推翻《时间简史》，霍金最后20年的思考和探索

撰文丨吴飙（北京大学物理学院教授）

宇宙似乎是为了生命的存在而精心设计的。原子核内的强相互作用若与实际情况有很小的偏差，恒星内部的核聚变将难以产生碳，而碳是生命的基础；另外，空间正好是对生命非常友好的三维；各种物理参数的大小也是恰到好处。“为什么宇宙是这个样子的？” 1998 年 6 月中旬，托马斯·赫托格受邀第一次来到霍金的办公室时，霍金向他提出了这个问题。自此，赫托格开始与霍金共同研究量子宇宙论，探寻时间之源。

可以试着提一个小一点儿的问题：为什么地球上有生命？通过和太阳系中其他行星的比较，我们发现地球正好处于一个恰当的位置，其质量大小也正合适。通过和银河系中其他恒星比较，我们发现太阳的大小也正好合适。这一切似乎是有人为了生物的存在精心设计的。很多人确实是这样认为的：一个超自然的主宰精心设计了太阳的质量、地球的质量以及它们之间的相对距离以保证地球有生命。但科学现在已经给出了更合理的解释：宇宙中有很多个恒星（保守估计大约 10²² 个），这些恒星和它们的行星各不相同，其中有适合生命的行星存在是非常合理的。事实上，现代天文观测已经在太阳系之外发现了很多适合生命居住的行星。

如果有很多个不同的宇宙存在，那么其中有少数几个适合生物生存的宇宙就不足为奇了。这就是多元宇宙论。霍金对多元宇宙论并不满意，这不难理解。我们知道恒星是由星际尘埃在引力的作用下聚集形成的。尘埃的分布是不均匀的，于是形成了大小不同的恒星以及它们的行星。而相对于恒星与行星的形成，我们对宇宙的了解则非常有限。根据暴胀理论和多世界理论，多元宇宙是可能的，但是我们并不知道多元宇宙中的宇宙是如何形成的，为什么不同的宇宙会有不同的基本相互作用。如果想彻底回答这些问题，我们必 须知道如何描述大爆炸发生那一刻的一切。关于大爆炸以后发生的事情，我们已经大致了解，但是对于大爆炸本身，我们迄今一无所知。霍金的目标是建立关于大爆炸的量子理论，告诉我们时间之前发生了什么，以及为什么我们的宇宙对生物这么友好。

1998年的那次会面之后，托马斯和霍金开始了一段共同探寻宇宙和时间之源的旅程。他们的探索持续了大约 20  年，直到霍金于 2018 年去世。托马斯探望了临终前的霍金，进行了最后一次交谈。霍金（通过电子器件）费力地说道：“是时候写一本新书了……”于是就有了这本《时间起源》，它记录了霍金在他人生最后 20 年对宇宙和时间的思考和探索。

托马斯的书生动地记录了霍金的思考和探索，同时作为背景资料也描述了现代宇宙学的发展，特别是详细介绍了勒梅特对大爆炸理论的贡献。托马斯在书中深入浅出地介绍了与宇宙学相关的物理和数学知识，比如量子干涉、量子测量、多世界理论和超弦理论。他的写作风格通俗易懂，经常使用类比的方法以及图表来更加清晰地解释复杂和微妙的概念。书中穿插的霍金的小故事，让读者在了解厚重的宇宙学过程中得以小憩。

现在有很多关于统一引力和量子力学的理论，但是我们不知道哪一个是对的。甚至所有现存的量子引力理论都可能是错的，包括得到霍金支持的超弦理论。这是因为我们还没有足够的实验数据来验证这些理论。正因为这个原因，我们现在不可能准确地描述宇宙最初的大爆炸，也无从知道时间是如何从中涌现出来的，适合生物进化的物理规律是如何形成的。然而，这并不意味着我们应该放弃探索。我们应该继续努力，寻找真理。霍金就是这样做的。他知道自己可能不会找到答案，但他仍然坚定地走上了探索之路。他认为“哲学已死”，和时间之源相关的问题都是科学问题，不是哲学问题。科学家应该勇敢地去思考和探索。霍金在自己生命的最后阶段正是这样做的，他的精神、勇气和智慧将永远被人铭记。他是一个真正的榜样，他将激励着一代又一代的科学家继续前行。

霍金认为，宇宙的起点是没有时间的。无论将来量子引力理论的具体形式如何，这结论可能都是对的。在物理学中，已经有类似的现象。宏观物质都有体积，但是组成宏观物质的基本粒子，比如电子、夸克，都没有体积。宏观物质的体积来自原子中电子的波函数，电子的一个量子状态。中国古人曾说：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”根据现代科学，这是不对的。每日取一半，大概一个月后就只剩分子了；继续下去，剩下的将是原子，棰已经不再存在，体积也消失了。宇宙的寿命大约是 10¹⁸ 秒，如果宇宙突然开始坍缩，每日年轻一半，那么大约 210 天之后，宇宙将回到大爆炸后的 10^–44 秒，即普朗克时间。这时候时间已经不存在了，剩下的只是宇宙最初的某种量子状态，就像体积源自电子的量子状态一样。按照多元宇宙理论，不同宇宙的普朗克时间可能还不一样，所以 10^–44 秒可能还不是最小的时间。关于宇宙还有太多的问题没有回答，我们将继续霍金的探索。

托马斯·赫托格的《时间起源》是一部关于宇宙和时间的科普书，记录了霍金在人生最后阶段对这些问题的思考和探索。作者用通俗易懂的语言介绍了与宇宙学相关的各个科学领域，包括量子力学、黑洞、弦理论等，带领读者踏上了一段有趣的科学旅程。对于任何有兴趣思考和探索时间和宇宙的人来说，《时间起源》都是一本非常好的读物。它不仅能让读者了解宇宙的奥秘，还能激发读者对科学的兴趣和热情。