霍金如何颠覆时间和因果关系

参考消息网5月17日报道英国《新科学家》周刊网站3月20日刊登题为《斯蒂芬·霍金的最终定理颠覆时间和因果关系》的文章，作者是比利时鲁汶大学宇宙学家托马斯·赫托格。内容编译如下：

剑桥大学的学生都知道，谁在数学荣誉学位考试的最后一部分考出最好成绩，就会被邀请与斯蒂芬·霍金见面。我拿到了成绩，名列榜首。果然，我应邀与他进行了讨论。

我来到他在应用数学和理论物理学系的办公室。这个系坐落在河畔一幢维多利亚式的旧建筑里。霍金的办公室就在公共休息室附近，尽管那里比较吵闹，但他还是喜欢把自己的门半开着。我敲了敲门，停了一下，慢慢推开门。

我不太清楚会在门的另一边看见什么。我知道霍金以研究黑洞而闻名，甚至因为有关黑洞爆炸时发生了什么的一些观点而陷入困境。但事实证明，他正在思考一个不同的问题：为什么宇宙适合生命存在？

思索这个问题将变成我们两人的长期追求。在接下来的20年里，直到去世前，他与我共同研究一些新的观点，这些观点表明了一种关于宇宙为什么是现在这样的全新认识。

在1998年6月的第一次见面中，我发现霍金坐在桌子后面，头靠在轮椅上的一个头枕上。办公室的窗户敞开着，我后来才知道，他总是喜欢把窗开着，哪怕是在天寒地冻的时候。其中一块黑板上的方程式似乎可以追溯到上世纪80年代初。我心想这是否可能是他最后的手迹。

他通过语音合成器说：“宇宙看起来是经过设计的。”他继续说：“为什么宇宙是现在这样的？”以前，我的物理老师没有一个提过这样的问题。我试着说：“这不是一个哲学问题吗？”霍金回答说：“哲学已死。”

他是一个用寥寥数语表达丰富含义的大师。当他谈到宇宙经过设计，他指的是这样的观测，即在所有可能存在的宇宙中，我们所身处的宇宙有着可以带来生命的绝佳配置。数百年来，如何理解这个问题以某种方式困扰着思想家。然而直到最近，我们才发现这其中的水有多深。

精细微调宇宙

事实证明，宇宙的生物友好特性涉及物理学定律本身。这些定律中的众多特征使宇宙完全适合生命存在。

尽管大多数宇宙没有生命，但在一些宇宙中，自然定律注定适合生命存在。

当1998年我第一次走进霍金的办公室时，这一切都在他的脑海里萦绕。我能感觉到他并不热衷于多重宇宙论。没过多久，我与他进行合作，试图找到更好的答案——首先是作为他的博士研究生，后来是作为他的同事。

霍金对拥抱多重宇宙论所持的保留态度在本世纪初更加强烈。当时，人们明白多重宇宙论实际上没有解释任何问题。在多重宇宙论中，存在统管所有宇宙的“元定律”。但这些元定律并没有具体说明我们应居住在哪一个宜居的宇宙。这是一个问题，因为如果没有一个把多重宇宙元定律与我们所处宇宙中的定律联系起来的规则，那么对多重宇宙的思考就会陷入悖论的漩涡，使我们无法进行可证实的预测。多重宇宙论就像一张没有个人身份识别码的借记卡，或者像一个没有说明书的组装衣柜：没用。

霍金最后定理

我们能做得更好吗？是的，霍金与我发现，我们的理论可以用“上帝视角”，就好像站在宇宙之外。这是一个显而易见的、似乎也是重复的观点：我们的宇宙论必须对我们存在于宇宙之内的事实进行解释。霍金开始宣扬：“我们不是从外部看宇宙的天使。”于是，我们开始从观测者的角度由内而外地重新思考宇宙学。我们很快发现，这需要采用来自宇宙内部的量子观。

自20世纪20年代发现量子理论以来，观测者的关键作用已经得到认可。在观测到一个粒子的位置之前，甚至连问它在哪里都没有意义。它没有确定的位置，只有波函数所描述的可能位置。当然，量子观测绝不仅限于人类的观测。量子观测可以由专门的探测器、环境甚至通过与单个光子的相互作用来进行。

霍金与我逐渐了解了宇宙早期发生的情况是一个类似于地球上自然选择的过程，变异与选择的相互作用在这种原初环境下发生。变异之所以发生，是因为随机的量子跳跃导致决定性行为和偶发性较大行为的频繁小规模漂移。选择之所以发挥作用，是因为由于量子观测，其中一些漂移——尤其是较大的漂移——可以被放大和冻结。这就产生了帮助影响随后演变的新规则。

