在人生的最後20年，霍金提出了一種全新的自上而下宇宙觀，對宇宙的誕生提供了一個驚人的新視角，它將深刻地改變我們對人類在宇宙中的位置的看法。霍金的弟子兼同事托馬斯·赫托格，根據霍金遺願著成《時間起源》。
11月1日晚，在新京報書評周刊·文化客廳第168場活動中，書評君聯合中信出版集團邀請到世界著名宇宙學家托馬斯·赫托格，北京大學物理學院教授吳飆與華中科技大學物理學院天文學系副教授、也是《時間起源》一書的譯者邱濤濤一起，沿著霍金的思考，共同討論並尋找了人類存在的意義和方向。
本文為對談整理，內容有刪改。
[比利時] 托馬斯·赫托格 著；2023年10月；中信出版集團。
01
用自上而下的視角思考宇宙起源
1998年，托馬斯·赫托格從比利時來到劍橋，遇見了史蒂芬·霍金。赫托格當時還是一名學生，和霍金交談後，赫托格意識到，霍金是其中一位極其少見的科學家，他對宇宙學、宇宙大爆炸和我們來自哪裡等問題非常感興趣。於是赫托格在劍橋跟隨霍金開始了自己的博士學位研究，這種合作持續了20年，期間，霍金和赫托格開發出了一個關於宇宙早期階段全新的思考方式。
托馬斯·赫托格與霍金。
在早期合作時，赫托格就曾與霍金討論過，我們的宇宙有些非常奇怪的地方。這種奇怪之處在於，我們生活在的宇宙是在物理學的較低層面上，它的物理學定律是非常親生物的。物理定律的精確性、我們所擁有的粒子的種類、我們所擁有的力的種類、宇宙的組成方式、它擴張的方式等等，這些宇宙物理學的要素都是生命的誕生所必須的。這是霍金在20世紀90年代晚期感興趣的深刻謎題，即宇宙大爆炸宇宙學。
宇宙暴脹的想法是一個非常成功的模型，它解釋了很多觀測數據，但它依賴於非常特殊的初始條件，也就是宇宙從大爆炸中誕生的方式。沒有數學規則能夠精確地解釋為什麼一個親生物的宇宙會從這些熾熱的早期條件中誕生，那是一個精彩的謎題。霍金對此非常感興趣，他的想法是，如果我們了解宇宙的親生物本質，我們就能更好地理解宇宙大爆炸，我們也會更好地理解我們的存在如何適應宏觀宇宙結構。
傳統的物理學認為，我們將找到一個理論、一個模型，來解釋為什麼宇宙大爆炸是如此特殊，然後宇宙就這樣向前進化。而赫托格和霍金合作的20年中所發展的理論卻非常不同，它是自上而下的，它有一個回顧性的元素。它沒有提供一個關於為什麼宇宙是這樣的優先解釋，但它提供給你更多類似達爾文式的解釋，這意味著我們將環顧四周，從我們周圍的力和粒子出發，並在假設單一起源的前提下重構它的歷史。將書名確定為《時間起源》，是因為它是查爾斯·達爾文《物種起源》的變體，在某種程度上引入了這種隨機元素，放棄了以前的決定論解釋，允許演化的隨機性，後者在生物學中是人所熟知的。這種隨機性從何而來？本質上來說，是來自於量子力學。量子力學存在內稟的隨機元素，這是理所當然的。
赫托格總結表示，宇宙在早期演化中固有的這種隨機元素，強迫我們進入一個回顧性視角。我們可以用一種被霍金稱為自上而下的方式來看宇宙——這也是達爾文在生物學中所做的。達爾文尋找化石，並重建生命之樹。赫托格和霍金也在四處尋找以物理學定律的形式存在的「化石」，並在這個早期的階段重構出物理定律之樹如何誕生。
02
對「無邊界」理論的再解釋
對談中，邱濤濤表示，霍金提出的無邊界假說中說，在最一開始時，時間轉變成了空間，因此時間的維度被轉換為空間的維度，從而避免了奇點。這在赫托格和霍金看來，如果我們回到宇宙大爆炸的時候，這個非常早期的階段是宇宙的某種深度演化。
