 參考消息網5月17日報道英國《新科學家》周刊網站3月20日刊登題為《斯蒂芬·霍金的最終定理顛覆時間和因果關系》的文章，作者是比利時魯汶大學宇宙學家托馬斯·赫托格。內容編譯如下： 劍橋大學的學生都知道，誰在數學榮譽學位考試的最后一部分考出最好成績，就會被邀請與斯蒂芬·霍金見面。我拿到了成績，名列榜首。果然，我應邀與他進行了討論。 我來到他在應用數學和理論物理學系的辦公室。這個系坐落在河畔一幢維多利亞式的舊建筑里。霍金的辦公室就在公共休息室附近，盡管那里比較吵鬧，但他還是喜歡把自己的門半開著。我敲了敲門，停了一下，慢慢推開門。 我不太清楚會在門的另一邊看見什么。我知道霍金以研究黑洞而聞名，甚至因為有關黑洞爆炸時發生了什么的一些觀點而陷入困境。但事實證明，他正在思考一個不同的問題：為什么宇宙適合生命存在？ 思索這個問題將變成我們兩人的長期追求。在接下來的20年里，直到去世前，他與我共同研究一些新的觀點，這些觀點表明了一種關于宇宙為什么是現在這樣的全新認識。 在1998年6月的第一次見面中，我發現霍金坐在桌子后面，頭靠在輪椅上的一個頭枕上。辦公室的窗戶敞開著，我后來才知道，他總是喜歡把窗開著，哪怕是在天寒地凍的時候。其中一塊黑板上的方程式似乎可以追溯到上世紀80年代初。我心想這是否可能是他最后的手跡。 他通過語音合成器說：“宇宙看起來是經過設計的。”他繼續說：“為什么宇宙是現在這樣的？”以前，我的物理老師沒有一個提過這樣的問題。我試著說：“這不是一個哲學問題嗎？”霍金回答說：“哲學已死。” 他是一個用寥寥數語表達豐富含義的大師。當他談到宇宙經過設計，他指的是這樣的觀測，即在所有可能存在的宇宙中，我們所身處的宇宙有著可以帶來生命的絕佳配置。數百年來，如何理解這個問題以某種方式困擾著思想家。然而直到最近，我們才發現這其中的水有多深。 精細微調宇宙 事實證明，宇宙的生物友好特性涉及物理學定律本身。這些定律中的眾多特征使宇宙完全適合生命存在。 盡管大多數宇宙沒有生命，但在一些宇宙中，自然定律注定適合生命存在。 當1998年我第一次走進霍金的辦公室時，這一切都在他的腦海里縈繞。我能感覺到他并不熱衷于多重宇宙論。沒過多久，我與他進行合作，試圖找到更好的答案——首先是作為他的博士研究生，后來是作為他的同事。 霍金對擁抱多重宇宙論所持的保留態度在本世紀初更加強烈。當時，人們明白多重宇宙論實際上沒有解釋任何問題。在多重宇宙論中，存在統管所有宇宙的“元定律”。但這些元定律并沒有具體說明我們應居住在哪一個宜居的宇宙。這是一個問題，因為如果沒有一個把多重宇宙元定律與我們所處宇宙中的定律聯系起來的規則，那么對多重宇宙的思考就會陷入悖論的漩渦，使我們無法進行可證實的預測。多重宇宙論就像一張沒有個人身份識別碼的借記卡，或者像一個沒有說明書的組裝衣柜：沒用。 霍金最后定理 我們能做得更好嗎？是的，霍金與我發現，我們的理論可以用“上帝視角”，就好像站在宇宙之外。這是一個顯而易見的、似乎也是重復的觀點：我們的宇宙論必須對我們存在于宇宙之內的事實進行解釋。霍金開始宣揚：“我們不是從外部看宇宙的天使。”于是，我們開始從觀測者的角度由內而外地重新思考宇宙學。我們很快發現，這需要采用來自宇宙內部的量子觀。 自20世紀20年代發現量子理論以來，觀測者的關鍵作用已經得到認可。在觀測到一個粒子的位置之前，甚至連問它在哪里都沒有意義。它沒有確定的位置，只有波函數所描述的可能位置。當然，量子觀測絕不僅限于人類的觀測。量子觀測可以由專門的探測器、環境甚至通過與單個光子的相互作用來進行。 霍金與我逐漸了解了宇宙早期發生的情況是一個類似于地球上自然選擇的過程，變異與選擇的相互作用在這種原初環境下發生。變異之所以發生，是因為隨機的量子跳躍導致決定性行為和偶發性較大行為的頻繁小規模漂移。選擇之所以發揮作用，是因為由于量子觀測，其中一些漂移——尤其是較大的漂移——可以被放大和凍結。這就產生了幫助影響隨后演變的新規則。 自然定律演變 這兩種相互競爭的力量在宇宙大爆炸的熔爐中的相互作用產生了一個分化過程，某種程度上類似于數十億年后生物物種是如何出現的。