史蒂芬·霍金（Stephen William Hawking，1942年1月8日—2018年3月14日，英国理论物理学家、宇宙学家及作家。 在思考宇宙的起源问题的时候，你的视角是什么？在科研机构的实验室里操作实验的时候，你的视角是什么？ 忽然这么问，好像是有些新鲜。想象我们这个宇宙，想象一个宇宙，或者，想象无穷个多元宇宙，在进行这样的思考的时候，我们应该认真审视我们的视角问题。这是史蒂芬·霍金晚年所意识到的问题。 霍金认为，实验室科学家对于他们的实验来说是在扮演一个“上帝”角色，但是，当我们思考的是宇宙起源时，我们显然不能把这个我们身在其中的宇宙像实验室里的所有仪器或条件一样“设定好”。在宇宙学中，上帝的视角是错误的。 换言之，霍金在他最广为人知的作品《时间简史》中的上帝视角，在晚年的他自己眼中，应该被抛弃。这也是霍金与宇宙暴胀理论的创始人之一安德烈·林德的争议所在。林德在宇宙暴胀理论的基础上提出了其多元宇宙理论，认为暴胀产生了不止一个宇宙，而是许多个宇宙，宇宙是一个巨大且不断膨胀的广阔区域，这一区域中有无数个不同的宇宙，它们远离彼此的视界，正如不断膨胀着的海洋中的一座座岛屿。 “我们进入了一条死胡同。我们需要一种新的（物理）哲学思想来为宇宙学服务。”霍金表示。基于此，霍金提出了他最后的理论，一种自上而下的宇宙学，在霍金的量子宇宙观中，观测者居于核心地位。这是他生前的最后一篇论文的内容，也是其合作者、弟子托马斯·赫托格新书《时间起源》所阐释的主题。
托马斯·赫托格 ｜ 撰文
邱涛涛 ｜ 翻译
这时（2002年8月），DAMTP （剑桥大学应用数学与理论物理系）已经搬离剑桥市中心，成为一个现代化的数学科学园区的一部分，该园区新建于市西郊的圣约翰学院操场后面。史蒂芬·霍金宽敞、光线充足的角落办公室可以俯瞰校园，里面塞满了家居装饰，还经常换来换去，这与我们第一次见面时在银街的那个尘土飞扬、昏暗无光的办公室有着天壤之别。当我冲进去看他时，他的眼睛里充满了兴奋，我大概知道为什么。
史蒂芬·霍金和本书作者赫托格在剑桥大学数学科学新校区，史蒂芬的办公室里。图源：中信出版集团
史蒂芬跳过了他习惯性的寒暄，直奔正题，打字也比平时快了一两个档次。
“在《时间简史》中，你以上帝的视角看待宇宙，”我解释道， “就好像我们在从宇宙的外部观测宇宙或其波函数。”史蒂芬扬了扬眉毛，用他的方式告诉我，我们是在同一个频段上。“牛顿和爱因斯坦也是这么做的。”他说道，似乎是在为自己辩护。他继续说道：“上帝视角适用于实验室实验，如粒子散射，在这种情况下，人们制备好初始状态，然后测量最终状态。然而，我们不知道宇宙的初始状态是什么，我们当然也就不能尝试制备出不同的初始状态，去看它们产生了什么样的宇宙。”我们都知道，实验室的设计就是为了从外部角度研究系统的行为。实验室科学家会一丝不苟地让他们的实验与外界保持完全隔离。（CERN 的实验粒子物理学家更是应该远离他们的高能碰撞以确保安全！）正统的物理学理论反映了这种分离，它把自然规律所支配的动力学行为和代表着实验安排和系统初始状态的边界条件在概念上明确地切割开来。前者我们设法发现和检验，而后者我们则努力控制。定律和边界条件之间的这种泾渭分明使实验室科学可以进行严谨的预言，但也限制了其适用范围，因为我们很难将整个宇宙打包塞进一个实验室。我预料到了史蒂芬的想法，于是果断回应道：“在宇宙学中，上帝的视角显然是错误的。我们是身在宇宙之中，而不是在宇宙之外。”