赫托格認同了邱濤濤的觀點，他表示，不同的物理規律逐漸融合、簡化，最終將徹底簡化，時間和空間之間的區別也會消失。而如果這種區別消失，那麼進化的概念、歷史的概念和因果關係的概念也會消失，某種意義上我們就終結了過去，這在廣義相對論中是不允許的。
廣義相對論是個經典引力理論，在其中時間和空間有著天然的差別。霍金在上世紀八十年代意識到，沒有時間維度和空間維度之間的區別的幾何形狀捕捉並包含了量子引力特性，這些特性在宇宙大爆炸時變得重要。
赫托格在書中提出理論的一個方面，是對「無邊界」理論的再解釋，即沒有時間和空間區別的想法，不是像霍金在上世紀八十年代在他的書中所說的那樣，將其解釋成一個創生，而是更像是我們回到過去時的一個終結。時間空間顛倒的想法，是一種非常視覺化的思考宇宙大爆炸的方式。
「霍金是怎麼想到的？他因為（生病）不能再手寫方程式，於是他開發了一種『視覺思維』，這催生了『無邊界』方案。」赫托格認為，《時間起源》一書的意義正在於霍金最初的想法是可以使用「無邊界」理論，基於超驗的物理定律來描述宇宙的創生。但是在《時間起源》中，新的解釋更像是將時間回溯，使物理學定律最終消失。因此，在某種程度上，這是一個更激進的無邊界思想的解釋，也就是在大爆炸開始時，一路到最開始。它不僅僅是時間起源，時間維度也隨之消失，它也是物理學的起源。
赫托格表示，這正是我們提出的所謂達爾文式思想的更深層次的癥結——不管怎樣演化，達爾文主義更深層次的思想是，在生物學中的所有法則或演化出的規律，沒有先驗的真理。這是非常新穎的，這與我們通常對物理學定律的看法非常不同。
03
對於宇宙而言誰是觀測者？
吳飆雖然從事的是凝聚態物理學研究，但他是一個理論物理學者，他所有關於宇宙學的知識都來自科普圖書。在吳飆看來，赫托格的《時間起源》中自上而下的宇宙學理論非常具有啟發性。但與此同時，他也有許多疑問：既然隨機性來自於量子力學，為這個宇宙提供這種達爾文式的演化，那麼，誰又是觀測者呢？按照量子力學的解釋，當有觀測者時，隨機性才會出現。在沒有觀測或測量的情況下，量子狀態只會么正演化。對於宇宙而言，在宇宙外面沒有任何觀察者。這種情況下，宇宙是如何變得隨機的呢？
赫托格表示，量子理論的隨機性確實是通過觀察行為展現出來的。在觀測電子之前，電子具有波函數，但它沒有確切的位置。只有在問它在哪裡的時候，才得出一個隨機的位置。這個理論也一樣。在這個理論中，對於一個量子宇宙來說，如果不考慮觀測行為，它不會有一個有形的、具體的早期歷史。但是我們認為在這個早期宇宙中沒有觀察者，但實際上存在觀察者。
量子理論中，觀測行為並不需要涉及到一個人類觀察者。事實上，即使一個單一的光子，也可以進行觀察行為。早期宇宙中主要是各種場之間的相互作用，以此進行一系列觀測。這個早期宇宙不斷地通過場與粒子的相互作用自我觀察，它通過各種相變，建造出一系列逐漸精細或多樣的力和粒子。
吳飆的另一個疑問和生物學演化有關，生物學演化有一個背景——地球，也就是環境，這支撐了生物學演化背後的基本物理和化學法則。通常而言，如果物理定律發生了演化，它必須是根據某些東西發生演化。那麼，我們在談論宇宙的演化或物理定律的演化時，還有其他的背景嗎？
對此，赫托格說，也許有一個更大的定律集，仍然支配著整個宇宙，如果使用生物學類比，也許有某種規律支配著所有可能行星上的所有可能的生命樹。在生物學中，也許存在這樣的事情，但這不是相關的。其他行星上可能會有生命，但這不會納入達爾文對這個星球上的生命的研究中。
