“物理学本身消失”：理论物理学家托马斯·赫托格如何帮助斯蒂芬·霍金产生他的最终、最激进的一切的理_fzhouy

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“物理学本身消失”：理论物理学家托马斯·赫托格如何帮助斯蒂芬·霍金产生他的最终、最激进的一切的理

(2024-06-13 21:08:41)

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杂谈

“物理学本身消失”：理论物理学家托马斯·赫托格如何帮助斯蒂芬·霍金产生他的最终、最激进的一切的理论

By Ben Turner

published 45 minutes ago

Cosmology

理论物理学家托马斯·赫托格（Thomas Hertog）告诉我们他如何与斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）合作在他的最终定理——一场在物理学中解释时间的起源的达尔文主义革命，。

“物理学本身消失”：理论物理学家托马斯·赫托格如何帮助斯蒂芬·霍金产生他的最终、最激进的一切的理

2013年9月19日在剑桥的伊曼纽尔学院拍摄的斯蒂芬·霍金。(Image credit: Karwai Tang/Getty Images)

2002年，当时还是理论物理学研究生的托马斯·赫托格（Thomas Hertog）走进斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在剑桥大学的办公室并看到他的导师眼中充满了情感。

霍金的消息也是一种忏悔。这位著名的物理学家告诉他的学生，他的书《时间简史》是错误的，因为它预言了一个对生命不适合的贫瘠宇宙，他要赫托格来帮助他找到一个新理论。

因此，在霍金生命的最后16年里，两人与合作者詹姆斯·哈特尔（James Hartle）一起，为我们的宇宙如何形成的发展了一种新的解释。

生活科学杂志与现任比利时鲁汶大学教授的赫托格坐下来讨论他的新书《关于时间的起源》（企鹅兰登书屋，2024 年）、他的与霍金长达数十年的合作以及他们的工作最终产生的弯曲思维的达尔文主义的宇宙的起源。

本·特纳：当你遇到斯蒂芬·霍金时他正开始认为他以前在《时间简史》中已经表现的宇宙的起源的图片是有缺陷的，而他要寻找一种新的理论。对可能不知道的读者，我们的宇宙如何开始的标准概念是什么？

托马斯·赫托格：确实，标准的是一直有某种大爆炸——一个暴力的、极端奇怪的开始。一直在挑战的是来描述在大爆炸到底发生了什么。

在《时间简史》中霍金的贡献的新颖性是什么？他提出的关键洞察是什么？他想到了在他著名的“无边界提议”中的一个实际开始的数学模型，其中大爆炸是一个真正的起源。

可悲的是，霍金的模型并没有产生一个宜居的宇宙。相反，它是一个空的宇宙——没有恒星，没有星系，没有生命。因此，正如你所说到90年代后期，霍金意识到他的模型有一个问题。

本·特纳：我们的可居住的宇宙如何已经形成的一个流行的答案是大爆炸导致了永恒的有不同空时膨胀的口袋的宇宙膨胀——一个多元宇宙——而我们的宇宙恰好是在那里物理学定律刚好以来产生生命的正确方式抵消掉的口袋之一。为什么这个想法不适合霍金？

托马斯·赫托格：这些多元宇宙模型是不可证伪的，甚至在原则上。这并不是因为我们不能观察早期宇宙并检查它，这是因为多元宇宙模型并没有做出我们应该在这个宇宙中看到什么的不含糊的预测。

Thomas Hertog. (Image credit: Gert Verbelen)

本·特纳：因此你和霍金如何相遇并开始合作呢？你是在硕士生时认识他的。那像什么一样？那时他已经是一个传奇。

托马斯·赫托格：是的，他已经相当有名的。我遇见他因为我在比利时长大，90年代末比利时没有宇宙学。斯蒂芬和他的同事马丁·里斯（Martin Rees）和那些人已经在剑桥建立了一个宇宙学的圣地。因此有一位教授告诉我，“看，如果你要探究宇宙学，去剑桥吧”。

