霍金心目中的宇宙——紀念霍金離世兩週年
2020年03月14日11:19

原標題:霍金心目中的宇宙——紀念霍金離世兩週年

2018年3月14日,史蒂芬·霍金離世。他被學界公認為當代最偉大的引力物理學家。英國皇家學會會長馬丁·里斯和因發現引力波而獲得諾獎的基普·索恩分別在為霍金進行的劍橋追悼和倫敦西敏寺的葬儀上一致指出,當代沒有任何人比霍金對時間和空間理解得更深刻。我在這兩個場合都非常仔細地聆聽了他們的悼詞。在霍金入葬以後,來賓們被邀請到西敏寺的後花園參加招待會,這時響起了熟悉的霍金的“聲音”,此刻歐洲空間局將這聲音同步向宇宙深處發射。它象徵著這個星球上的寂寞的文明尋找宇宙知音的努力。

2018年3月31日,霍金的葬禮。 東方IC 圖

早在上世紀70年代,霍金就已經是光芒四射的學術明星。劍橋大學為了賦予他相應的榮譽,特地設立了引力物理教授的位子。因為按照劍橋的古老傳統,一個學科只設一個教授位子,通常是這個位子空了才遞補,所以絕大多數學者,甚至非常著名的學者都不是教授。1979年霍金被選為盧卡斯數學教授後,這個引力物理教授的位子就被自動取消了。這個古老的傳統現在已經被改變了,不知是好事,還是壞事。

他在引力物理方面的貢獻主要在於黑洞物理和宇宙學。霍金一生最主要的學術成就是:發現廣義相對論的奇性定理、黑洞的視界面積不減定理和黑洞的輻射理論,創立了引力熱力學和歐氏量子引力,預言了太初的量子漲落導致的宇宙結構的譜,以及提出“無邊界設想”的宇宙無中生有誕生的場景。眾所周知,他發現的黑洞輻射機製是百年之內引力物理理論的最偉大成就。這個成就已經被鐫刻在他在倫敦西敏寺的墓碑上。但他的另一個偉大成就是宇宙學的“無邊界設想”。他自己怎麼看待這兩個最主要的貢獻呢?

2004年冬他邀請我訪問劍橋。同年12月10日,我向他提出藏在心裡很久的一個問題:“史蒂芬,你認為你的黑洞輻射和無邊界設想,哪個貢獻更為重要?這個問題只有你能夠回答。”他移動鼠標,在屏幕上寫出一行字:“Otherpeople think the blackhole,because that is now accepted,but I think no-boundary.”(人們認為黑洞〔輻射〕更重要,因為它現在已被接受。但是,我認為無邊界〔設想〕更重要。)

宇宙學成為嚴肅的科學是以兩個事件為標誌,它們是愛因斯坦提出三維球的靜態宇宙模型和哈勃發現紅移定律。1917年,即愛因斯坦提出廣義相對論的第三年,他用新發現的引力場方程來研究整個宇宙,這是人類首次思考大尺度非平坦的時空模型。他的宇宙空間由有限而無界的三維球來描述。而他為了得到一個靜態的宇宙模型,不惜修改他的場方程,引進了所謂的宇宙常數。但是,在1929年,哈勃發現了星系光譜的紅移定律,表明宇宙並非處於靜態,而是正在膨脹。所以愛因斯坦只好拋棄宇宙常數。

1948年,伽莫夫等提出了後來稱為熱大爆炸的宇宙場景。他認為,早期的宇宙具有極大的物質密度和極高的溫度。在大爆炸後的幾秒鍾,宇宙的物質由電子、質子、中子和它們的反粒子以及輻射組成,在更早的時刻則完全由基本粒子組成。隨著宇宙膨脹,它逐漸冷卻。在大爆炸後38萬年左右,電子和核子結合成原子,其中主要是氫原子,宇宙因而變成透明的。伽莫夫認為,我們還應該能夠觀測到那個階段的光子,只是由於宇宙的膨脹引起的巨大紅移,它們現在變成了只有幾開氏度溫度的宇宙微波背景輻射。1964年,彭齊亞斯和威爾遜意外地發現了這個大爆炸的餘暉。目前這個輻射的溫度被準確地測量為2.725開氏度。

大爆炸模型假定宇宙起始於一個尺度為零的奇點。在起點處物理定律甚至因果性都崩潰了。有人認為,這種奇性是起因於空間的均勻性和各向同性的假設,而實際的宇宙並不具備這樣高的對稱性,所以宇宙應壓倒性地不具有大爆炸奇點。

