托馬斯·赫托格：我們的世界是被設(shè)計出來的？

周游

《時間起源》作者托馬斯·赫托格。圖/受訪者提供

“霍金推翻了霍金。”

比利時魯汶大學(xué)教授、引力波中心主任托馬斯·赫托格在《時間起源》一書中這樣寫道。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。他在魯汶的團隊主要致力于研究引力波和黑洞的物理本質(zhì)。

《時間起源》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。他們在書中顛覆了霍金在《時間簡史》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”之謎——我們的宇宙為什么恰好支持生命？此書沒有霍金的署名，2018年論文發(fā)表一個月前，霍金與世長辭。

赫托格時常回憶起他和霍金在1998年6月初見的場景。在英國劍橋大學(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趕來的準(zhǔn)博士生。那時，霍金已失去了自然聲音，他們通過計算機語音和屏幕文字交流。霍金開門見山地用一系列前沿物理學(xué)理論和名詞“轟炸”了赫托格，而后者也成功在時不時閃爍的屏幕亮光中，讀懂了對方對當(dāng)時學(xué)界秉持的宇宙觀的擔(dān)憂。

“當(dāng)我準(zhǔn)確理解他的意思并接上話時，他的眼睛會因興奮而明亮。”近日，赫托格在接受《中國新聞周刊》采訪時回憶。他從未在公開場合吝惜過對霍金非凡學(xué)術(shù)成就的欽佩，也堅稱沒有霍金就沒有《時間起源》。赫托格會在回答任何問題前沉思數(shù)秒，并在回答中反復(fù)斟酌用詞。還有一種情況會讓他沉默的時間更長，那是在被問及他和霍金的共同回憶時。這些沉默里蘊含的情感，也許只有赫托格本人才知曉。

20世紀(jì)80年代，霍金在《時間簡史》中提出了第一個關(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、時間和物質(zhì)的形成過程。十年后的90年代，霍金意識到他在《時間簡史》中提出的大爆炸模型行不通。模型計算出了一個空虛的宇宙，沒有恒星，沒有行星，也沒有生命。大爆炸模型碰壁后，我們急需一個新模型來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，從比利時去了劍橋，和霍金面談。他簡短地告訴了我當(dāng)時宇宙學(xué)的困境。多年后，我們找到了問題所在。這就是這本書存在的原因——霍金推翻了自己的大爆炸模型。《時間簡史》中，霍金認(rèn)為大爆炸是一個突然出現(xiàn)的、什么物理定律都行不通的奇點，而在《時間起源》中，宇宙起源是一個可以順著時間回溯的平滑的過程。霍金稱之為宇宙起源的無邊界假設(shè)。

觀測宇宙時我們注意到，物理定律、粒子類型、宇宙常數(shù)在很多方面對于生命的出現(xiàn)來說幾乎是完美的。例如，如果你讓宇宙膨脹得更快一點，就不會有恒星和星系，因為物質(zhì)將無法承受膨脹而被撕裂。如果你改變原子核和電子間的作用力，哪怕只改變一點點，原子都將不復(fù)存在。沒有原子就沒有化學(xué)，也就不會有DNA和生命。宇宙的各項指標(biāo)都被“設(shè)計”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，他說這些觀測結(jié)果表明我們在理論中遺漏了些什么。在西方世界，物理定律通常被認(rèn)為是某種更高級的、客觀的、固定的、不可改變的定律和真理，與生命無關(guān)，與人類是否選擇去了解和發(fā)現(xiàn)它無關(guān)。這也是霍金在《時間簡史》中的看法。原本的大爆炸模型與生命無關(guān)，結(jié)果它產(chǎn)生了沒有生命的宇宙。

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，仿佛在看一個與自己無關(guān)的試驗箱。霍金在《時間簡史》中犯的錯誤本質(zhì)上源于他試圖理解宇宙起源，但沒有把他自己作為宇宙起源的一部分。我們在本書中提出了一種全新的“達爾文主義”宇宙學(xué)。這是一個巨大的思想轉(zhuǎn)變。

不，它是一種視角的轉(zhuǎn)變。在物理學(xué)中，我們通常會首先構(gòu)建一個模型、創(chuàng)立一個理論，比如牛頓定律或愛因斯坦相對論。然后我們看看理論預(yù)測了什么，并引入觀測者和觀測結(jié)果進行驗證。物理學(xué)中的觀測與意識無關(guān)。我們所說的讓生命進入宇宙學(xué)，是指我們需要嘗試構(gòu)建一個包含觀測者的理論，其中觀測行為已經(jīng)成為理論構(gòu)建的一部分。人不重要，但觀測重要。這是根本性的認(rèn)識論變化。

量子理論中，觀測行為會影響觀測結(jié)果，而我們在宇宙學(xué)中使用量子思想的結(jié)果就是，整個宇宙的演化都和觀測有著莫大的關(guān)聯(lián)。

