斯蒂芬霍金宇宙学核心的大悖论

摘自《时间的起源》。版权所有 © 2023 托马斯·赫托格。由企鹅兰登书屋的印记Bantam出版。

物理学家说，多元宇宙给我们带来了一个悖论。多元宇宙宇宙学建立在宇宙暴胀的基础上，宇宙在其早期阶段经历了短暂的快速膨胀。暴胀理论在一段时间内得到了大量的观测支持，但有一种不方便的趋势，即产生不是一个宇宙，而是产生很多宇宙。而且因为它没有说我们应该在哪一个 - 它缺乏这些信息 - 该理论失去了预测我们应该看到什么的能力。这是一个悖论。一方面，我们对早期宇宙的最佳理论表明我们生活在一个多元宇宙中。与此同时，多元宇宙破坏了这一理论的大部分预测能力。
事实上，这并不是斯蒂芬（霍金）第一次面对一个神秘的悖论。早在1977年，他就提出了一个与黑洞命运有关的类似难题。爱因斯坦的广义相对论预测，几乎所有关于任何落入黑洞的信息都永远隐藏在里面。但斯蒂芬发现量子理论为这个故事增加了一个矛盾的转折。他发现黑洞表面附近的量子过程导致黑洞辐射出轻微但稳定的粒子流，包括光粒子。这种辐射 - 现在被称为霍金辐射 - 太微弱而无法通过物理检测到，但即使它的存在本身也是有问题的。
原因是，如果黑洞辐射能量，那么它们必须收缩并最终消失。当黑洞辐射出最后一盎司的质量时，隐藏在里面的大量信息会发生什么？斯蒂芬的计算表明，这些信息将永远丢失。他认为，黑洞是终极垃圾桶。然而，这种情况与量子理论的基本原理相矛盾，该原理规定物理过程可以转换和扰乱信息，但永远不会不可逆转地抹去信息。我们再次遇到一个悖论：量子过程导致黑洞辐射并丢失信息，但量子理论认为这是不可能的。
与黑洞的生命周期和我们在多元宇宙中的位置有关的悖论成为过去几十年中最令人烦恼和最激烈争论的两个物理学难题。他们关注物理学中信息的性质和命运，从而触及了物理理论最终是什么问题的核心。这两个悖论都出现在所谓的半经典引力的背景下，半经典引力是斯蒂芬和他的剑桥帮派在1970年代中期开创的对引力的理论描述，基于经典和量子思维的融合。
当一个人将这种半经典思维应用于超长的时间尺度（在黑洞的情况下）或超长的距离（在多元宇宙的情况下）时，就会出现悖论。它们共同体现了当我们试图让二十世纪物理学的两大支柱——相对论和量子理论——和谐地工作时出现的深刻困难。在这个角色中，他们充当了令人费解的思想实验，理论家们通过这些实验将他们对引力的半经典思维推断到极致，看看它会在哪里以及如何分解。
思想实验一直是斯蒂芬的最爱。在放弃哲学之后，斯蒂芬喜欢尝试一些深刻的哲学问题——时间是否有开始，因果关系是否是根本性的，以及最雄心勃勃的是，我们作为“观察者”如何融入宇宙计划。他通过将这些问题视为理论物理学中的聪明实验来做到这一点。斯蒂芬的三项里程碑式发现都是巧妙的、精心配置的思想实验的结果。其中第一个是他在经典引力中的一系列大爆炸奇点定理;第二，他1974年在半经典引力中发现黑洞会辐射;第三，他的无边界建议，也是半经典引力，关于宇宙的起源。
现在，虽然有人可能会争辩说黑洞悖论只是学术兴趣 - 霍金辐射的细节不太可能被测量 - 多元宇宙悖论直接关系到我们的宇宙学观察。这个悖论的核心在于现代宇宙学中生命世界和观察者以及物理宇宙之间令人担忧的关系。多元宇宙悖论成为霍金寻求通过发展对宇宙的完全量子视角来重新构想这种关系的灯塔。他最后的宇宙理论，彻底的量子，重新绘制了宇宙学的基本基础，是霍金对物理学的第四大贡献。该理论背后的宏大思想实验在某种意义上已经酝酿了五个世纪。执行它将是我们的航行。
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