要的“化石”之一，是我们理解和预测遥远未来的关键。 “时间不是固有性质，而是涌现性质” 中国新闻周刊：霍金因其黑洞理论而闻名。他认为黑洞有辐射，并且最终会消失对吗？ 赫托格：是的。相对论告诉我们，大质量恒星会坍塌并形成黑洞，任何东西都无法逃脱黑洞的引力，所以，黑洞只能吸收物质不断生长。但霍金在1975年意识到黑洞也存在微小的量子效应。黑洞有一个连光都无法逃逸的边界，称为视界。当量子效应产生在视界附近时，黑洞就会缓慢辐射出能量。因此，它像恒星一样具有温度，有温度就有辐射，有辐射就有能量的耗散。这一发现被封装在一个公式中，刻在位于伦敦威斯敏斯特教堂里霍金本人的墓碑上。 现在问题来了。如果黑洞消失，它所包含的信息去哪儿了？这些信息是黑洞的全部历史，包括它是如何形成的、吞噬了什么物质等。令人困惑的是，黑洞辐射本身不携带任何信息，就像一杯热水散发的热量不会告诉你它是怎么被装进杯子里的一样。那么随着黑洞消失，如此大量的信息就丢失了吗？这是违反信息守恒定律的。 黑洞辐射所引发的黑洞信息悖论是一场物理学危机，但霍金认为这是件好事，因为有矛盾就意味着理论出了问题。事实上，它与我们前面一直在谈论的宇宙起源、宇宙设计感等问题都有关。霍金将大爆炸和黑洞两个研究领域联系起来，使用黑洞信息问题去描摹大爆炸过程。这是天才的智慧。 中国新闻周刊：《时间起源》一书的最后一章中，专门阐述了全息宇宙理论。我们该如何理解整个宇宙的全息性质？目前全息宇宙理论是最流行的宇宙学理论吗？ 赫托格：前面我们提到，时间是涌现性质，那么时间是从哪里涌现出来的？这就要提到物理学近年来蓬勃发展的一个分支——全息理论。它模拟了时间从量子信息中的涌现。过去，相对论和量子论在很多时候都互斥，这让物理学界十分头疼。而从全息的角度来看，二者可以协同工作，因为引力和量子效应并不存在于同一时空维度中。 想象一下，你面前有一个各方面看起来完全正常的三维物体，但它其实是从一个二维屏幕投射出来的虚像。也就是说，呈现三维投影时，空间中的第三个维度是一个涌现维度。量子论和相对论这两个20世纪最重要的物理学理论，其实是看待同一个现实的两种不同方式。使用全息投影时，我们可以查看屏幕信息，也可以查看投影出的这一物体。 越来越多的研究证明，黑洞内部的所有信息都可以被编码在它的表面，也就是视界面。量子效应和引力在黑洞中共同起作用，引力告诉我们黑洞的形成历史、整体结构等，量子理论则将我们所知道的关于黑洞的一切编码成了黑洞表面的比特信息。对宇宙来说，这种编码更难想象。我们只需理解，编码宇宙信息的平面显然不是一个物理平面，而是一个抽象平面。 全息理论告诉我们，时间就是宇宙这一三维空间的涌现维度。因为时间维度在大爆炸或黑洞奇点之类的地方就崩溃了。全息理论帮助诠释了“时间不是固有性质，而是涌现性质”这一重要想法。 全息宇宙理论深化了宇宙学的达尔文革命。当霍金要求我写这本书作为《时间简史》的续集时，他明确告诉我一定要包括全息理论，因为它代表了我们想要推行的一种全新宇宙观。我相信它拥有及其丰富的理论意义，将深刻地影响宇宙学和物理学的走向。引自-https://www.inewsweek.cn/people/2023-10-24/20199.shtml
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