霍金和我推崇的新宇宙觀中一個極其重要的推論是，宇宙不存在一種先驗定律，定律是從觀測角度推斷出來的。如果采取這種觀點，順著時間回溯到大爆炸后不久的宇宙最早階段，物理定律會簡化、合并，最終在回到大爆炸原點時消失。這就是達爾文式的進化論視角。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)生原始進化的結(jié)果。觀測行為，或者說“提出問題”，使我們確定了能看到的唯一的歷史和宇宙起源，就像我們通過不斷尋找化石，得出生物的進化樹一樣。本書的題目是《時間起源》，這正是向達爾文的著作《物種起源》的一種致敬。

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

無邊界假設(shè)表明，關(guān)于大爆炸，人類一直在問錯誤的問題。我們總想要一個解釋、一個原因。但沿著大爆炸回溯，我們發(fā)現(xiàn)時間這一維度逐漸消散，因此大爆炸很可能“沒有原因”。從科學(xué)角度看，大爆炸就像一個認(rèn)知邊界。我們所能知道的東西是有限的，或者說因果律的威力是有限的。

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

由于涉及到隨機性，如果歷史重來一次，地球上的生命進化結(jié)果很可能完全不同。同樣，宇宙和早期深度進化可能會得出完全不同的結(jié)果，因為在這些最早的階段存在量子隨機性。關(guān)于宇宙設(shè)計感，霍金的答案是，沒有所謂的設(shè)計，沒有超越宇宙之外的“神力”。事實上，我們現(xiàn)在所熟知的各種基本物理常數(shù)和定律，都是宇宙進化早期階段的偶然結(jié)果。以人類的視角看，這些常數(shù)和定律必須適合生命，但沒有任何先驗定律規(guī)定宇宙必須這么進化。我們只能像達爾文一樣回顧過去，尋找“化石”，并嘗試重建物理定律的進化史。

很可惜，你在說“宇宙進化成現(xiàn)在這個樣子的概率很小”的時候，其實默認(rèn)了存在一個中立外部視角，計算了所有可能出現(xiàn)的宇宙數(shù)量，然后得出了某種概率。但我們應(yīng)該回答的問題是，人類作為一種存在，是如何出現(xiàn)的。在宇宙進化早期，先驗定律都不存在了，數(shù)學(xué)也很可能不是我們現(xiàn)在所認(rèn)知的樣子，因此你所說的概率也是不存在的。很多人包括我自己都常犯這個錯誤，因為這是一種思維定勢。我們總是嘗試尋找我們熟知的理論解釋。

這是一種激進的看法，但我可以作出一個更溫和的陳述：廣義上說，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，以及我們所觀測到的東西。例如，量子理論中的電子不會有一個特定的位置，除非你詢問或測量它的位置。同理，宇宙也沒有特定的歷史，除非我們?nèi)ビ^測。

人擇原理是我們?yōu)橛钪鎸W(xué)打的一個補丁。其中的區(qū)別在于，人擇原理與任何數(shù)學(xué)或物理理論無關(guān)，是人類強加給宇宙學(xué)的外部原則。因此它會在可驗證性和理論測試方面捉襟見肘。試想，如果存在許多個平行宇宙，某些宇宙里也演化出了生命，那些生命的“人擇原理”跟人類相比，會得出完全不同的結(jié)果。這種多元宇宙理論最大的弱點就是，它依靠人擇原理來推導(dǎo)我們存在的合理性，而不是依靠科學(xué)和觀測基礎(chǔ)。

霍金直到他生命的盡頭，都痛恨人擇原理，反對多元宇宙。因此，他嘗試構(gòu)建一種包含觀測本身的物理理論。無邊界假設(shè)的一個非常重要的推論是，宇宙不需要人擇原理強行進化，而是通過觀測者的觀測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去的方式。遙遠星星的光需要很長時間才能到達地球，所以我們看到的是它們的過去。但觀測光是有限制的。大爆炸是宇宙初期一個短暫而快速的膨脹階段，其后的30萬年宇宙都是一顆巨大的火球，內(nèi)部光子四處亂竄，因此我們無法通過觀測光譜來獲得有用的信息。

但我們有引力波，引力波就像空間和時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，我們一直在用各種望遠鏡觀測光，是時候用引力波解鎖新宇宙了。無邊界假設(shè)給了我們回溯到大爆炸開始時的可能性，而引力波這種“宇宙化石”給了我們證據(jù)。

在遙遠的未來，宇宙仍在不斷加速膨脹。這意味著誕生新恒星的宇宙時代將結(jié)束。宇宙將進入一個相當(dāng)黑暗和無聊的階段。現(xiàn)在基本確定的是，宇宙的加速膨脹是由暗能量驅(qū)動的。暗能量無處不在，但我們無法將其具象或定位。

