2002年，当时的理论物理学研究生托马斯·赫托格踏入剑桥大学斯蒂芬·霍金的办公室，看到了导师眼中满溢的情感。
霍金带来的不仅是消息，更是一次坦白——这位著名的物理学家告诉自己的学生，【时间简史】中的预测有误，书中描绘了一个不适宜生命存在的贫瘠宇宙，他希望赫托格能帮助他寻找新的理论。
于是，在霍金生命的最后16年间，这对搭档，连同合作者詹姆斯·哈特尔，共同开发了一套解释我们宇宙起源的新理论。
【live science】有幸与如今比利时鲁汶大学教授赫托格坐下来交谈，讨论他的新书【时间的起源】（Penguin Random House，2024年），以及他与霍金长达数十年的合作，还有他们工作最终产生的关于宇宙起源的惊人达尔文式视角。
以下是采访内容。
本·特纳（以下简称BT）：当你遇到斯蒂芬·霍金时，他开始认为自己在【时间简史】中提出的宇宙起源图景存在缺陷，并希望探索新的理论。对于可能不了解的读者来说，标准观点认为我们的宇宙是如何开始的？
托马斯·赫托格（以下简称TH）：当然，标准观点认为有过某种形式的大爆炸——一种暴力而极其奇异的开端。挑战在于确切描述大爆炸时究竟发生了什么。霍金在【时间简史】中的贡献新颖之处何在？他的关键洞察是什么？他在著名的「无边界提议」中提出了一个关于真正起点的数学模型，其中大爆炸是一个真正的起源。
遗憾的是，霍金的模型并没有产生宜居的宇宙，而是一个空旷的宇宙——没有恒星，没有星系，没有生命。因此，正如你所说，到了90年代末，霍金意识到他的模型存在问题。
BT：一个流行的观点认为，我们的宜居宇宙能够形成是因为大爆炸导致了永恒的宇宙膨胀，产生了不同膨胀时空的口袋——即多元宇宙，而我们的宇宙只是其中一个物理定律恰好平衡到足以产生生命的口袋。为什么这种想法不适合霍金？
TH：这些多元宇宙模型甚至在原则上都是不可证伪的。这并不是因为我们无法观察早期宇宙并进行验证；而是因为多元宇宙模型没有对我们在本宇宙中应该看到什么做出明确的预测。
托马斯·赫托格
BT：那么，你是如何与霍金相识并开始合作的？你在读硕士时遇到了他。那是什么感觉？那时他已经是个传奇人物了。
TH：是的，他那时已经相当有名了。我遇见他是因为，嗯，我在比利时长大，而在90年代末，比利时并没有宇宙学研究。斯蒂芬和他的同事们，比如马丁·里斯等人，在剑桥建立了一个宇宙学的圣地。所以我有一位教授告诉我：「看，如果你对宇宙学感兴趣，就去剑桥吧。」
在剑桥，众所周知，任何在硕士班名列前茅的人都会获得与霍金交谈的邀请，我也正是如此。于是，他收我为博士生。
但当然，真正的合作始于后来，当我们发现自己在关于大爆炸的更深层次问题上有着相同的科学波长和兴趣。这一切自然而然地发生：你们发现自己对相同的问题有着相同的兴趣，或许共享着某种直觉。作为理论物理学家，你们总是在彼此身上进行思想实验，久而久之，就会形成共同的理解。
BT：过去的宇宙大爆炸理论将宇宙视为从一个「客观」、上帝般的视角来观察。你和霍金开始研究的理论则将这一视角转变为更接近我们自身的——宇宙中某个观察者的位置。这使你们以量子力学，乃至弦理论为起点。以这种方式开始研究教会了你们什么？
宇宙大爆炸后膨胀的例证
TH：当你以全知全能的视角看待宇宙时，你会寻找整个宇宙之所以如此行为的先验解释——某种凌驾于整个宇宙之上的柏拉图式的数学真理。
但当你采取你所谓的更人性化的视角，即宇宙内观察者的视角时，情况就大不相同了。你将采取一种更历史的视角。你不是在问「宇宙为什么应该是这样？」而是在问「这一切是如何发生的？」。
如果你使用量子力学回溯这段历史直至大爆炸，这种历史视角开始在物理定律本身的层面上发挥作用。而这当然是个惊喜。我们原以为物理定律是固定不变的，但如果你回溯时间，它们开始简化。在某种意义上，它们甚至开始蒸发，包括结构本身。
这种结构，编码在物理定律之中，开始消失，直到最终——这是我们假设的核心——甚至时间和空间的区别也变得模糊。我们宇宙演化的定律，即标准物理定律，自我封闭；它们不再存在。物理学自身消失了。
这是一个达尔文式的转折。在生物学中，我们沿着生命树回溯到生命的起源，生物学的定律也随之消失。这是因为那些定律是生物进化的衍生属性。我们主张，物理定律也是更早时期演化过程的衍生属性。
BT：这听起来对人们来说非常奇怪。在生物学中，选择压力促使生物定律进化。是什么导致物理定律进化？
TH：量子力学中的观测行为。你可能会问我，「等一下——谁在观察？」因为显然，在早期宇宙中，没有人类观察者。但我们都知道，量子力学中的观测行为来自环境本身——它是粒子与力之间相互作用的结果。
甚至单个光子也可以在量子力学中执行观测行为。它可以将一系列可能的历史转化为具体而实在的现实。
