已故物理学家史蒂芬·霍金首先邀请我与他合作开发“一种新的量子理论 Big Bang” 于 1998 年开始。最初是一个博士项目,经过大约 20 年的发展,最终演变成一场激烈的合作 只有他的逝去 3月14,2018。
整个这一时期我们研究的中心谜团是大爆炸是如何产生的 如此适宜生活的条件. 我们的答案是 发表在一本新书中, 关于时间的起源:史蒂芬霍金的最终理论.
关于宇宙或宇宙的最终起源的问题,让物理学走出了它的舒适区。 然而,这正是霍金喜欢冒险的地方。 破解宇宙设计之谜的前景或希望推动了霍金在宇宙学方面的大部分研究。 “大胆去哪里 星际迷航 害怕踩踏”是他的座右铭——也是他的屏幕保护程序。
我们共同的科学追求意味着我们不可避免地变得亲近。 在他身边,我们一定会被他的决心和乐观情绪所影响,他认为我们可以解决神秘的问题。 他让我觉得我们好像在写自己的创作故事,从某种意义上说,我们确实做到了。
在过去,人们认为宇宙的表面设计意味着必须有一位设计师——一位上帝。 今天,科学家们转而指向物理定律。 这些定律具有许多显着的生命生成特性。 以宇宙中物质和能量的数量、力的微妙比例或空间维度的数量为例。
物理学家 已经发现 如果你稍微调整这些属性,它会使宇宙变得毫无生气。 几乎感觉好像宇宙是一个修复——甚至是一个大宇宙。
但是物理定律从何而来? 从阿尔伯特·爱因斯坦到早期著作中的霍金,大多数 20 世纪的物理学家都将构成物理定律基础的数学关系视为永恒的真理。 按照这种观点,宇宙的表观设计是数学上的必然性问题。 宇宙之所以如此,是因为大自然别无选择。
在 21 世纪之交,出现了一种不同的解释。 也许 我们生活在一个多元宇宙中,一个巨大的空间产生了拼凑而成的宇宙,每个宇宙都有自己的大爆炸和物理学。 从统计学上讲,其中一些宇宙对生命友好是有道理的。
然而,这种多元宇宙的想法很快就陷入了 悖论的螺旋 并且没有可验证的预测。
彻底颠覆宇宙学
我们能做得更好吗? 是的,霍金和我发现了,但只是通过放弃多元宇宙学中固有的想法,我们的物理理论可以从上帝的角度来看,就好像站在整个宇宙之外。
这是一个明显且看似同义反复的观点:宇宙学理论必须解释我们存在于宇宙中的事实。 “我们不是从外面看宇宙的天使,”霍金告诉我。 “我们的理论永远不会与我们脱钩。”
我们着手从观察者的角度重新思考宇宙学。 这需要采用奇怪的规则 量子力学,它支配着粒子和原子的微观世界。
根据量子力学,粒子可以同时处于多个可能的位置,这种特性称为叠加。 只有当观察到一个粒子时,它才会(随机)选择一个确定的位置。 量子力学还涉及随机跳跃和波动,例如粒子从真空中弹出并再次消失。
因此,在量子宇宙中,通过持续的观察过程,有形的过去和未来会从可能性的迷雾中浮现出来。 这种量子观测不需要由人类进行。 环境甚至单个粒子都可以“观察”。
无数这样的量子观察行为不断地将可能发生的事情转化为正在发生的事情,从而使宇宙更牢固地存在。 一旦观察到某些东西,所有其他可能性都变得无关紧要。
我们发现,当通过量子透镜回顾宇宙的最早阶段时,存在更深层次的进化,其中甚至物理定律也与正在形成的宇宙同步变化和演变。 更重要的是,这种元进化具有达尔文主义的味道。
变化的出现是因为随机量子跃迁导致最有可能发生的频繁偏移。 由于量子观察,这些偏移中的一些可以被放大和冻结,因此选择进入。 在原始宇宙中,这两种相互竞争的力量——变异和选择——之间的相互作用产生了物理定律的分支树。
结果是对宇宙学基础的深刻修正。 宇宙学家通常首先假设宇宙发生时存在的定律和初始条件 Big Bang,然后考虑今天的宇宙是如何从它们演化而来的。 但我们认为这些定律本身就是进化的结果。
尺寸、力和粒子种类在炽热的大爆炸熔炉中发生变化和多样化——有点类似于生物物种如何在数十亿年后出现——并随着时间的推移获得有效的形式。
此外,所涉及的随机性意味着这种进化的结果——使我们的宇宙成为现在这个样子的一组特定物理定律——只能回过头来理解.
从某种意义上说,早期宇宙是大量可能世界的叠加。 但我们今天在人类、星系和行星存在的时候观察宇宙。 这意味着我们看到了导致我们进化的历史。
我们观察具有“幸运值”的参数。 但我们错误地认为它们是某种设计的或总是这样设计的。
时间的麻烦
我们假设的关键在于,通过时间倒推,朝着更简单和更少结构的方向发展一直在继续。 最终,甚至时间和物理定律也会随之消失。
这种观点尤其源于我们理论的全息形式。 这 ”全息原理”在物理学中预测,正如全息图看起来具有三个维度,而实际上它仅以二维编码,整个宇宙的演化同样被编码在一个抽象的、永恒的表面上。
霍金和我看待时间和因果关系 作为“涌现的品质”, 没有先验存在,而是来自无数量子粒子之间的相互作用。 这有点像温度是如何从许多集体运动的原子中产生的,即使没有一个原子有温度。
人们可以通过缩小并模糊地查看全息图来回到过去。 然而,最终,人们会丢失全息图中编码的所有信息。 这就是时间的起源——大爆炸。
近一个世纪以来,我们一直在不变的自然法则的稳定背景下研究宇宙的起源。 但是我们的理论从内部解读宇宙的历史,并将其视为在其最早阶段包括物理定律谱系的历史。 拥有最终决定权的不是法律本身,而是它们的转化能力。
未来的宇宙学观测可能会找到这方面的证据。 例如,精确观察 引力波——时空结构中的涟漪——可能会揭示宇宙早期某些分支的特征。 如果被发现,霍金的宇宙学结局很可能被证明是他最伟大的科学遗产。
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