2002年，当时还是一名理论物理学研究生的托马斯·赫托格走进斯蒂芬·霍金在剑桥大学的办公室，看到他的导师充满感情的眼睛。
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，因为它预测了一个不适合生命生存的贫瘠宇宙，他希望赫托格帮助他找到一个新的理论。
因此，在霍金生命的最后16年里，两人与合作者詹姆斯·哈特尔一起，对我们的宇宙是如何形成的提出了一种新的解释。
《生活科学》采访了现在是比利时鲁汶大学教授的赫托格，讨论了他的新书《时间的起源》(企鹅兰登书屋，2024年)，他与霍金长达数十年的合作，以及他们的工作最终产生的令人费解的达尔文宇宙起源观。
本·特纳:当你见到斯蒂芬·霍金时，他开始认为他之前在《时间简史》中提出的宇宙起源的图景是有缺陷的，他想寻找一种新的理论。对于可能不知道的读者，什么是标准的co宇宙起源的概念?
托马斯·赫托格:当然，标准的说法是存在某种大爆炸——一个暴力的、极其奇怪的开端。一直具有挑战性的是描述大爆炸时究竟发生了什么。
霍金在《时间简史》中的贡献有什么新奇之处?他提出的关键见解是什么?在他著名的“无边界假说”中，他提出了一个实际开始的数学模型，在这个模型中，大爆炸是一个真正的起源。
遗憾的是，霍金的模型并没有产生一个可居住的宇宙。相反，它是一个空荡荡的宇宙——没有恒星，没有星系，也没有生命。所以，就像你说的，到90年代末，霍金意识到他的模型有问题。
BT:关于我们的宜居宇宙是如何形成的，一个流行的答案是，大爆炸导致了永恒的宇宙膨胀，在不同的时空中膨胀——一个多元宇宙——而我们的宇宙恰好是其中一个口袋物理定律以恰到好处的方式平衡了生命的产生。为什么这个想法不适合霍金?
托:即使在原则上，这些多元宇宙模型也是不可证伪的。这并不是因为我们无法观察早期的宇宙;这是因为多元宇宙模型并没有对我们在这个宇宙中应该看到的东西做出明确的预测。
BT:那么你和霍金是怎么认识并开始合作的呢?你读硕士的时候就认识他了。那是什么感觉?那时他已经是一个传奇人物了。
TH:是的，他已经很有名了。我认识他是因为，嗯，我在比利时长大，90年代末的比利时还没有宇宙学。斯蒂芬和他的同事马丁·里斯等人，在剑桥建立了宇宙学的圣地。有一位教授告诉我，“如果你对宇宙学感兴趣，那就去剑桥。”
在剑桥，大家都知道，无论谁在硕士班中名列前茅，都会被邀请去和斯蒂芬(Stephen)交谈，这就是(我身上)发生的事情。所以他收我做他的博士生。
但是，当然，真正的合作是在后来开始的，当我们发现我们有相同的科学波长，并且对与大爆炸有关的更深层次的问题感兴趣时。事情就这样发生了:你们发现自己有相同的波长，对相同的问题感兴趣，也许有共同的直觉。作为理论物理学家，你们总是在彼此身上进行思想实验，过了一段时间，你们就形成了共识。
BT:过去的大爆炸理论把宇宙框定得好像是从一个“客观的”、神一般的角度来看的。你和霍金开始研究的理论将这一观点转变为更像我们自己的观点——宇宙某处的观察者。这让你把量子力学，以及弦理论，作为你的起点。这样开始教会了你什么?
TH:当你用上帝的眼睛观察宇宙时，你会寻找一个先验的解释，为什么整个宇宙应该做它正在做的事情——一些柏拉图式的数学真理笼罩着整个宇宙。
但是当你从一个更人性化的角度，从一个宇宙观察者的角度来看，情况就大不相同了。你会从历史的角度看问题。你不是在问:“为什么宇宙会是这个样子?”而是在问:“这一切是怎么发生的?”
如果你用量子力学来重建历史，一直追溯到大爆炸，这个历史视角开始在物理定律本身的层面上发挥作用。当然，这是一个惊喜。我们认为物理定律是固定不变的，但如果你回到过去，它们开始简化。从某种意义上说，它们开始蒸发，甚至是结构。
这种被物理定律编码的结构开始消失，直到最终——这是我们假设的关键——甚至时间和空间之间的区别也变得模糊。我们宇宙演化的定律，标准的物理定律，自我封闭;他们不再是。物理学本身消失了。
这是达尔文主义的转折。在生物学中，我们沿着生命之树回溯到生命的起源，生物学的规律也随之消失。这是因为这些法则是生物进化的自然属性。我们声称，物理定律也是更早进化的涌现特性。
BT:这会让人觉得很奇怪。在生物学中，选择压力起着促进生物规律进化的作用。是什么导致了物理定律的进化?
TH:量子力学中的观察行为。你可能会问我，“等一下，谁在观察?”因为很明显，在早期宇宙中，没有人类观察者。但我们都知道，量子力学中的观察行为来自于环境本身——它是粒子和力之间的相互作用。
在量子力学中，即使是单个光子也能进行观察。它可以将一系列可能的历史转化为有形的、具体的现实。
BT:根据你的理论，当我们将时间回溯到宇宙大爆炸时，物理定律会自行折叠，时间本身失去了它的身份——这给了它一个原点。爱因斯坦尤其不喜欢这个概念。他为什么反对呢?