BT：根据你的理论，当我们将时间回溯至大爆炸，物理定律折叠于自身之上，时间本身失去了其特性——这赋予它一个起点。爱因斯坦特别不喜欢这个概念。他为何反对？
TH：当爱因斯坦和他的同时代人用经典决定性的方式回溯宇宙的演化时，他们使用的是爱因斯坦自己的理论。他们遇到了所谓的奇点（描述宇宙的方程失效的地方）。时间的起源，大爆炸，似乎超出了科学范畴。
当斯蒂芬和我以量子力学的方式回溯宇宙的演化时，直到更早期阶段之前，我们的图景与爱因斯坦的理论相吻合，但之后我们的图景截然不同。在我们的图像中，物理定律从未真正崩溃；它们只是逐渐消失。我认为爱因斯坦对此可以接受。
BT：你关于时间有起点的想法的关键在于，它是可观测宇宙边缘众多量子粒子相互作用的衍生属性。宇宙就像一张向外扩展的光盘，而在这张光盘的边缘是量子比特，它们承载着宇宙的所有信息。这些粒子的互动像一束光一样从宇宙最远的边缘向我们的宇宙投射时间——就像一个宇宙全息图。你能再解释一下全息原理吗？
TH：因此，我们是从全息的角度阅读宇宙的过去。全息屏是对我们现实的一种抽象表示，当我们从那个屏幕越退越远时，它对应于回溯时间。图像变得更加粗粒化，你失去信息，失去像素，而大爆炸则是你耗尽信息的极限。世界的开始实质上是一个认识论的地平线，从全息的视角来看，科学无法再进一步追溯。
当然，这与我之前讲述的故事非常契合——随着我们到达物理学的起点，即大爆炸，物理定律、时间和空间都消失了。我们的全息实现使这一切完美结合。
这就是理论物理学的工作方式。回顾起来，你起初有很多直觉，然后将这些直觉塑造成一个一致的数学框架，最终允许你预测新的现象。目前的研究正朝着这个方向前进：我们如何测试这个模型？我们如何找到这一非常早期演化的化石？
宇宙和时间本身以全息图形式出现
BT：这实际上是我的下一个问题。
TH：（笑）我担心过这一点。
BT：那么，我们可以去哪里寻找？在宇宙微波背景（CMB）之前，宇宙是完全不透明的。我们如何穿透那片微波迷雾，看得更远？
TH：宇宙微波背景为你提供了宇宙在大爆炸后38万年的图像，那时它变得透明。但我谈论的这个早期演化阶段要早得多，所以你必须透过它去看。而你不能用光，即电磁波做到这一点。
但引力波能穿透一切，因此你可以希望看到更远的过去。原则上，没有限制——你可以一直回溯到大爆炸，揭示这一更深层的演化。
BT: 假设我们能够做到。我们可能会看到什么？
TH: 我们已经做出了假设。怎么做的呢？好吧，我设想这个早期阶段有点像一棵分枝、多样化的物理定律之树。每一个分枝实际上都是一种新力的诞生——一种力分裂成两种，伴随着新粒子和更多结构的出现。这些分支中有些相当激烈，伴随着引力波的爆发，这些引力波不局限于一个地方，表现为类似宇宙微波背景的背景辐射。
这是整个宇宙在冷却和膨胀时过渡到新状态的过程，伴随而来的是强烈的暴胀突增。
宇宙微波背景
BT: 你的理论描述了当宇宙密集且炽热时物理定律快速演化的情景，那时粒子间的相互作用或「观测」频繁发生。但如果这些定律仍然具有进化的潜力，这对宇宙如何终结有何暗示吗？
TH: 简短的回答是，当然，我不知道。但如果你让我做一些非常推测性的回答，我会说：如果物理定律在过去不是确定的、固定的和不变的，那么自然会期待它们不会是永恒的。因此，尽管现在这种进化被抑制了（因为宇宙变冷了），但它并非无限期地被抑制。它并没有消失。
BT: 你经常谈到物理学中的直觉。你和霍金共享的直觉激发了这次合作，使你们即便在霍金慢慢丧失使用人工语音能力的情况下也能完成这个理论。你们是如何做到的？
TH: 这有点像婚姻生活，对吧？或者任何长期关系——你可以猜测对方的想法。到了后期，这种情况也发生在我们身上。在宇宙学及其基本问题上，我们发展出了一种亲密感。在后期阶段，我们发展出了一种非言语的沟通层次，我可以向斯蒂芬提出一些是非问题，并通过他的面部表情来解读答案。
这种沟通方式的形成相当自然，但只有在90年代末和00年代初，我们有几年的好时光，那时斯蒂芬可以通过他的语音合成器相当流利地说话，这才成为可能。他真的把我带入了他对多元宇宙相关悖论的思考中。
BT: 你认为他超越问题并直观理解的能力是否是他成为一名伟大物理学家的原因？
TH: 斯蒂芬的直觉基于15年来大量的计算工作。它并非凭空而来。它的根基在他职业生涯的早期阶段。
当然，在80年代初期，当他失去了写方程的能力时，发生了一些天才般的事情。他有能力并且固执地重新训练自己，以一种非常独特的方式进行理论物理学研究。这种方式更多依赖直觉，比其他人更远离方程式，而且能够在脑海中视觉化形状和几何。他的真正辉煌之处在于，利用这种新语言，他能够得出某些发现，而这些发现用方程式很难重现。