為什麼這樣說呢？赫托格認為，這正是因為達爾文採取的是內部視角，從我們對生命樹的觀察入手，重構了樹形結構，「他不試圖提前預測它。但在物理學中，我們自打一開始就搜索不可變、固定、高於一切的定律作為先驗原則，猶豫了很長時間才採納達爾文的觀點。多元宇宙是一個例子，多元宇宙將受到支配整體、所有可能的宇宙的元定律的支配。而我們的宇宙只是某種本地事物。」
赫托格進一步表示，多元宇宙會導致悖論。當涉及到預測我們應該觀察到什麼時，它會導致歧義。因此這是赫托格和霍金理論的核心。他們試圖從宇宙中的觀察者的角度，從內而外重建宇宙學。而令人驚訝的是，其中最深刻的含義是我們面臨著一些對物理定律的進化觀點，使我們不得不放棄物理定律是最終基礎的想法。這雖然是一個假說，在某種程度上說，我們的理論與19世紀的達爾文是類似狀況——沒有多少化石，來證明測試或假說，「但這是一個解決與悖論相聯繫的歧義的假設。」
04
為什麼宇宙適宜人類存在？
赫托格指出，對科學界來說，這個自上而下的理論已經發展了20年，是一個演變的過程。《時間起源》中很重視對全息學等新思想的廣泛使用，這是讓量子理論和引力理論相結合的新方法，非常符合書中描繪的更廣泛的達爾文主義圖景。回歸到普通讀者的層面，這本書的角度略有不同，這種新的達爾文主義宇宙學視角可能更有趣，「我們思考生物學和其他物理定律的這種方式之間的聯繫，是對本體論的某種調整。在歐洲及其他西方世界，這顯然是非常新的，這與我們以前自牛頓時期起的談論物理的方式迥異。這也可能提供了一個有趣的歷史視角。」
與《時間簡史》相比，《時間起源》包含了更多的新思想。赫托格表示，寫這本書的根源在於，霍金自己改變了想法，而這是一個演變的過程。首先，霍金意識到多元宇宙的悖論是非常棘手的。然後，他意識到《時間簡史》中有些問題是需要修正的，但是修正它需要多年的時間。赫托格說，霍金在生命的最後階段，曾告訴自己， 「我們確實需要出一本新書」。因此，在霍金去世前不久，他請赫托格寫這本書，因為他已無法交流，「在這本書中，我試圖將讀者帶入我和霍金這20年的研究過程，我試圖寫成一個探案故事的形式，因為我們大部分時間都很困惑——科學就是這樣。」
那麼，為什麼宇宙適宜人類存在？
赫托格表示，愛因斯坦和早期霍金的第一個解釋，是存在一個萬物理論，它將解釋宇宙應該是什麼樣子的。有一些設計，它被編碼在宇宙的基本數學計劃中。但這種解釋並沒有奏效。
第二種解釋，就是多元宇宙理論。這在上世紀九十年代非常流行，直到現在在電影圈也很流行。在多元宇宙中，大爆炸只是眾多大爆炸之一。如果有很多宇宙，其中大部分想必都是無生命的，偶爾會找到一個好的，我們應該在那裡能發現我們自己。問題在於，多元宇宙理論不是一個可測試的理論，它不會產生明確的預測，以確定我們應該觀察到什麼。問題也不在於我們不能去另一個宇宙去驗證它——我們當然不可以，問題在於我們甚至無法明確預測我們在這個宇宙中應該觀察到什麼，因為該理論並沒有告訴我們人類在哪一個宇宙中。霍金是最早認識到多元宇宙中這種內在的模糊性指向一個根本性錯誤的宇宙學家之一。這也是他們發展量子宇宙學的開端。
而在《時間起源》中，二人提供了第三種解釋，這是一種基於進化的解釋，非常像達爾文，它說，「看！它本來可以變得不同」。物理定律、宇宙，可能本可以變得不具親生物性，但我們的理論是從觀察開始逆向工作，我們構建了進化這個隨機的變異元素，就像達爾文一樣。其他的歷史、其他的宇宙，並沒有進到這個預測宇宙的框架，就像另一個星球上的生命不會進入我們這個使用達爾文理論的地球一樣。赫托格認為，他們的解釋處於數學必然性的舊解釋與多元宇宙的完全隨機性之間。二者之間完美的分界線，即是這場設計本質上的進化論觀點。