“由于没有认识到这一点，”他敲着字，“我们进入了一条死胡同。我们需要一种新的（物理）哲学思想来为宇宙学服务。” 他点了点头，抬起眉毛。他暂时将对哲学的怀疑抛开了。我们已经明白，林德与霍金之争不仅仅是一种宇宙学理论与另一种宇宙学理论之间的争论。这场多元宇宙之争所围绕的是一些关乎物理学理论更深层次的认识论本质的核心问题。我们与我们的物理学理论之间有怎样的联系？关于存在这个大哉之问，物理学和宇宙学的非凡发现又到底告诉了我们什么？自从现代科学革命以来，物理学一直在蓬勃发展，它得益于一种类似上帝的宇宙观——这并不是说它真的像一个造物主，至少不完全是——而是从理论的角度来说的。哥白尼在挑战古人的地心世界观时，想象自己是从恒星间的一个有利位置去俯瞰地球和太阳系。他假设行星是在圆形轨道上运动，这说明他的日心模型并不准确，但当时的天文观测也不准确。2然而，在构想地球和行星的时候，哥白尼让自己的视角凌驾于它们之上，并由此开创了一种革命性的新思维方式来思考宇宙和我们在其中的位置。他发现我们可以从一个遥远的视角（可以被称为物理学和天文学中的阿基米德点）来看待研究对象，以促进客观的理解。尽管这一想法启发的新科学花了几个世纪才发展完善并改变了世界，但哥白尼革命只花了几十年时间就开辟了一个全新的观念，在这个观念中，人类不再是宇宙的焦点。莫里茨·科内利斯·埃舍尔的《眼睛》。它提醒我们，人类具有有限性。我们是身处宇宙中，抬头向外看，而非以某种方式在宇宙外部徘徊。今天我们知道，哥白尼的著作只是人类对阿基米德点不懈追求的开始。几个世纪以来，哥白尼的视角在物理学语言中变得越来越根深蒂固。在今天的物理学中，无论我们研究什么，是加速粒子、合成新元素还是捕捉微弱的CMB光子，在推理的时候，我们总是想象自己是在自然之外的一个抽象点上来处理自然——你如果愿意的话，可以称这个点为“天外之眼”。物理学家并非真正身处“天外”，他们仍然在地球上，受地球条件制约，但他们已经设计出了更加巧妙的方法来处理和思考关于宇宙的问题，使得我们似乎可以客观地看待宇宙。朝着这一追求迈出的最大一步，莫过于牛顿发现的运动定律和引力定律。牛顿明白，数学世界和物理世界之间的关系自柏拉图以来就一直困扰着科学家，这一关系涉及动力学和演化，而并非永恒的形状和形式。他的定律的成功和普适性强化了这样一个观点，即科学正在发现关于世界的真正的客观知识。牛顿试图在他的工作中落实“天外之眼”，他想象出了一个固定空间所形成的舞台，由遥远的恒星所标识，所有的运动都以这个固定舞台为参照。他认为这是一个不变化也不运动的绝对空间。他的引力定律和三大运动定律决定了物体在舞台上如何运动，但绝对空间本身是永远无法改变的。在牛顿物理学中，绝对空间和绝对时间就像坚如磐石的脚手架，是上帝赋予的固定而永恒的竞技场，一切都在其中上演。然而，牛顿的绝对背景并不像他希望的那样，能作为一个客观的参考点。他的定律的简单数学形式只适用于这个宇宙舞台上一部分享有特权的演员，他们不用相对于绝对空间旋转或加速。比方说，假设你是一座正在旋转的宇宙飞船里的一名“不享有特权的宇航员”。如果你往窗外看，你会看到远方的恒星也在旋转，并且与你的宇宙飞船旋转的方向相反，哪怕没有任何力作用在它们身上。这违反了牛顿第一运动定律，即物体在没有力的作用下保持静止或匀速直线运动。因此，牛顿优雅的定律只适用于处在绝对空间中的特殊观测者，对他们来说，运动定律在某种程度上看起来比其他人要更简单。这就足以让爱因斯坦对牛顿定律感到不满了。