自然定律演变

这两种相互竞争的力量在宇宙大爆炸的熔炉中的相互作用产生了一个分化过程，某种程度上类似于数十亿年后生物物种是如何出现的。在这个过程中，维度、力量和粒子首先多样化，然后在宇宙膨胀和冷却时获得有效形式。

就像在达尔文进化论中一样，这给我们的假设引入了一个微妙的时间倒退的因素。这就好比集体量子观测以追溯方式解决大爆炸的结果。出于这个原因，霍金喜欢把我们的观点称为“自上而下的宇宙论”，以强调我们是事后解读宇宙的基本原理。这在某种程度上有点像生物学家重建生命树。他曾对我说：“我们创造宇宙，不亚于宇宙创造我们。”2006年《新科学家》周刊报道我们的观点，把它描述为“反向的、选择你自己的冒险”。

事后看来，某种意义上我们当时是在流沙上行走，我们的观点并没有相当扎实的数学基础。当我们开始寻找更坚实的基础时，从一个意想不到的角落得到了灵感。大约在那个时候，物理学领域的另一场革命正在兴起，这场革命与全息有关。事实证明这正是我们所需要的。

普通全息图对二维表面上一个三维物体的全部信息作了编码。从某种意义上说，当我们观测这个表面时，第三维就会出现。关于地心引力也可能有全息起源的初步迹象可以追溯到霍金和以色列物理学家雅各布·贝肯施泰因在20世纪70年代分别进行的研究。他们发现，对黑洞内部的所有认识都可以在它们的事件视界表面被加密。

接着，阿根廷物理学家胡安·马尔达塞纳在1997年更进了一步，他设想整个宇宙可能类似于一个全息图。他证明了位于一个表面的量子纠缠粒子系统内部可以包含一个更高维度、具有引力和弯曲时空的宇宙的所有信息。很快，全息成了理论物理学家津津乐道的话题。他们从中发现了最终让爱因斯坦的广义相对论与量子理论相容的有希望的途径。

全息宇宙理论

起初，全息所生成的那种宇宙与我们所生活的膨胀宇宙没有任何相似之处。然而，从2011年左右开始，霍金与我发现了如何运用宇宙全息概念来描述一个膨胀的宇宙的最初阶段。事实证明，在这种宇宙论环境下，全息图突出的是时间维度。历史本身就是全息加密的。

更重要的是，时间以我们所设想的事后方式出现。根据全息宇宙论，过去取决于现在，而不是相反。在把宇宙当作全息图的研究方法中，去遥远的过去冒险意味着对宇宙全息图有一个模糊的印象。这就像把镜头拉远，在这种操作中我们丢弃了越来越多全息编码的纠缠信息。全息理论表明，在大爆炸中消失的不仅有时间，还有影响我们所处宇宙的物理学定律。这与过去柏拉图主义者认为自然定律在某种程度上不可改变的观点截然不同。霍金与我认为，重要的不是定律本身，而是定律的变化能力。

这一切的最终结果是对宇宙学终极意义的深刻修正。近一个世纪以来，我们一直是在固定的自然定律的稳定背景下研究宇宙的历史。但是，霍金与我建立的量子观从宇宙内部解读宇宙的历史，认为宇宙的历史在最早期阶段包含物理学定律谱系。

这当然是一个激进的观点，但这可能日后成为可检验的观点。一些与早期宇宙有关的观点可以通过破译宇宙微波背景辐射——在大爆炸后38万年时释放的辐射——来加以检验。但我们所设想的原初演化是在那之前展开的，这意味着它深藏在宇宙微波背景后面。我们现在所处的环境与19世纪的达尔文并无二致，不过他只有很少的化石证据支持他宏大的新假说。

伟大科学遗产

但我希望这种情况不会永远持续下去。我们正在目睹引力波天文学的一场革命。这些产生于宇宙微波背景时代之前遥远过去的波，经过漫长旅行可以抵达地球。未来对原初引力波的观测应该让我们能够探测宇宙的最早期阶段。

检验我们观点的一条完全不同的路径也与全息有关。量子实验者已经在尝试创建由被俘获原子或离子组成的深度纠缠的量子系统，这些系统对黑洞的一些特性进行全息编码。通过用这些系统进行实验，我们可以指望更多地了解何种纠缠模式支撑重力和时空结构。我们或许还能看清时间的起源是否以霍金与我所设想的特定方式发生。

对宇宙论进行颠覆是典型的霍金式行为。对于受多重宇宙悖论启发的霍金和我来说，这是一种了解宇宙设计外形的方式。如果这一新思维被证明是正确的，那么这可能是他最大的科学遗产。