2002年，當時的理論物理學研究生湯瑪斯·赫托格踏入劍橋大學史帝芬·霍金的辦公室，看到了導師眼中滿溢的情感。
霍金帶來的不僅是訊息，更是一次坦白——這位著名的物理學家告訴自己的學生，【時間簡史】中的預測有誤，書中描繪了一個不適宜生命存在的貧瘠宇宙，他希望赫托格能幫助他尋找新的理論。
於是，在霍金生命的最後16年間，這對搭檔，連同合作者詹姆士·哈特爾，共同開發了一套解釋我們宇宙起源的新理論。
【live science】有幸與如今比利時魯汶大學教授赫托格坐下來交談，討論他的新書【時間的起源】（Penguin Random House，2024年），以及他與霍金長達數十年的合作，還有他們工作最終產生的關於宇宙起源的驚人達爾文式視角。
以下是采訪內容。
賓·透納（以下簡稱BT）：當你遇到史帝芬·霍金時，他開始認為自己在【時間簡史】中提出的宇宙起源圖景存在缺陷，並希望探索新的理論。對於可能不了解的讀者來說，標準觀點認為我們的宇宙是如何開始的？
湯瑪斯·赫托格（以下簡稱TH）：當然，標準觀點認為有過某種形式的大霹靂——一種暴力而極其奇異的開端。挑戰在於確切描述大霹靂時究竟發生了什麽。霍金在【時間簡史】中的貢獻新穎之處何在？他的關鍵洞察是什麽？他在著名的「無邊界提議」中提出了一個關於真正起點的數學模型，其中大霹靂是一個真正的起源。
遺憾的是，霍金的模型並沒有產生宜居的宇宙，而是一個空曠的宇宙——沒有恒星，沒有星系，沒有生命。因此，正如你所說，到了90年代末，霍金意識到他的模型存在問題。
BT：一個流行的觀點認為，我們的宜居宇宙能夠形成是因為大霹靂導致了永恒的宇宙膨脹，產生了不同膨脹時空的口袋——即多元宇宙，而我們的宇宙只是其中一個物理定律恰好平衡到足以產生生命的口袋。為什麽這種想法不適合霍金？
TH：這些多元宇宙模型甚至在原則上都是不可證偽的。這並不是因為我們無法觀察早期宇宙並進行驗證；而是因為多元宇宙模型沒有對我們在本宇宙中應該看到什麽做出明確的預測。
湯瑪斯·赫托格
BT：那麽，你是如何與霍金相識並開始合作的？你在讀碩士時遇到了他。那是什麽感覺？那時他已經是個傳奇人物了。
TH：是的，他那時已經相當有名了。我遇見他是因為，嗯，我在比利時長大，而在90年代末，比利時並沒有宇宙學研究。史帝芬和他的同事們，比如馬丁·裏斯等人，在劍橋建立了一個宇宙學的聖地。所以我有一位教授告訴我：「看，如果你對宇宙學感興趣，就去劍橋吧。」
在劍橋，眾所周知，任何在碩士班名列前茅的人都會獲得與霍金交談的邀請，我也正是如此。於是，他收我為博士生。
但當然，真正的合作始於後來，當我們發現自己在關於大霹靂的更深層次問題上有著相同的科學波長和興趣。這一切自然而然地發生：你們發現自己對相同的問題有著相同的興趣，或許共享著某種直覺。作為理論物理學家，你們總是在彼此身上進行思想實驗，久而久之，就會形成共同的理解。
BT：過去的宇宙大霹靂理論將宇宙視為從一個「客觀」、上帝般的視角來觀察。你和霍金開始研究的理論則將這一視角轉變為更接近我們自身的——宇宙中某個觀察者的位置。這使你們以量子力學，乃至弦理論為起點。以這種方式開始研究教會了你們什麽？
宇宙大霹靂後膨脹的例證
TH：當你以全知全能的視角看待宇宙時，你會尋找整個宇宙之所以如此行為的先驗解釋——某種淩駕於整個宇宙之上的柏拉圖式的數學真理。
但當你采取你所謂的更人性化的視角，即宇宙內觀察者的視角時，情況就大不相同了。你將采取一種更歷史的視角。你不是在問「宇宙為什麽應該是這樣？」而是在問「這一切是如何發生的？」。
如果你使用量子力學回溯這段歷史直至大霹靂，這種歷史視角開始在物理定律本身的層面上發揮作用。而這當然是個驚喜。我們原以為物理定律是固定不變的，但如果你回溯時間，它們開始簡化。在某種意義上，它們甚至開始蒸發，包括結構本身。
這種結構，編碼在物理定律之中，開始消失，直到最終——這是我們假設的核心——甚至時間和空間的區別也變得模糊。我們宇宙演化的定律，即標準物理定律，自我封閉；它們不再存在。物理學自身消失了。
這是一個達爾文式的轉折。在生物學中，我們沿著生命樹回溯到生命的起源，生物學的定律也隨之消失。這是因為那些定律是生物前進演化的衍生內容。我們主張，物理定律也是更早時期演化過程的衍生內容。
BT：這聽起來對人們來說非常奇怪。在生物學中，選擇壓力促使生物定律前進演化。是什麽導致物理定律前進演化？
TH：量子力學中的觀測行為。你可能會問我，「等一下——誰在觀察？」因為顯然，在早期宇宙中，沒有人類觀察者。但我們都知道，量子力學中的觀測行為來自環境本身——它是粒子與力之間交互作用的結果。
甚至單個光子也可以在量子力學中執行觀測行為。它可以將一系列可能的歷史轉化為具體而實在的現實。