我们所描述的自然竟会使某些演员享有特权，让世界对他们来说更简单，仅仅是因为他们的运动方式，这对他来说太讨厌了。对爱因斯坦来说，这是前哥白尼时代世界观的遗迹，这种世界观亟待废除。他说到做到。爱因斯坦用一个新的、互相关联的动态时空概念取代了牛顿的绝对空间和时间，他的天才之处在于他找到了一种物理定律的数学表述，使所有观测者眼中的方程形式都是同样的。广义相对论方程对每个人来说都是一样的，无论你身在何处，无论你以何种方式运动。为了解释对于任何一名给定的观测者来说，他的观测结果如何依赖于他们的位置和运动，该理论还配备了一套变换规则，将不同观测者感知到的现象相互联系起来。这些规则允许任何人从这个普适的方程中提取自然的“客观内核”，至少在经典引力范围内可以。相对论实现了爱因斯坦的梦想，即任何人都不应该拥有特权。对爱因斯坦来说，现实的真正客观的根源并不存在于特权观测者的特定视角中，而是存在于支撑自然的抽象数学体系中。他使物理学对阿基米德点的探索超越了空间和时间，进入了数学关系这一超凡的领域。这一愿景巩固了科学界的这样一个观点，即具有超越物理宇宙的现实性的根本定律是存在的，它们提供了真实的、符合因果性的解释。诺贝尔奖获得者谢尔登·格拉肖也许是持这一立场的地位最高的发言人，正如他在 1992 年所说：“我们相信世界是可知的。我们确信，存在永恒的、客观的、超越历史的、社会中立的、置身于世外的、放之四海而皆准的真理。”多元宇宙学不顾重重阻力，坚持认为物理学最终建立在牢固、永恒的基础上。从某种意义上说，多元宇宙理论把阿基米德点移得更远，它比阿基米德、哥白尼甚至爱因斯坦都要大胆得多。多元宇宙学设想具有某种先验存在的多宇宙元法则，并由此再次重申了这样一个范式，即把物理现象的构造空间嵌入固定背景结构之中，而我们可以从上帝的视角来理解并处理。这又回到了牛顿的观点。虽然在实验室这样一个可控环境中，物理定律的本体论地位几乎无关紧要，但当我们思考它们更深层次的起源时，问题就会暴露在我们面前，更不用说要研究它们的亲生物特性了。我已在前一章中叙述了，当人们冒险进入这些更深层次的谜团时，多元宇宙理论是如何陷入自我毁灭的旋涡的。这让我们怀疑，整个大厦或许并没有建立在坚实的基础上。宇宙学中的哥白尼钟摆是否过于偏向绝对客观性这一边了？事实上，哥白尼和与他同时代的杰出人物的科学发现所带来的困惑，并没有逃过早期现代哲学家的眼睛。我们这些注定要生活在地球环境中的人类，怎样才能客观地看待我们所处的世界呢？哲学家对现代科学时代黎明的第一反应不是胜利的狂喜，而是深刻的怀疑，这始于笛卡儿“怀疑一切”的理念，该理念质疑真理或现实这样的东西是否存在，产生了深远的影响。Ignoramus（即“我们不知道”）这一伟大的见解引发了科学革命，也打击了人类对世界的信心。20 世纪最著名的思想家之一汉娜·阿伦特就曾在其著作《人的境况》中一针见血地阐述了这一令人不安、喜忧参半的处境：“伽利略的伟大进步证明，人类的思考既会带给我们最糟糕的恐惧，即我们的感官可能背叛我们，也会带给我们最大胆的希望——希望宇宙外部有个阿基米德点，我们可以通过它来解锁普世知识。二者只会同时变成现实。”对于科学革命，笛卡儿的回应是将阿基米德点向内移动，移动到人类自身，并选择人类的思想作为最终的参考点。现代的黎明使人们开始重新审视自身，从“我怀疑故我在”，到“我思故我在”。因此，科学革命产生了一种矛盾的情况，即人类转向自身内部，而人类的望远镜以及随之而来的所有实验和抽象，则向外部扩展，延伸至宇宙深处的数百万乃至数十亿光年。