宇宙沒(méi)有起點(diǎn)？霍金這個(gè)想法有點(diǎn)意思

你有沒(méi)有想過(guò)，如果時(shí)間往前無(wú)限倒推，總會(huì)撞上一個(gè)"最開始"的時(shí)刻？但假如我告訴你，這個(gè)問(wèn)題本身可能就像"你的手機(jī)套餐是什么口味的洗碗機(jī)"一樣——語(yǔ)法沒(méi)錯(cuò)，但壓根沒(méi)意義——你會(huì)怎么想？

這不是我胡扯，是斯蒂芬·霍金認(rèn)真琢磨過(guò)的事。而且他不是隨口一說(shuō)，是帶著數(shù)學(xué)草稿紙說(shuō)的。

今天我們就來(lái)聊聊這個(gè)聽起來(lái)像哲學(xué)、其實(shí)是硬核物理的問(wèn)題：宇宙，可能根本沒(méi)有"開始"這回事。

不過(guò)在見到霍金之前，我們得先見另一個(gè)人。一個(gè)你可能沒(méi)聽過(guò)、但物理界沒(méi)人敢忽視的名字：約翰·惠勒。

那是1960年代。量子力學(xué)正火得一塌糊涂——物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，只要把各種微小的高能玩意兒"量子化"，就能預(yù)測(cè)新粒子、搞懂恒星怎么運(yùn)作，簡(jiǎn)直像拿到了宇宙的作弊碼。而惠勒這個(gè)人，量子力學(xué)對(duì)他來(lái)說(shuō)就像母語(yǔ)一樣自然。更離譜的是，他還把廣義相對(duì)論也啃得比愛(ài)因斯坦本人還透。

就在這時(shí)候，宇宙大爆炸的證據(jù)陸續(xù)冒出來(lái)。大家突然意識(shí)到：宇宙曾經(jīng)極小、極熱、極密。密到什么程度？密到跟實(shí)驗(yàn)室里那些需要量子力學(xué)描述的微觀粒子，幾乎是一個(gè)量級(jí)。

惠勒腦子轉(zhuǎn)得飛快：如果宇宙早期就是個(gè)"量子物體"，那我們是不是該用量子力學(xué)的玩法來(lái)研究它？

這個(gè)念頭，后來(lái)成了整個(gè)領(lǐng)域的起點(diǎn)。但惠勒自己沒(méi)走到最后——真正把這個(gè)想法推到極致、甚至推到"宇宙沒(méi)有起點(diǎn)"這個(gè)驚人之論的，是幾十年后的霍金。

霍金是怎么想的？簡(jiǎn)單說(shuō)：如果宇宙早期服從量子規(guī)律，那它就不該有個(gè)確定的"起點(diǎn)時(shí)刻"。量子世界講究的是概率云、是疊加態(tài)、是"既這樣又那樣"。一個(gè)粒子可以同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方，那宇宙為什么就不能"同時(shí)處于所有可能的初始狀態(tài)"？

更關(guān)鍵的是，霍金發(fā)現(xiàn)，當(dāng)你把量子力學(xué)的規(guī)則套到宇宙整體上，那個(gè)讓廣義相對(duì)論"當(dāng)場(chǎng)死機(jī)"的奇點(diǎn)——那個(gè)密度無(wú)限大、時(shí)間無(wú)限壓縮的噩夢(mèng)——可能根本就不是必須的。方程不會(huì)崩潰，因?yàn)樗鼈兠枋龅牟皇且粋€(gè)"從某一點(diǎn)爆發(fā)"的宇宙，而是一個(gè)"沒(méi)有邊界、沒(méi)有邊緣"的存在。

他用了一個(gè)很妙的類比：地球表面。你站在北極，問(wèn)"北極的北邊是什么"——這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有意義，因?yàn)楸睒O就是邊界本身。但地球表面沒(méi)有邊界，你可以一直往南走，繞一圈從北邊回來(lái)。霍金的宇宙模型類似：時(shí)間不是從某個(gè)"零時(shí)刻"開始的直線，而是一個(gè)像地球表面一樣閉合的結(jié)構(gòu)。"開始"這個(gè)概念，在模型內(nèi)部找不到對(duì)應(yīng)物。