BT：根據你的理論，當我們將時間回溯至大霹靂，物理定律折疊於自身之上，時間本身失去了其特性——這賦予它一個起點。愛因史坦特別不喜歡這個概念。他為何反對？
TH：當愛因史坦和他的同時代人用經典決定性的方式回溯宇宙的演化時，他們使用的是愛因史坦自己的理論。他們遇到了所謂的奇異點（描述宇宙的方程式失效的地方）。時間的起源，大霹靂，似乎超出了科學範疇。
當史帝芬和我以量子力學的方式回溯宇宙的演化時，直到更早期階段之前，我們的圖景與愛因史坦的理論相吻合，但之後我們的圖景截然不同。在我們的影像中，物理定律從未真正崩潰；它們只是逐漸消失。我認為愛因史坦對此可以接受。
BT：你關於時間有起點的想法的關鍵在於，它是可觀測宇宙邊緣眾多量子粒子交互作用的衍生內容。宇宙就像一張向外擴充套件的光碟，而在這張光碟的邊緣是量子位元，它們承載著宇宙的所有資訊。這些粒子的互動像一束光一樣從宇宙最遠的邊緣向我們的宇宙投射時間——就像一個宇宙全像圖。你能再解釋一下全像原理嗎？
TH：因此，我們是從全像的角度閱讀宇宙的過去。全像屏是對我們現實的一種抽象表示，當我們從那個螢幕越退越遠時，它對應於回溯時間。影像變得更加粗粒化，你失去資訊，失去像素，而大霹靂則是你耗盡資訊的極限。世界的開始實質上是一個認識論的地平線，從全像的視角來看，科學無法再進一步追溯。
當然，這與我之前講述的故事非常契合——隨著我們到達物理學的起點，即大霹靂，物理定律、時間和空間都消失了。我們的全像實作使這一切完美結合。
這就是理論物理學的工作方式。回顧起來，你起初有很多直覺，然後將這些直覺塑造成一個一致的數學框架，最終允許你預測新的現象。目前的研究正朝著這個方向前進：我們如何測試這個模型？我們如何找到這一非常早期演化的化石？
宇宙和時間本身以全像圖形式出現
BT：這實際上是我的下一個問題。
TH：（笑）我擔心過這一點。
BT：那麽，我們可以去哪裏尋找？在宇宙微波背景（CMB）之前，宇宙是完全不透明的。我們如何穿透那片微波迷霧，看得更遠？
TH：宇宙微波背景為你提供了宇宙在大霹靂後38萬年的影像，那時它變得透明。但我談論的這個早期演化階段要早得多，所以你必須透過它去看。而你不能用光，即電磁波做到這一點。
但重力波能穿透一切，因此你可以希望看到更遠的過去。原則上，沒有限制——你可以一直回溯到大霹靂，揭示這一更深層的演化。
BT: 假設我們能夠做到。我們可能會看到什麽？
TH: 我們已經做出了假設。怎麽做的呢？好吧，我設想這個早期階段有點像一棵分枝、多樣化的物理定律之樹。每一個分枝實際上都是一種新力的誕生——一種力分裂成兩種，伴隨著新粒子和更多結構的出現。這些分支中有些相當激烈，伴隨著重力波的爆發，這些重力波不局限於一個地方，表現為類似宇宙微波背景的背景放射線。
這是整個宇宙在冷卻和膨脹時過渡到新狀態的過程，伴隨而來的是強烈的暴脹突增。
宇宙微波背景
BT: 你的理論描述了當宇宙密集且熾熱時物理定律快速演化的情景，那時粒子間的交互作用或「觀測」頻繁發生。但如果這些定律仍然具有前進演化的潛力，這對宇宙如何終結有何暗示嗎？
TH: 簡短的回答是，當然，我不知道。但如果你讓我做一些非常推測性的回答，我會說：如果物理定律在過去不是確定的、固定的和不變的，那麽自然會期待它們不會是永恒的。因此，盡管現在這種前進演化被抑制了（因為宇宙變冷了），但它並非無限期地被抑制。它並沒有消失。
BT: 你經常談到物理學中的直覺。你和霍金共享的直覺激發了這次合作，使你們即便在霍金慢慢喪失使用人工語音能力的情況下也能完成這個理論。你們是如何做到的？
TH: 這有點像婚姻生活，對吧？或者任何長期關系——你可以猜測對方的想法。到了後期，這種情況也發生在我們身上。在宇宙學及其基本問題上，我們發展出了一種親密感。在後期階段，我們發展出了一種非言語的溝通層次，我可以向史帝芬提出一些是非問題，並透過他的面部表情來解讀答案。
這種溝通方式的形成相當自然，但只有在90年代末和00年代初，我們有幾年的好時光，那時史帝芬可以透過他的語音合成器相當流利地說話，這才成為可能。他真的把我帶入了他對多元宇宙相關悖論的思考中。
BT: 你認為他超越問題並直觀理解的能力是否是他成為一名偉大物理學家的原因？
TH: 史帝芬的直覺基於15年來大量的計算工作。它並非憑空而來。它的根基在他職業生涯的早期階段。
當然，在80年代初期，當他失去了寫方程式的能力時，發生了一些天才般的事情。他有能力並且固執地重新訓練自己，以一種非常獨特的方式進行理論物理學研究。這種方式更多依賴直覺，比其他人更遠離方程式式，而且能夠在腦海中視覺化形狀和幾何。他的真正輝煌之處在於，利用這種新語言，他能夠得出某些發現，而這些發現用方程式式很難重現。