在剑桥，众所周知，无论谁在硕士班上名列前茅，都会收到一个去和斯蒂芬交谈的邀请，这就是对我发生的。因此他收了我作为他的博士生。

但当然，真正的合作后来开始，当我们发现我们自己处于相同的科学波长上，并且对与大爆炸有关的更深层次问题感兴趣时。它刚好发生了：你们发现你们自己处在相同的波长上，对相同的问题感兴趣，也许共享某种直觉。作为理论物理学家，你们总是在彼此身上进行思想实验，一段时间后，你们发展一个共同的理解。

本·特纳：过去的大爆炸理论把宇宙框定为宛如它们正在从一个“客观的”、神一样的角度观察宇宙一样。你和霍金开始工作在的理论将这种观点转移到一个种更像我们自己的——宇宙中某个地方的一个观察者。这使你以量子力学和弦理论为你的起点。这种方式开始教了你什么？

托马斯·赫托格：当你用上帝的宇宙的眼睛时，你正在要去寻找一个为什么整个宇宙应该正在做它做的事情的先验的解释——一些蒙笼着整个宇宙的柏拉图式的数学真相。

但是当你采取你叫一个更人类的视角时，一种在宇宙中一个观察者的视角，它是非常不同的。您将采纳一个更历史的角度。你不是正在问，“为什么宇宙会是这样？”而是“这一切都怎么来的？”

如果你用量子力学来重建这段历史，一直追溯回到大爆炸，这种历史视角开始在物理定律本身的层面上演出。这当然是一个惊奇。我们以为物理定律是固定的不可交流的，但如果你回到时间中，它们开始来简化。从某种意义上，它们开始来蒸发，甚至这种结构。

这种被物理定律编码的结构开始来消失直到最终——这是我们假设的最高点——甚至时间和空间之间的区别模糊。我们宇宙演化的定律，标准的物理定律本身是封闭的，他们不再是。物理学本身消失。

这是一种达尔文主义的转向。在生物学中，我们沿着生命之树走回到生命的起源，生物学的规律也消失。那是因为这些定律是生物进化的浮现属性。我们声称物理定律也是一个远更早进化的浮现的属性。

宇宙大爆炸后宇宙膨胀的一个描述。 (Image credit: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images)

本·特纳：这因为很奇怪要打击人。在生物学中，选择压力起刺激生物定律来进化的角色。是什么造成物理定律来演变？

托马斯·赫托格：量子力学中的观测行为。你要问我，“等一下——谁正在观测？因为清楚的在早期宇宙中，没有人类观测者。但我们都知道，量子力学中的观测行为来自环境本身——它是粒子和力之间的相互作用。

甚至一个单个光子能在量子力学中执行一个观测行为。它能将一系列可能的历史转化衬过一个有形的、具体的现实。

本·特纳：按照你的理论，当我们把时间倒回到大爆炸时，物理定律它们自身折叠，时间本身丧失它的身份——这给它一个起源点。爱因斯坦特别不喜欢这种观念。他为什么反对它呢？

托马斯·赫托格：当爱因斯坦和他的同时代人正在运行宇宙的演化倒退时间中时，他们使用爱因斯坦自己的理论以一种经典的、确定性的方式做这个。他们遇到了他们叫奇点（描述宇宙的方程式崩溃的地方）。时间的起源，大爆炸，似乎不是科学的部分。

当斯蒂芬和我向回运行宇宙的演化时，我们以一种量子力学的方式做了它。这与爱因斯坦的一致，直到你到达在那里我们的图片是非常非常不同的更早期阶段为止。物理定律从未真的崩溃（在赫托格、哈特尔和霍金的图片中）;它们只是逐渐的消失。我认为爱因斯坦会同意这一点。

本·特纳：你的时间有一个起源的想法的关键是来自在宇宙的可观测边缘上许多量子粒子相互作用的浮现属性。宇宙就像一个向外扩张的圆盘一样，在圆盘的边缘是量子比特，是包含宇宙所有信息的粒子。这些粒子从那个最远的边缘束射时间进入我们的宇宙的戏——就像一个宇宙全息图一样。你能再解释一下全息原理吗？