5 个世纪过去了，这两种方向相反的趋势的结合让人类感到迷惑不解、不知所措。在某种层面上，现代科学和宇宙学揭露了一个非常奇妙的关系网，它将宇宙的本质和我们在宇宙中的存在相互联系起来。从几代恒星中的碳聚变，到原始宇宙中星系的量子种子，我们对宇宙的现代理解揭示了这样一个奇妙的综合体。然而，在更基本的层面，即史蒂芬试图揭示的层面上，这些发现让人类对自己在大宇宙方案中的地位变得非常没有把握。现代科学在我们对自然运作的理解和我们人类的目标之间造成了一道裂痕，这破坏了我们对这个世界的归属感。史蒂文·温伯格是一位狂热的还原论者，也是极具天赋的阿基米德式的思想家，他在《最初三分钟》一书的结尾处表达了这种焦虑，他在书中写道：我不禁感到，温伯格在这里所表达的情感源于他对物理学法则的柏拉图式理解。在这样一种科学本体论中，我们与物理学和宇宙学最基本的理论是不搭界的。因此科学允许我们发现的宇宙看似毫无意义，从而使其亲生命的特性变得十分神秘且令人困惑，这也就不奇怪了。那么，如果我们不采用上帝视角来看待这个世界，那又将如何呢？如果我们放弃了天外之眼，而是把自己也和其他一切东西一道拉入我们想要理解的系统中，会怎么样？在真正完整的宇宙学理论中，不应该分出一个“宇宙的其余部分”来指定边界条件，或维持一个绝对的形而上学背景。宇宙学是一门由内向外的实验室科学——我们是在系统内部，抬头向外看。
本文内容摘自中信出版集团出版图书《时间起源》第6章“没有问题，就没有历史”。《赛先生》经出版社授权发布，发布时有删减。封面图来自Flickr。《时间起源》
【比】托马斯·赫托格 著
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霍金在生前发表的最后一篇论文中提出了自上而下的新宇宙学，颠覆了他在《时间简史》中提出的关于时间起源的观点，本书作者托马斯·赫托格正是这篇论文的合著者。在这篇刊登在《高能物理学杂志》上的文章中，他们认为多元宇宙并没有那么多，宇宙的演化在整体上是平滑而有限的。霍金在他非凡的一生中试图回答，宇宙是如何创造出如此完美且适宜生命生存的环境的？为了解开这个谜团，霍金研究了宇宙的大爆炸起源，但他的早期工作遇到了危机，因为他的数学预测结果显示，在可能产生的所有宇宙中，占最大比例的宇宙种类是无法孕育出生命的。霍金和托马斯·赫托格对这个问题研究了20年，终于在霍金生命的最后阶段，他们发展出了一种新的可以解释生命的起源的宇宙理论。他们凝视着宇宙全息图，探寻其中的量子力学秘密，惊讶地发现了一个更深层次的进化，在这个进化中，物理定律变得更简单，粒子、力甚至时间本身都消失了。这一发现使他们产生了一个革命性的想法：物理定律并不是一成不变的，而是随着它们所统治的宇宙的形成而诞生和共同进化的。该理论针对宇宙的起源提出了一种激进的新达尔文主义观点。《时间起源》对宇宙的诞生提供了一个惊人的新视角，它将深刻地改变我们对自己在宇宙秩序中的位置的看法，是霍金留给人们的最伟大的理论遗产。作者简介：
托马斯·赫托格（Thomas Hertog），世界著名宇宙学家，比利时鲁汶大学教授、引力波中心主任，与霍金是多年的合作伙伴。他在比利时的团队主要致力于在弦论的基础上研究引力波和黑洞的物理本质。2014年获得欧洲研究理事会独立科研基金。2015年获得佛兰德科学研究基金资助。他和霍金联合发表了霍金生前最后一篇关于多元宇宙的论文，本书也是在此基础上写作而成，代表了霍金科研生涯最后的成果。