霍金就在這個背景下進入引力物理的領域。1970年,霍金和彭羅斯證明了,在經典廣義相對論中,在非常合理的物理條件下,宇宙的大爆炸奇點是不可避免的。奇點應該被認為是經典時空的無法袪除的邊界。因此,廣義相對論是不完備的。完整的宇宙圖像,尤其是大爆炸起始的物理圖像,應借助於還未被發現的量子引力論來加以描述。

宇宙有許多美妙的性質無法得到解釋。1973年,霍金和科林斯在研究宇宙的各向同性時發現:宇宙之所以這個樣子乃是因為我們的存在。這個思想後來被發展為所謂的“人存原理”,表明物理對象尤其宇宙和觀察者的關係絕非是映照那麼簡單,那麼超然。

我們即便躲避宇宙的大爆炸起點問題,但由於宇宙的行為極端敏感地依賴於它極早期的初始條件,為何我們觀察到的宇宙是這個樣子仍然是個尖銳的問題。1980年代,固斯和林德等人假定在熱大爆炸相之前還存在一個暴脹相,那時宇宙的尺度指數式地快速膨脹。這個所謂的暴脹模型可以在一定程度上減輕,但不能徹底解決這個問題。

1998年,珀爾馬特、施密特與里斯發現了宇宙正在加速膨脹。人們認為,這種加速是由於所謂的暗能量引起的。通過天文學家和宇宙學家的不懈努力,人們達到共識,宇宙空間是平坦的,宇宙的現有物質組成中68%為暗能量,通常被認為就是宇宙常數,還有5%的可見物質和27%的看不見的暗物質。現在宇宙公認的年齡是138億年。

史蒂芬·霍金 視覺中國 資料

宇宙學的最重大的問題是宇宙的創生。哲學、神學和科學都對它極端關注。霍金在1981年於梵蒂岡提出了“無邊界設想”:宇宙的邊界條件是它沒有邊界!沒有一種邊界條件比霍金提出的“無邊界設想”更為簡單、更為合理,也因此更為美麗!由此長期困擾人類理性的“第一推動問題”才得以解決,因為宇宙的開端,從時空的觀點看就是一個邊界。也正因為如此,上帝才從宇宙創生的場景中被排斥出去。

“無邊界設想”使宇宙學首次具有預見性。人們利用“無邊界設想”來重新審視宇宙學的所有問題。

霍金意識到宇宙中的一切結構起源於均勻背景中的量子場的漲落。這種漲落可以從無邊界設想導出,和他與吉本斯早先研究過的宇宙視界的溫度相關聯。漲落的標量部分將體現在微波背景輻射的溫度變化,它是星系、星系團等宇宙結構的籽。其張量部分就呈現為太初引力波。在之後的歲月裡,這些計算得到很大的改善。標量的漲落計算和觀測符合得相當完美,但太初引力波還未被觀測到。

“無邊界設想”使物理定律不僅製約宇宙的演化,還製約宇宙的創生,使上帝在宇宙中沒有存身之處。宇宙本身是物理定律的實現。時空不能外在於宇宙。“無邊界設想”實現了宇宙無中生有的場景。現在問題歸結為宇宙為什麼存在?而存在卻是沒有定義的。

霍金和彭羅斯合作在經典物理的框架中證明了經典宇宙學的奇點定理。有趣的是,在他們後來的研究中宇宙都是沒有奇點的。彭羅斯的宇宙模型和霍金的不同,現在簡略地列在這裏,以做個比較。彭羅斯的模型是準無限循環的。傳統的所謂循環宇宙是指宇宙的一個有限時間的相的結束成為下一個有限時間的相的開始,如此首尾相接,以至無窮。對於彭羅斯這麼有創見的人物,他顯然不屑因循守舊。他的模型的每一相被稱為永世(Aeon),每個永世本身在時間上就是延續了無限久的實數連續統。而前一個永世的最後階段的無限膨脹,被認為是下一永世的大爆炸起始。可憐的生命只能在一個永世中延續有限的時段。彭羅斯認為,從我們這個永世的微波背景輻射中已經發現了前一個永世的痕跡,那很可能是由前一永世中的兩顆極大質量的黑洞碰撞合併時,發出的巨大能量導致的,該能量主要以引力波的方式體現。

(本文為《時間簡史》、《十問 : 霍金沉思錄》等書譯者吳忠超老師專門為霍金離世兩週年紀念日所寫的一篇紀念文章。)

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