暗能量在宇宙演化早期并不是那么重要，但現(xiàn)在，它實際上主宰了宇宙的演化。關(guān)于暗能量有一個懸而未決的問題，就是它是否恒定。如果它的能量密度在減少，那么宇宙膨脹就會減緩，最終會停止。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)的基本進化思想后，或許連暗能量都不是恒定的。我們可能會嘗試尋找暗能量隨時間緩慢變化的證據(jù)，這也是我們需要的“化石”之一，是我們理解和預(yù)測遙遠未來的關(guān)鍵。

赫托格與霍金在劍橋大學(xué)霍金的辦公室里。 圖/受訪者提供

是的。相對論告訴我們，大質(zhì)量恒星會坍塌并形成黑洞，任何東西都無法逃脫黑洞的引力，所以，黑洞只能吸收物質(zhì)不斷生長。但霍金在1975年意識到黑洞也存在微小的量子效應(yīng)。黑洞有一個連光都無法逃逸的邊界，稱為視界。當(dāng)量子效應(yīng)產(chǎn)生在視界附近時，黑洞就會緩慢輻射出能量。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)在問題來了。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)的熱量不會告訴你它是怎么被裝進杯子里的一樣。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物理學(xué)危機，但霍金認(rèn)為這是件好事，因為有矛盾就意味著理論出了問題。事實上，它與我們前面一直在談?wù)摰挠钪嫫鹪础⒂钪嬖O(shè)計感等問題都有關(guān)。霍金將大爆炸和黑洞兩個研究領(lǐng)域聯(lián)系起來，使用黑洞信息問題去描摹大爆炸過程。這是天才的智慧。

前面我們提到，時間是涌現(xiàn)性質(zhì)，那么時間是從哪里涌現(xiàn)出來的？這就要提到物理學(xué)近年來蓬勃發(fā)展的一個分支——全息理論。它模擬了時間從量子信息中的涌現(xiàn)。過去，相對論和量子論在很多時候都互斥，這讓物理學(xué)界十分頭疼。而從全息的角度來看，二者可以協(xié)同工作，因為引力和量子效應(yīng)并不存在于同一時空維度中。

想象一下，你面前有一個各方面看起來完全正常的三維物體，但它其實是從一個二維屏幕投射出來的虛像。也就是說，呈現(xiàn)三維投影時，空間中的第三個維度是一個涌現(xiàn)維度。量子論和相對論這兩個20世紀(jì)最重要的物理學(xué)理論，其實是看待同一個現(xiàn)實的兩種不同方式。使用全息投影時，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。對宇宙來說，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物理平面，而是一個抽象平面。

全息理論告訴我們，時間就是宇宙這一三維空間的涌現(xiàn)維度。因為時間維度在大爆炸或黑洞奇點之類的地方就崩潰了。全息理論幫助詮釋了“時間不是固有性質(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)的達爾文革命。當(dāng)霍金要求我寫這本書作為《時間簡史》的續(xù)集時，他明確告訴我一定要包括全息理論，因為它代表了我們想要推行的一種全新宇宙觀。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。

《時間起源》 。供圖/中信出版社

難，也不難。難是因為，他的身體情況變得越來越糟。但另一方面，我認(rèn)為我和他的共事就像一次歷時20年的完整對話。后期他雖然不能說很多詞句，但我能通過這些零散的關(guān)鍵詞清楚地回憶起他幾年前告訴過我的事情。我們共同目睹整個宇宙學(xué)研究領(lǐng)域的交織與變遷。在某些時候，我曾認(rèn)為這段對話不可能繼續(xù)下去了，因為要讓他完整表達自己的意思實在是太難了。但后來發(fā)現(xiàn)，我們在一起工作的時間如此長，以至于我們能夠心意相通。

大方向上沒有過。我們必須拓展和完善哪個領(lǐng)域、如何在宇宙學(xué)中加入觀測者視角等一系列決策，都源于我們共有的非常強烈的直覺。在實現(xiàn)相對論和量子論的的統(tǒng)一前，我們嘗試過很多別的道路。我們確實在“怎么做”的問題上有過爭執(zhí)，但對于破解宇宙設(shè)計謎題、從全息角度去理解宇宙這一研究目標(biāo)，我們一直都同樣堅定。

我和霍金曾經(jīng)就有過一個賭注，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有得到解決。他從不諱言改變主張并糾正自己的立場。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的人。他以一種快樂的方式度過一生，為科學(xué)界和許多其他群體帶來了向上的動力。他是我認(rèn)識的最自由的人。

他如果還在世，心情會很好吧。自從他去世以來，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。這些進展昭示了物理學(xué)及其理論框架與觀測者、觀測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，霍金不能一同見證，實在太遺憾了。

霍金一直堅信，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)計如何在這一層次上發(fā)揮作用，我們就會對人類自身有更多的了解。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深刻的人類問題，也是所有文化和宗教都提過的古老問題。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的一類，因為他的動力來自于回歸人性本身。