05
多元宇宙迷失在量子的不確定中
我們的宇宙中，真的有外星人嗎？
面對這一疑問，赫托格表示，這一理論並不意味著多元宇宙完全消失了，而是其他宇宙在預測這個宇宙方式中不起關鍵作用。在舊的多元宇宙理論中，人們會以上帝的視角看待整個宇宙系綜，並問自己在哪裡？然後陷入迷潭。而在這種新的思考方式中，我們把自己放在波函數中，並向後重構一個具體的現實。
那麼，所有的宇宙在哪裡？不是消失了，而是迷失在這個波函數的不確定性中了。量子力學具有這種非常有趣的特性，它既是一個關於我們能夠知道什麼的理論，也是一個關於我們無法知道什麼的理論，原因就在於它的不確定性。赫托格意識到，我們談論宇宙大爆炸和多元宇宙的本質的時候，我們無法知道的部分正在脫穎而出，這一部分處在相對中間的位置，「我並不是說多元宇宙不存在，我想我是在說我們不能具體說明、也不能確定它的存在，這更像是一種不確定性的領域，而非某種實際存在、具有許多不同宇宙——比如你所在的，包含地球的那個宇宙大空間。我們討論的另一個問題是『是否有更本質的背景，是否應該接受存在某種有界性』，由於我們只是宇宙的一部分並且有相應的局限性，這是一個非常有趣的討論。」從這個角度而言，赫托格認為，多元宇宙不是消失了，而是迷失在了量子不確定性中。
《時間起源》和《時間簡史》最大的區別，就是《時間起源》中的宇宙學是一種自上而下的宇宙學，意味著我們應該從現有的觀察結果開始向回追溯到初始時間。在邱濤濤看來，這不僅僅是宇宙學中的觀點，還可以作為一種重要的哲學思想。
赫托格對此表示，比較傳統的生物學和物理學會發現科學框架是不同的。在生物學中，我們接受了進化的想法、衍生的想法，所有生物學定律（包括精神層面的），都是衍生出來的規律。而在物理學中，我們總是在尋找先驗的、不變的、超越性的、客觀的規律。對這兩者差別的討論就是《時間起源》的重要哲學含義。如果我們的假設是正確的，那就沒有這個差別，因為所有事物都是衍生的，甚至是物理學的基本層。這也是物理學中一個活躍的研究領域，和凝聚態物理學發展的一些方面有關，這就是所謂的全息學。
全息學是一種新的引力物理學研究方式，在這裡，時空、時間演化、引力是從量子信息的糾纏這一觀念衍生而來的。粗略地說，將來可能的趨勢是，我們將物理學從基於物質、力和時空的科學轉變為基於信息的科學。這種新的視角有其局限性，因為如果物理學最終是基於信息的，那麼如果你將其應用於宇宙學，而我們作為宇宙中的觀察者，信息本來就是有限的，所以由此產生的任何演化、任何規律，都會攜帶這種有限性，導致從全息學的角度來看大爆炸宇宙學的時候，當你回到過去時，你的比特數會耗盡、信息會耗盡，就好像物理學規律無法再帶你走得更遠，「這也是為什麼我認為在我們的新理論中，多元宇宙會迷失在不確定性中。當然，這些只是書中結尾部分的猜測，但我認為這是正在發生的圖景中的一小部分情況。哲學家們應該會有興趣給出答案。」
邱濤濤的研究有關於早期宇宙的宇宙學理論部分，他的研究和興趣之一是基於霍金的奇點理論的。邱濤濤表示，我們知道我們的宇宙具有初始奇點，因此，我們致力於構建一些反彈宇宙學的宇宙模型，以避免奇點的出現。
對早期宇宙進行測量或觀察非常困難，因為我們的觀測數據非常少。但是人們可以進行一些對現在宇宙的觀測，例如通過對超新星、大尺度結構以及一些其他觀測來測量早期宇宙，但這些觀測通常都是間接觀測。如果利用這個觀點，邱濤濤認為，會有另一種不是通過這種間接方式的觀察早期宇宙的方法，而是通過一些對偶性。如果早期時間和晚期時間之間存在某種對偶關係，那麼我們使用晚期觀測，我們可以利用這種對偶關係觀察到早期宇宙，而不是通過間接方法。