當(dāng)然，這套說(shuō)法問(wèn)題一大堆。霍金自己也沒(méi)說(shuō)這就是最終答案。"半熟的想法""大概率是錯(cuò)的"——這是他的原話風(fēng)格。但物理學(xué)有時(shí)候就是這樣：一個(gè)錯(cuò)得有趣的想法，比一百個(gè)正確的無(wú)聊結(jié)論更有價(jià)值。

而且別忘了，我們至今沒(méi)有任何辦法直接觀測(cè)宇宙"最開始"的那一瞬間。所有關(guān)于起點(diǎn)的理論，本質(zhì)上都是在數(shù)學(xué)允許的范圍內(nèi)，猜測(cè)那個(gè)不可觀測(cè)的區(qū)域長(zhǎng)什么樣。霍金的猜測(cè)之所以重要，不是因?yàn)樗?對(duì)"，而是因?yàn)樗蜷_了一條新路：如果奇點(diǎn)不是問(wèn)題，那我們或許可以重新問(wèn)一些更根本的問(wèn)題。

比如：如果宇宙沒(méi)有起點(diǎn)，那它現(xiàn)在的狀態(tài)是從哪兒"演化"來(lái)的？量子力學(xué)說(shuō)，一個(gè)系統(tǒng)的演化由"波函數(shù)"描述——一種包含所有可能性的數(shù)學(xué)對(duì)象。把整個(gè)宇宙的波函數(shù)寫出來(lái)，會(huì)是什么樣？

這個(gè)問(wèn)題聽起來(lái)像天方夜譚，但霍金和他的合作者詹姆斯·哈特爾真的試著寫過(guò)。他們的"無(wú)邊界提案"——也就是這個(gè)系列標(biāo)題里的"宇宙波函數(shù)"——試圖給整個(gè)宇宙的狀態(tài)一個(gè)數(shù)學(xué)定義。不是某個(gè)粒子、某個(gè)場(chǎng)，而是時(shí)空本身的幾何形狀，加上里面所有的物質(zhì)內(nèi)容，打包成一個(gè)巨大的量子疊加態(tài)。

這個(gè)波函數(shù)滿足一個(gè)特殊的邊界條件：在宇宙的"最早期"（如果還能這么叫的話），它必須是光滑的、沒(méi)有奇異的。換句話說(shuō)，數(shù)學(xué)上不允許出現(xiàn)那個(gè)讓愛(ài)因斯坦方程崩潰的無(wú)限密度點(diǎn)。時(shí)間在這里不是從零開始計(jì)數(shù)，而是像地球的緯度一樣，從一個(gè)極端值平滑過(guò)渡到另一個(gè)極端值。

但這里有個(gè)微妙的陷阱。霍金的無(wú)邊界提案，描述的是一個(gè)"閉合的"宇宙——空間上有限、形狀像四維球體。而我們實(shí)際觀測(cè)到的宇宙，似乎是平坦的、甚至可能是開放的。這就好比你的理論預(yù)測(cè)地球是橘子形的，但測(cè)量結(jié)果說(shuō)地球更像一張無(wú)限延伸的煎餅。

這個(gè)矛盾怎么解？霍金后來(lái)的工作試圖把無(wú)邊界條件推廣到更一般的宇宙形狀，但數(shù)學(xué)變得極其丑陋。而且說(shuō)實(shí)話，"宇宙波函數(shù)"這個(gè)概念本身就有爭(zhēng)議：你真的能把觀察者——我們這些活在宇宙內(nèi)部、用量子力學(xué)測(cè)量其他東西的家伙——也塞進(jìn)波函數(shù)里面嗎？測(cè)量問(wèn)題在實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)夠頭疼了，現(xiàn)在要把整個(gè)宇宙當(dāng)成被測(cè)量的對(duì)象，同時(shí)又是測(cè)量發(fā)生的場(chǎng)所，邏輯上像個(gè)莫比烏斯環(huán)。

