“物理学本身消失了”：理论物理学家托马斯·赫托格如何帮助斯蒂芬·霍金提出他最终的、最激进的万物理论

托马斯·赫托格告诉我们他如何与斯蒂芬·霍金合作研究他的最终定理——一场解释时间起源的达尔文物理学革命。

2002年，当时还是理论物理学研究生的托马斯·赫尔托格走进斯蒂芬·霍金在剑桥大学的办公室，看到导师的眼睛里充满了情感。 

霍金的消息也是一种自白。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存在的贫瘠宇宙，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新的解释。 

《Live Science》采访了现为比利时鲁汶大学教授的 Hertog，讨论他的新书《论时间的起源》（企鹅兰登书屋，2024 年），这是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点。 

本·特纳：当你遇到史蒂芬·霍金时，他开始认为他之前在《时间简史》中所呈现的宇宙起源图景是有缺陷的，他想寻找一种新的理论。对于可能不知道的读者，我们的宇宙是如何开始的标准概念是什么？

Thomas Hertog：当然，标准是存在某种大爆炸——一个暴力的、极其奇怪的开始。具有挑战性的是描述大爆炸时到底发生了什么。 

霍金在《时间简史》中的贡献有何新颖之处？他援引的关键见解是什么？他在著名的“无边界提议”中提出了实际开始的数学模型，其中大爆炸是真正的起源。 

遗憾的是，霍金的模型并没有产生一个适合居住的宇宙。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，正如你所说，到了 90 年代末，霍金意识到他的模型存在问题。 

BT：对于我们的宜居宇宙如何形成的一个流行答案是，大爆炸导致了永恒的宇宙膨胀，其中有不同的时空膨胀区（多元宇宙），而我们的宇宙恰好是其中之一物理定律以正确的方式平衡以产生生命。为什么这个想法不适合霍金？ 

TH：这些多元宇宙模型即使在原则上也是不可证伪的。这并不是因为我们无法观察早期宇宙并进行检查；而是因为我们无法观察并检验早期宇宙。这是因为多元宇宙模型无法对我们在这个宇宙中应该看到的东西做出明确的预测。 

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BT： 那么你和霍金是如何认识并开始合作的？你是在硕士生的时候认识他的。那是什么样的？此时的他已经是一个传奇了。 

TH：是的，他已经相当出名了。我遇见他是因为，嗯，我在比利时长大，而 90 年代末比利时还没有宇宙学。斯蒂芬和他的同事马丁·里斯和那些人在剑桥建立了一个宇宙学的圣地。因此，一位教授告诉我：“听着，如果你对宇宙学感兴趣，就去剑桥吧。”

在剑桥，众所周知，无论谁在大师班上名列前茅，都会收到与斯蒂芬交谈的邀请，这就是发生在我身上的事情。所以他收我为他的博士生。 

但是，当然，真正的合作是后来开始的，当时我们发现我们处于相同的科学波长，并且对与大爆炸有关的更深层次的问题感兴趣。事情就这样发生了：你们发现自己志同道合，对同样的问题感兴趣，也许还有某种直觉。作为理论物理学家，你们总是互相进行思想实验，过了一段时间，你们就形成了共同的理解。

BT： 过去的大爆炸理论对宇宙的描述就好像他们是从“客观”的、神圣的角度来看待它一样。你和霍金开始研究的理论将这种观点转移到了更像我们自己的观点——宇宙某个地方的观察者。这让您以量子力学以及弦理论为起点。以这种方式开始教会了你什么？ 

TH：当你以上帝之眼观察宇宙时，你将寻找一个事先的解释，解释为什么整个宇宙应该做它正在做的事情——一些笼罩在宇宙之上的柏拉图数学真理。整个宇宙。 

但当你采取所谓的更人性化的视角，即宇宙中观察者的视角时，情况就非常不同了。你将会采取更历史的视角。你不是在问：“宇宙为什么会是这样？”但“这一切是怎么发生的？” 

如果你使用量子力学来重建一直追溯到大爆炸的历史，那么这种历史视角就会开始在物理定律本身的层面上发挥作用。这当然是一个惊喜。我们认为物理定律是固定不变的，但如果你回到过去，它们就会开始变得简单。从某种意义上说，它们开始蒸发，甚至结构也开始蒸发。 

这种被物理定律编码的结构开始消失，直到最终——这就是我们假设的关键——甚至时间和空间之间的区别也变得模糊。我们的宇宙演化定律，即物理标准定律，是封闭的；他们不再存在了。物理学本身消失了。 

这是达尔文主义的转变。在生物学中，我们沿着生命之树回到生命的起源，生物学的规律也随之消失。那是因为这些定律是生物进化的新兴特性。我们声称物理定律也是更早期进化的自然属性。 

BT： 这会让人们觉得非常奇怪。在生物学中，选择压力起着刺激生物定律进化的作用。是什么导致物理定律演化？

TH：量子力学中的观察行为。你会问我，“但是等一下——谁在观察？”因为显然，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环境本身——它是粒子和力之间的相互作用。 