06
霍金是物理學中的探險家
「當他告訴我《時間簡史》錯了的時候，一開始我不明白他為什麼要這麼說。」
在與霍金共事的二十年中，因為霍金採用了一種非常特殊的交流方式，這導致了許多誤會的出現。赫托格舉例說，霍金有時會出錯，比如說如果他忘記說「不」，這會使得這個句子的意思完全不同，「在他犯錯時，我一下子就會感到困惑，但除了言語交流之外，它真的帶來了一種我們之間的親密感。」
為了理解霍金，赫托格不得不使用一種混合的方式，「即你說的話、你知道他在想什麼，以及你之前與他交流的方式、他的面部表情。我非常清楚我們人類在溝通時使用各種技巧。單詞只是其中的一部分，通常是占主導地位的部分，但和霍金交流時，單詞往往不是決定性的部分，其他所有部分更重要。因此，當我們逐漸發展我們的合作關係時，在某種意義上，我們變得非常親近。非常特別。」
適應這樣的交流方式是一個漸進的過程，赫托格說，一方面，自己逐漸適應了這樣的狀態，越來越了解他。但同時，霍金能夠通過他的電腦溝通的速度正在下降，這是逐漸發生的。在早期，20世紀90年代後期，霍金使用某種滑鼠在計算機螢幕上查找他想要的單詞，因此，早期他善於用文字向自己解釋很多事情。但從2005年、2006年開始，它（他的語言）變得非常緩慢，「幸運的是，我已經變得更了解他了，所以我們的交流可以繼續。最後，（溝通）變得非常困難。我必須非常非常專注，提取信息並使用各種技巧。當然，那時我基本上知道他會說什麼。」
赫托格在《時間起源》中將霍金稱為是自己所認識的最自由的人，赫托格對此解釋說，這種自由是心智上的自由，「（在他那兒）不存在什麼教義，沒有什麼問題你不能向史蒂芬提出的，比如說『物理學的規律同樣包含初始條件』這樣的想法。所以，他是物理學中的探險家。」
一個物理學家應該具備什麼素質呢？
面對這一問題，赫托格認為，一方面需要對所在領域最基本問題的深刻的直覺和感覺，另一方面還需要足夠廣泛的工具和技術來解決這些問題，「在我看來，這種工具和技術與直覺的火花相結合，才能在物理學中占據黃金位置，從而使物理學變得如此特別。」
吳飆的觀點是，不要害怕犯錯誤，「提出十個錯誤觀點，也比沒有想法要好得多。如果你想從事物理學研究，你不得不這樣做。別害怕犯錯。」從這個角度而言，赫托格認為，也許物理學幾乎是一種生活方式，「樂於提問，樂於探究為什麼，去質疑，我認為這是物理學最深層的快樂。」
而在邱濤濤看來，好奇心是必需的。沒有人願意去做他不感興趣的事情，也不會做得好。但只有興趣是不夠的，所以也要有意志力去繼續，「做物理學有一定難度，需要有非常強的意志力，以克服困難。如吳教授所說的，不要害怕犯錯，我認為這也非常重要。」
赫托格表示，在職業研究生涯，保持好奇心，持續受到自然和我們周圍的宇宙所刺激，這是無與倫比的樂趣，「很難想像有什麼比這更豐富、更激動人心的了。我們可以做自己喜歡的事情，享受這個過程，深入探索，然後時不時地發現一些真正新奇的、以前沒有想過的想法。發現某些東西的感覺是非常奇怪的，非常特別。當然，這永遠不是最終步驟。這在霍金身上總是發生的，一旦我們發現了一些東西，他就會立刻向前跳躍。就好像你的人生忽然變成了一本偵探小說。這真的非常有趣。」
本文經出版社授權刊發。整理：何安安；編輯：Lynn；校對：柳寶慶。未經新京報書面授權不得轉載，歡迎轉發至朋友圈。
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