在這個過程中，維度、力量和粒子首先多樣化，然后在宇宙膨脹和冷卻時獲得有效形式。 就像在達爾文進化論中一樣，這給我們的假設引入了一個微妙的時間倒退的因素。這就好比集體量子觀測以追溯方式解決大爆炸的結果。出于這個原因，霍金喜歡把我們的觀點稱為“自上而下的宇宙論”，以強調我們是事后解讀宇宙的基本原理。這在某種程度上有點像生物學家重建生命樹。他曾對我說：“我們創造宇宙，不亞于宇宙創造我們。”2006年《新科學家》周刊報道我們的觀點，把它描述為“反向的、選擇你自己的冒險”。 事后看來，某種意義上我們當時是在流沙上行走，我們的觀點并沒有相當扎實的數學基礎。當我們開始尋找更堅實的基礎時，從一個意想不到的角落得到了靈感。大約在那個時候，物理學領域的另一場革命正在興起，這場革命與全息有關。事實證明這正是我們所需要的。 普通全息圖對二維表面上一個三維物體的全部信息作了編碼。從某種意義上說，當我們觀測這個表面時，第三維就會出現。關于地心引力也可能有全息起源的初步跡象可以追溯到霍金和以色列物理學家雅各布·貝肯施泰因在20世紀70年代分別進行的研究。他們發現，對黑洞內部的所有認識都可以在它們的事件視界表面被加密。 接著，阿根廷物理學家胡安·馬爾達塞納在1997年更進了一步，他設想整個宇宙可能類似于一個全息圖。他證明了位于一個表面的量子糾纏粒子系統內部可以包含一個更高維度、具有引力和彎曲時空的宇宙的所有信息。很快，全息成了理論物理學家津津樂道的話題。他們從中發現了最終讓愛因斯坦的廣義相對論與量子理論相容的有希望的途徑。 全息宇宙理論 起初，全息所生成的那種宇宙與我們所生活的膨脹宇宙沒有任何相似之處。然而，從2011年左右開始，霍金與我發現了如何運用宇宙全息概念來描述一個膨脹的宇宙的最初階段。事實證明，在這種宇宙論環境下，全息圖突出的是時間維度。歷史本身就是全息加密的。 更重要的是，時間以我們所設想的事后方式出現。根據全息宇宙論，過去取決于現在，而不是相反。在把宇宙當作全息圖的研究方法中，去遙遠的過去冒險意味著對宇宙全息圖有一個模糊的印象。這就像把鏡頭拉遠，在這種操作中我們丟棄了越來越多全息編碼的糾纏信息。全息理論表明，在大爆炸中消失的不僅有時間，還有影響我們所處宇宙的物理學定律。這與過去柏拉圖主義者認為自然定律在某種程度上不可改變的觀點截然不同。霍金與我認為，重要的不是定律本身，而是定律的變化能力。 這一切的最終結果是對宇宙學終極意義的深刻修正。近一個世紀以來，我們一直是在固定的自然定律的穩定背景下研究宇宙的歷史。但是，霍金與我建立的量子觀從宇宙內部解讀宇宙的歷史，認為宇宙的歷史在最早期階段包含物理學定律譜系。 這當然是一個激進的觀點，但這可能日后成為可檢驗的觀點。一些與早期宇宙有關的觀點可以通過破譯宇宙微波背景輻射——在大爆炸后38萬年時釋放的輻射——來加以檢驗。但我們所設想的原初演化是在那之前展開的，這意味著它深藏在宇宙微波背景后面。我們現在所處的環境與19世紀的達爾文并無二致，不過他只有很少的化石證據支持他宏大的新假說。 偉大科學遺產 但我希望這種情況不會永遠持續下去。我們正在目睹引力波天文學的一場革命。這些產生于宇宙微波背景時代之前遙遠過去的波，經過漫長旅行可以抵達地球。未來對原初引力波的觀測應該讓我們能夠探測宇宙的最早期階段。 檢驗我們觀點的一條完全不同的路徑也與全息有關。量子實驗者已經在嘗試創建由被俘獲原子或離子組成的深度糾纏的量子系統，這些系統對黑洞的一些特性進行全息編碼。通過用這些系統進行實驗，我們可以指望更多地了解何種糾纏模式支撐重力和時空結構。我們或許還能看清時間的起源是否以霍金與我所設想的特定方式發生。 對宇宙論進行顛覆是典型的霍金式行為。對于受多重宇宙悖論啟發的霍金和我來說，這是一種了解宇宙設計外形的方式。如果這一新思維被證明是正確的，那么這可能是他最大的科學遺產。 |
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