托马斯·赫托格：因此我们解读宇宙的过去的方式是从一个全息的角度。全息屏幕是我们的现实的一个抽象代表，随我们从该屏幕缩小出去越来越远，它对应到走回时间中。图片变得更粗糙，你失去信息，你失去像素，而大爆炸是你耗尽信息的极限的地方。世界的开端真的是一个认识论的地平线，在那里科学（从全息的角度）只是不到达回去更远。

当然，这与我之前告诉你们的故事非常号的吻合——物理定律以及时间和空间，素我们到达物理学的起源大爆炸消失。我们愿景的全息实现使它合在一起。

这就是理论物理学怎样工作的。回想起来，你以很多直觉开始，然后把它模成一个允许你最终来预测新现象的一致的数学框架。这就是当前研究正要去的方向的地方：我们如何能测试这个模型？我们怎样能找到这种早期进化的化石？

这张图描述由霍金、赫托格和哈特尔感知为宇宙的。在这张图片中，宇宙和时间本身为一个从无数纠缠的量子比特在它的最远边缘相互作用浮现的全息图。 (Image credit: Thomas Hertog)

本·特纳：那是实际上我的下一个问题？

托马斯·赫托格：(笑)我害怕了

本·特纳：因此我们能看什么地方？在宇宙微波背景（CMB）之前，宇宙是完全不透明的。我们如何超越微波模糊窥视？

托马斯·赫托格：宇宙微波背景给你一幅大爆炸后38万年宇宙的画面，当时宇宙变得透明。但我正在说的这个进化的早期阶段远更早发生，因此你不的不窥视过[CMB]。你不能用光、电磁波来做这个。

但引力波穿过一切，因此你能希望向后看得更远。原则上，没有限制——你能一路看回到宇宙大爆炸，解锁这个进化的更深层次。

宇宙微波背景：欧洲航天局普朗克卫星拍摄的宇宙“婴儿照片”。(Image credit: European Space Agency)

本·特纳：说我们能做到。我们可以看到什么？

托马斯·赫托格：我们已经假设了。如何？嗯，我憧憬这个早期阶段的方式是有点像一个分支的、多样化的物理定律树。这些分支中的每一个真的都是一种新的力的诞生——一种力分裂成两种有新的粒子和更多的结构。其中一些分支非常暴力的，伴随着引力波的爆发，这些引力波并不被局限于一个地方，而是以背景辐射出现，就像宇宙微波背景一样。

当整个宇宙冷却和膨胀时这是整个宇宙过渡到一个新的状态，而它被一个强烈的膨胀爆发伴随。

本·特纳：你的理论描述当宇宙是密集和炽热时物理定律迅速的演变，粒子之间有很多相互作用或“观测”。但如果这些定律仍然有进化的能力，这对宇宙如何终结有任何影响吗？

托马斯·赫托格：简短的回答当然是我不知道。但如果你稍微挑战我一点，我能说一些非常推测的话：如果物理定律在过去不是确定的、固定的和不变的，自然地来期望它们不会是永恒的。因此，即变这种进化现在被压制（因为宇宙是冷的），它也不是无限的被压制。它并没有消失。

本·特纳：你已经谈了很多关于物理学中的直觉。你与霍金分享的那篇文章推动了这次合作并使你能够完成这个理论，甚至就像霍金慢慢失去它的来用人工声音的能力。你是怎么做到这个的？

托马斯·赫托格：这有点像婚姻，对吧？或者真的是任何长期的关系——你能猜到彼此的想法。到最后，这也发生在我们身上。当到宇宙学及其基本问题时我们发展了一种亲密关系。在后期阶段，我们开发了一个非语言的交流层，其中我可以向斯蒂芬提出是或否的问题并阅读他的面部表情。

这以一种相当自发的方式发展了，但这是可能的，因为在 90 年代末和 00 年代初，我们有过一些非常好的年份，其中斯蒂芬可以通过他的语音合成器相当流利地说话。他真的把我拖进他的关于与多元宇宙相关的这些悖论的思考中。