即使是单个光子也可以执行量子力学中的观察行为。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，当我们将时间倒回大爆炸时，物理定律会自行折叠，时间本身就会失去其身份——这给了它一个原点。爱因斯坦特别不喜欢这个概念。他为什么反对？

TH：当爱因斯坦和他的同时代人在时间上倒推宇宙的演化时，他们是以经典的确定性方式使用爱因斯坦自己的理论来做到这一点的。他们遇到了所谓的奇点（描述宇宙的方程在这里崩溃了）。时间的起源，大爆炸，似乎不属于科学的一部分。 

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当斯蒂芬和我向后推论宇宙的演化时，我们是以量子力学的方式进行的。这与爱因斯坦的观点是一致的，直到你到达早期阶段，我们的情况非常非常不同。物理定律永远不会真正失效（在赫托格、哈特尔和霍金的照片中）；它们只是逐渐消失。我认为爱因斯坦会同意这一点。

BT： 时间有起源这一观点的关键在于，它是可观测宇宙边缘许多量子粒子相互作用的涌现属性。宇宙就像一个向外膨胀的圆盘，在该圆盘的边缘是量子比特，即包含宇宙所有信息的粒子。这些粒子的作用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。您能详细解释一下全息原理吗？ 

TH：所以我们解读宇宙过去的方式是从全息角度。全息屏幕是我们现实的抽象表示，当我们距离该屏幕越来越远时，它相当于回到过去。图片变得更加粗粒度，你会丢失信息，你会丢失像素，而大爆炸就是你耗尽信息的极限。世界的起源实际上是一个认知地平线，科学（从全息的角度来看）根本无法追溯到更远的地方。 

当然，这与我之前告诉你的故事非常吻合——当我们到达物理学的起源大爆炸时，物理定律以及时间和空间就会消失。我们的愿景的全息实现使其契合在一起。 

这就是理论物理学的工作原理。回想起来，你从很多直觉开始，然后将其塑造成一个一致的数学框架，并允许你最终预测新现象。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。

TH：[笑]我害怕。 

BT：那么我们可以去哪里寻找呢？在宇宙微波背景（CMB）出现之前，宇宙是完全不透明的。我们如何超越微波的模糊范围？

TH：宇宙微波背景为您提供了大爆炸后 380,000 年的宇宙图片，当时宇宙变得透明。但我所说的进化的早期阶段发生得更快，所以你必须通过 [CMB] 来观察。而光、电磁波则无法做到这一点。

但引力波会穿透一切，所以你可以希望能够进一步回顾过去。原则上，没有限制——你可以一路回顾大爆炸并解开更深层次的进化。 

BT： 说我们能够做到。我们会看到什么？

TH：我们已经做出了假设。如何？嗯，我对这个早期阶段的设想有点像物理定律的分支、多样化的树。每一个分支实际上都是一种新型力的诞生——一种力分裂成两种，具有新的粒子和更多的结构。其中一些分支相当猛烈，伴随着引力波的爆发，这些引力波不局限于一个地方，并以背景辐射的形式出现，很像宇宙微波背景。 

这是整个宇宙在冷却和膨胀时转变为新状态，并伴随着强烈的暴胀。 

BT：你的理论描述了当宇宙稠密且炎热时物理定律快速演化，并且粒子之间存在大量相互作用或“观察”。但如果这些定律仍然具有进化的能力，这对宇宙的终结有什么影响吗？

TH：简短的回答是，当然，我不知道。但如果你对我提出一点挑战，我可以说一些非常具有推测性的话：如果物理定律在过去不是确定的、固定的和不可改变的，那么很自然地预期它们不会是永恒的。因此，尽管进化现在受到抑制（因为宇宙很冷），但它并不是无限地受到抑制。它并没有消失。

BT：我们已经谈论了很多关于物理学中的直觉的问题。你与霍金分享的内容推动了这一合作，并使你能够完成你的理论，尽管霍金慢慢失去了使用人工声音的能力。你是怎么做到的？

TH：这有点像婚姻，对吧？或者任何长期的关系——你可以猜测彼此的想法。到最后，这种情况也发生在我们身上。当谈到宇宙学及其基本问题时，我们建立了亲密的关系。在后期阶段，我们开发了一种非语言交流层，我可以在其中向斯蒂芬提出是或否问题并阅读他的面部表情。 

这是以相当自发的方式发展的，但它之所以可能，是因为在 90 年代末和 00 年代初，我们度过了一些非常美好的时光，斯蒂芬可以通过他的语音合成器相当流利地说话。他确实让我陷入了他对与多元宇宙相关的悖论的思考中。

BT：您认为他解决外部问题并凭直觉感知问题的能力是否使他成为如此伟大的物理学家？

TH：Stephen 的直觉是基于 15 年的大量计算。这不是从天上降临到他身上的。它植根于他职业生涯的早期阶段。 

当然，八十年代初发生了一件天才的事，当时他失去了写方程的能力。他有能力和固执地重新训练自己，以一种非常独特的方式进行理论物理学。它更基于直觉，比其他模型更远离方程，并且能够在头脑中形象化形状和几何形状。他真正的荣耀在于，利用这种新语言，他能够得出某些很难用方程重现的发现。

编者注：为了清晰起见，本次采访经过精简和编辑。