更實(shí)際的問(wèn)題是：這個(gè)理論能預(yù)言什么？一個(gè)好的物理理論不光要解釋過(guò)去，還得預(yù)測(cè)未來(lái)、或者至少排除一些不可能的事。無(wú)邊界提案在宇宙學(xué)上的主要"成果"，是試圖解釋為什么早期宇宙如此均勻、為什么熵的箭頭指向特定方向。但這些解釋是否獨(dú)特？其他不假設(shè)"無(wú)邊界"的理論能不能給出同樣好的故事？至今沒(méi)有定論。

所以回到開頭那個(gè)問(wèn)題：宇宙到底有沒(méi)有開始？

霍金給的答案，用日常語(yǔ)言翻譯過(guò)來(lái)大概是："你這么問(wèn)的時(shí)候，已經(jīng)假設(shè)了一種可能不成立的時(shí)間觀念。"不是"有"或者"沒(méi)有"，而是"這個(gè)問(wèn)題在框架內(nèi)無(wú)法表述"。這有點(diǎn)像你問(wèn)一個(gè)生活在二維平面上的生物"平面之外是什么"——不是答案未知，是提問(wèn)方式預(yù)設(shè)了不存在的東西。

但別急著被這種玄乎的說(shuō)法唬住。霍金的想法本質(zhì)上是一次數(shù)學(xué)嘗試：看看如果把量子力學(xué)和廣義相對(duì)論硬湊在一起，關(guān)于宇宙的最初時(shí)刻，我們能說(shuō)什么、不能說(shuō)什么。結(jié)果是不能說(shuō)"有一個(gè)起點(diǎn)"，但這不等于證明了"沒(méi)有起點(diǎn)"。這是兩個(gè)完全不同的邏輯層次。

而且，這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展從未停止。霍金的無(wú)邊界提案之后，還有"圈量子宇宙學(xué)"試圖用離散的幾何替代連續(xù)的時(shí)空，有"弦論景觀"把宇宙的起源放進(jìn)多重宇宙的框架，有"共形循環(huán)宇宙學(xué)"宣稱每個(gè)宇宙的終結(jié)都是下一個(gè)宇宙的開端。這些想法有的和霍金兼容，有的直接矛盾，但都在試圖回答同一個(gè)問(wèn)題：當(dāng)我們說(shuō)"宇宙的開始"時(shí)，我們到底在說(shuō)什么？

或許最誠(chéng)實(shí)的結(jié)論是：我們還不知道。奇點(diǎn)問(wèn)題在經(jīng)典廣義相對(duì)論里是個(gè)死胡同，但量子引力理論——那個(gè)能統(tǒng)一兩種理論的終極框架——至今沒(méi)有完成。霍金的無(wú)邊界提案是眾多嘗試之一，它聰明、大膽、數(shù)學(xué)上自洽，但也可能像歷史上的許多"統(tǒng)一理論"一樣，最終被證明只是通往真正答案的一塊墊腳石。

不過(guò)，這恰恰是科學(xué)最迷人的地方。宇宙有沒(méi)有起點(diǎn)，目前還是個(gè)開放問(wèn)題。但"開放"不等于"隨便怎么說(shuō)都行"——它意味著我們需要更精確的觀測(cè)、更巧妙的數(shù)學(xué)、更敢于承認(rèn)無(wú)知的態(tài)度。霍金的價(jià)值，不在于他給出了正確答案，而在于他證明了即使面對(duì)最古老、最宏大的問(wèn)題，我們?nèi)匀豢梢杂镁唧w的計(jì)算、而不是模糊的哲學(xué)思辨，來(lái)推進(jìn)理解的邊界。

下次有人跟你聊"宇宙大爆炸之前是什么"，你可以反問(wèn)一句：你確定"之前"這個(gè)詞用對(duì)地方了嗎？這不一定讓你顯得更懂物理，但至少說(shuō)明你在認(rèn)真聽霍金說(shuō)話——哪怕他說(shuō)的可能是錯(cuò)的。