托:当爱因斯坦和他的同时代人在时间上回溯宇宙的演化时，他们用的是爱因斯坦自己的经典决定论理论。他们遇到了所谓的奇点(描述宇宙的方程在这里失效)。时间的起源，宇宙大爆炸，似乎不是科学的一部分。
当斯蒂芬和我回溯宇宙的演化时，我们是用量子力学的方法。这与爱因斯坦的观点一致，直到你到达早期阶段，我们的图像非常非常不同。物理定律从未真正瓦解(在赫托格、哈特尔和霍金的图景中);它们会逐渐消失。我想爱因斯坦会同意的。
BT:你认为时间有起源的关键在于，它是可观测宇宙边缘许多量子粒子相互作用产生的一种涌现特性。宇宙就像一个向外膨胀的圆盘，在圆盘的边缘是量子位，即包含宇宙所有信息的粒子。这些粒子的游戏将时间从最远的边缘射入我们的宇宙，就像宇宙全息图一样。你能再解释一下全息原理吗?
TH:所以我们从全息的角度来解读宇宙的过去。全息屏幕是我们现实的抽象代表，当我们越来越远地缩小屏幕时，它相当于回到过去。图像变得更粗，你失去了信息，你失去了像素，大爆炸是你耗尽信息的极限。世界的开端实际上是一个认知的视界，科学(从全息的角度来看)根本无法到达更远的地方。
当然，这与我之前告诉你们的故事非常吻合——物理定律，以及时间和空间，随着我们到达大爆炸，物理的起源而消失。全息实现了我们的愿景，使其结合在一起。
这就是理论物理的原理。回想起来，你开始时有很多直觉，你把它塑造成一个数学框架，这个框架是一致的，它允许你最终预测新的现象。这就是当前研究的方向:我们如何测试这个模型?我们怎样才能找到这种早期进化的化石呢?
BT:这实际上是我的下一个问题。
(笑)我害怕。
BT:那什么时候呢我们能看看吗?在宇宙微波背景(CMB)之前，宇宙是完全不透明的。我们如何超越微波的模糊?
TH:宇宙微波背景给你一幅宇宙大爆炸后38万年的画面，那时宇宙变得透明了。但我所说的进化的早期阶段发生得要快得多，所以你必须仔细观察(CMB)。光和电磁波是做不到的。
但引力波可以穿越一切，所以你可以希望看到更远的过去。原则上，这是没有限制的——你可以一直追溯到大爆炸，解开这个更深层次的进化。
BT:说我们有能力。我们会看到什么?
TH:我们做了假设。如何?我把这个早期阶段想象成一棵分支多样的物理定律树。这些分支中的每一个都是一种新力的诞生——一种力分裂成两种，带有新的粒子和更多的结构。其中一些分支非常猛烈，伴随着引力波的爆发，这些引力波并不局限于一个地方，而是以背景辐射的形式出现，很像宇宙微波背景辐射。
这是整个宇宙在冷却和膨胀时过渡到一个新的状态，伴随着强烈的暴胀爆发。
BT:你的理论描述了宇宙密度大、温度高、粒子间存在大量相互作用或“观察”时物理定律的快速演化。但是，如果这些定律仍然有能力进化，那么这对宇宙的终结有什么影响吗?
TH:简短的回答当然是，我不知道。但是，如果你稍微挑战一下我，我可以说一些非常推测的东西:如果物理定律在过去不是确定的、固定的和不变的，那么很自然地期望它们不会是永恒的。所以，即使这种进化现在被抑制了(因为宇宙是冷的)，它也不是无限地被抑制的。它没有消失。
BT:我们谈了很多关于物理学中的直觉。你和霍金分享的那篇文章推动了这次合作，使你能够完成你的理论，即使霍金慢慢失去了使用他的人造声音的能力。你是怎么做到的?
TH:这有点像婚姻，对吧?或者任何一段长期的关系——你都能猜到对方的想法。到最后，这也发生在我们身上。当谈到宇宙学和它的基本问题时，我们建立了亲密的关系。在后来的阶段，我们发展了一种非语言层面的交流，在这种交流中，我可以向斯蒂芬提出“是”或“否”的问题，并解读他的面部表情。
这是以一种相当自发的方式发展起来的，但这只是可能的，因为在90年代末和00年代初，我们有一些非常好的年份，斯蒂芬可以通过他的语音合成器相当流利地说话。他真的把我拉进了他关于多元宇宙悖论的思考中。
BT:你认为他能从外部问题中找到答案并凭直觉判断问题，这是他成为伟大物理学家的原因吗?
TH:斯蒂芬的直觉是建立在15年大量计算的基础上的。它不是从天上来的。这源于他职业生涯的早期阶段。
当然，在80年代早期，当他失去写方程的能力时，发生了一些天才的事情。他有能力和毅力重新训练自己，以一种非常独特的方式来研究理论物理。它更以直觉为基础，比其他人更远离方程式，并且有能力在他的脑海中想象形状和几何形状。他真正的光荣在于，用这种新的语言，他能够得出一些很难用方程式再现的发现。
