霍金如何颠覆时间和因果关系

2023-05-17

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，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，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。

我知道霍金以研究黑洞而闻名，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？

在1998年6月的第一次见面中，霍金坐在桌子后面，头靠在轮椅上的一个头枕上。他总是喜欢把窗开着，哪怕是在天寒地冻的时候。

他通过语音合成器说：“宇宙看起来是经过设计的。为什么宇宙是现在这样的？”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。他说宇宙经过设计，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。

第一次走进霍金的办公室时，我能感觉到他并不热衷于多重宇宙论。我与他合作，试图找到更好的答案。

霍金对多重宇宙论的保留态度，在本世纪初更加强烈。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”。但这些元定律并没说明我们应居住在哪一个宇宙。如果没有一个把元定律与我们所处宇宙中的定律联系起来的规则，对多重宇宙的思考就会陷入悖论，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，或一个没有说明书的组装衣柜：没用。

霍金最后定理

霍金与我发现，我们可以用“上帝视角”，就好像站在宇宙之外。宇宙论必须对宇宙之内的事实进行解释。霍金认为：“我们不是从外部看宇宙的天使。”我们很快发现，要采用来自宇宙内部的量子观。

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，它没有确定的位置，只有波函数所描述的可能位置。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，在宇宙大爆炸中相互作用，产生了一个分化过程，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。

如同达尔文的进化论，给我们的假设引入了一个时间倒退的因素。好比集体量子观测追溯大爆炸的结果。霍金称之为“自上而下的宇宙论”。这有点像生物学家重建生命树。他说：“我们创造宇宙，不亚于宇宙创造我们。”我们把它描述为“反向的、选择你自己的冒险”。

我们当时是在流沙上行走，观点没有扎实的数学基础。当我们寻找基础时，从一个角落得到了灵感。从此，物理学领域的另一场革命正在兴起，它与全息有关，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。观测这个表面时，第三维就会出现。地心引力也可能有全息起源，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。

整个宇宙可能类似于一个全息图。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。全息成了理论物理学家津津乐道的话题。他们发现了让广义相对论与量子理论相容的途径。

全息宇宙理论

起初，全息生成的宇宙与我们所生活的膨胀宇宙，没有任何相似。然而霍金发现了如何运用全息概念来描述一个膨胀的宇宙的最初阶段。全息图突出的是时间维度。历史本身就是全息加密的。

时间以事后方式出现。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，丢弃了越来越多全息编码的纠缠信息。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。这与柏拉图主义者认为自然定律不可改变的观点截然不同。霍金认为，重要的不是定律本身，而是定律的变化能力。

最终结果是对宇宙学终极意义的修正。我们一直在固定的自然定律的背景下研究宇宙的历史。但霍金的量子观从宇宙内部解读宇宙的历史，认为宇宙在最早期就包含物理学定律谱系。

当然，这要在日后接受检验。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——来检验。原初演化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，不过他只有化石证据支持他宏大的新假说。

伟大科学遗产

我们正在目睹引力波天文学的一场革命。这些产生于遥远过去的波，经过漫长旅行可以抵达地球。应该让我们能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量子系统，这些系统对黑洞的一些特性进行全息编码。通过这些实验，可以更多地了解何种纠缠模式支撑重力和时空结构。或许还能看清时间的起源是否以霍金设想的方式发生。

颠覆宇宙论是霍金式行为，是一种了解宇宙设计外形的方式。如果这被证明是正确的，就是他最大的科学遗产。