霍金如何颠覆时间与因果关系

发布时间：2023-05-25 11:11:28 所属栏目：外闻来源：

导读：英国《新科学家》周刊网站3月20日刊登题为《斯蒂芬·霍金的最终定理颠覆时间和因果关系》的文章，作者是比利时鲁汶大学宇宙学家托马斯·赫托格。内容编译如下：

剑桥大学的学生都知道，谁在数学荣誉学

英国《新科学家》周刊网站3月20日刊登题为《斯蒂芬·霍金的最终定理颠覆时间和因果关系》的文章，作者是比利时鲁汶大学宇宙学家托马斯·赫托格。内容编译如下：

剑桥大学的学生都知道，谁在数学荣誉学位考试的最后一部分考出最好成绩，就会被邀请与斯蒂芬·霍金见面。我拿到了好成绩，名列榜首。果然，我应邀与他进行了讨论。

我来到他工作的地方,在他的应用数学和理论物理研究方向。这个系列坐落在河畔一幢维多利亚式的旧建筑里。霍金的办公室就在公共休息室附近，尽管那里比较吵闹，但他还是喜欢把自己的门半开着。我敲了敲门，停了一下，慢慢推开门。

思索这个问题将变成我们两人的长期追求。在接下来的20年里，直到去世前，他与我共同研究一些新的观点，这些观点表明了一种关于宇宙为什么是现在这样的全新认识。

在1998年6月的第一次见面中，我发现霍金坐在桌子后面，头靠在轮椅上的一个头枕上。办公室的窗户敞开着，我后来才知道，他总是喜欢把窗户开着，哪怕是在天寒地冻的时候。其中一块黑板上的方程式似乎可以追溯到上世纪80年代初。我心想这是否可能是他最后的手迹。

他通过语音合成器说：“宇宙看起来是经过设计的。”他继续说：“为什么宇宙是现在这样的？”以前，我的物理老师没有一个提过这样的问题。我试着说：“这不是一个哲学问题吗？”霍金回答说：“哲学已死。”

事实证明，宇宙的生物友好特性涉及物理学定律本身。这些物理定律中的众多不同寻常的特征可以使我们的宇宙完全不同寻常地适合生命存在。

当1998年我第一次走进霍金的办公室时，这一切都在他的脑海里萦绕。我能感觉到他并不热衷于多重宇宙论。没过多久，我与他进行合作，试图找到更好的答案——首先是作为他的博士研究生，后来是作为他的同事。

霍金对拥抱多重宇宙论所持的保留态度在本世纪初更加强烈。当时，人们明白多重宇宙论实际上没有解释任何问题。在多重宇宙论中，存在统管所有宇宙的“元定律”。但这些定律并没有具体说明我们应该居住在哪一个宜居的宇宙。这是一个问题，因为如果没有一个把多重宇宙定律与我们所处宇宙中的定律联系起来的规则，那么对多重宇宙的思考就会陷入悖论的漩涡，使我们无法进行可证实的预测。多重宇宙论就像一张没有个人身份识别码的借记卡，或者像一个没有说明书的组装衣柜：没用。

自20世纪20年代发现量子理论以来，观测者的关键作用已经得到认可。在观测到一个粒子的位置之前，甚至连它在哪里都没有意义。它没有确定的位置，只有波函数所描述的可能位置。当然，量子观测绝不仅限于人类的观测。量子观测可以由专门的探测器、环境甚至通过与单个光子的相互作用来进行。

霍金与我逐渐了解了宇宙早期发生的情况是一个类似于地球上自然选择的过程，变异与选择的相互作用在这种原初环境下发生。变异之所以发生，是因为随机的量子跳跃导致决定性行为和偶发性较大行为的频繁小规模漂移。选择之所以发挥作用，是因为由于量子观测，其中一些漂移——尤其是较大的漂移——可以被放大和冻结。这就产生了帮助影响随后演变的新规则。

这两种相互竞争的力量在宇宙大爆炸的熔炉中的相互作用产生了一个分化过程，某种程度上类似于数十亿年后生物物种是如何出现的。在这个过程中，维度、力量和粒子首先多样化，然后在宇宙膨胀和冷却时获得有效形式。

事后看来，某种意义上我们当时是在流沙上行走，我们的观点并没有相当扎实的数学基础。当我们开始寻找更坚实的基础时，从一个意想不到的角落得到了灵感。大约在那个时候，物理学领域的另一场革命正在兴起，这场革命与全息有关。事实证明这正是我们所需要的。

普通全息图对二维表面上一个三维物体的全部信息作了编码。从某种意义上说，当我们观测这个表面时，第三维就会出现。关于地心引力也可能有全息起源的初步迹象可以追溯到霍金和以色列物理学家雅各布·贝肯施泰因在20世纪70年代分别进行的研究。他们发现，对黑洞内部的所有认识都可以在它们的视件视界表面被加密。

接着，阿根廷物理学家胡安·马尔达塞纳在1997年更进了一步，他设想整个宇宙可能类似于一个全息图。他证明了位于一个表面的量子纠缠粒子系统内部可以包含一个更高维度、具有引力和弯曲时空的宇宙的所有信息。很快，全息成了理论物理学家津津乐道的话题。他们从中发现了最终让爱因斯坦的广义相对论与量子理论相容的有希望的途径。

起初，全息所生成的那种宇宙与我们所生活的膨胀宇宙没有任何相似之处。然而，从2011年左右开始，霍金与我发现了如何运用宇宙全息概念来描述一个膨胀的宇宙的最初阶段。事实证明，在这种宇宙论环境下，全息图突出的是时间维度。历史本身就是全息加密的。

更重要的是，时间以我们所设想的事后方式出现。根据全息宇宙论，过去取决于现在，而不是相反。在把宇宙当作全息图的研究方法中，去遥远的过去冒险意味着对宇宙全息图有一个模糊的印象。这就像把镜头拉远，在这种操作中我们丢弃了越来越多全息编码的纠缠信息。全息理论表明，在大爆炸中消失的不仅有时间，还有影响我们所处宇宙的物理学定律。这与过去柏拉图主义者认为自然定律在某种程度上不可改变的观点截然不同。霍金与我认为，重要的不是定律本身，而是定律的变化能力。

这当然是一个激进的观点，但这可能日后成为可检验的观点。一些与早期宇宙有关的观点可以通过破译宇宙微波背景辐射——在大爆炸后38万年时释放的辐射——来加以检验。但我们所设想的原初演化是在那之前展开的，这意味着它深藏在宇宙微波背景后面。我们现在所处的环境与19世纪的达尔文并无二致，不过他只有很少的化石证据支持他宏大的假说。

检验我们观点的一条完全不同的路径也与全息有关。量子实验者已经在尝试创建由被俘获原子或离子组成的深度纠缠的量子系统，这些系统对黑洞的一些特性进行全息编码。通过用这些系统进行实验，我们可以指望更多地了解何种纠缠模式支撑重力和时空结构。我们或许还能看清时间的起源是否以霍金与我所设想的特定方式发生。当然，这些研究都是基于理论的假设，并不一定适用于现实世界。

对宇宙论进行颠复是典型的霍金式行为。对于受多重宇宙悖论启发的霍金和我来说，这是一种了解宇宙和设计外形的方式。如果这一思维被证明是正确的，那么这可能是他最大的科学遗产。　

（编辑：汽车网）

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