用“演化”观点进行宇宙学研究

三联生活周刊：作为一个宇宙学家，你会如何用简单的语言介绍“宇宙学”？

赫托格：我认为关于宇宙学研究，每个人对此都有一种直觉性的体验，因为这关系到一些人们总是在追问的问题。比如人们会问，我们在宇宙中处于什么位置？我们从何而来？我们最深的根在哪里？我们的未来会怎么样？生命和星星之间有什么关联？因此，在我的书《时间起源》里，我试着从这些人们经常追问的话题讲起。

当然，自从我和霍金开始进行宇宙学研究，正是希望能够通过科学的方式回答这些问题——这些问题都很困难，而且会变得非常数学化。但是我想我们也可以先不管数学，从一个更普通的角度去探索这些问题，并且得到新的启示。这正是我在书中试图做的事情——我主张从一种根本上具有演化性质的达尔文式的视角来看待宇宙的演化，包括在最早期阶段，物理定律的演化或涌现。三联生活周刊：你又会如何介绍“宇宙”（cosmos）这个概念？

赫托格：什么是宇宙——这是个好问题。宇宙是所有的一切——所有的空间，所有的时间。但问题是，宇宙有没有边界？有没有尽头？有没有一个极限？宇宙大爆炸某种意义上是时间的起点，它并不是在一个已经存在的宇宙中发生的一场爆炸。它更加根本，是一个真正的起源。

我们往往倾向于把宇宙想成是全部的空间和全部的时间，但实际上，我们身处宇宙之中，因此我们能够描述宇宙的内容可能是受到严格限制的。我认为，其实我们并没有关于宇宙的那种“全局性视角”。可观测宇宙，也就是我们可以了解的那部分宇宙，和我们无法观测的宇宙部分之间存在着巨大差异。“所有的存在”究竟意味着什么？这是一个非常重要的问题。

三联生活周刊：作为一个宇宙学家，你认为时间和空间是本质性的存在还是某种“涌现性”（emergent）的现象？

赫托格：我认为，时间和空间都是“涌现性”的。我们对于时间和空间的认识，在黑洞内部，以及在宇宙起源的大爆炸时刻，都不再适用、不再有意义。我认为空间和时间的存在都有其极限——它们只是宇宙中“涌现”出来的属性。而这种涌现是如何发生的，正是我们研究的核心问题。

这个问题非常重要，因为宇宙从大爆炸中出现时，具有一种非常特别的、对生命友好（biophilic）的性质。也就是说，空间、时间以及粒子的属性正好能够孕育出一个拥有生命和复杂性的宇宙。我认为（理解这一切如何发生）非常重要，而不仅仅是一个抽象的学术问题。

三联生活周刊：我们来谈一谈“暗能量光谱仪”（Dark Energy Spectroscopic Instrument，DESI）项目最新发布的探测数据。如果暗能量真的随时间变小，这对于我们理解宇宙的开端和未来有什么帮助？

赫托格：现在下结论还为时过早，这些最新的探测结果还需要进一步确认。但从一个理论物理学家的角度来说，我倾向于支持这个观点：暗能量会随着时间缓慢减小。因为在现代粒子物理学理论中，没有任何东西是真正恒定的，一切都源于某种对称性的破缺，或是某种“期望值”（expectation value）。很多试图统一所有基本力的理论，实际上都在试图消除自然界中的“常数”，将自然界的一切属性都解释为某种潜在动力学的结果，比如额外维度的动力学、场动力学等。

从这种观点出发，也就会很自然地认为，暗能量本身也应该是某种动力学场，而不是一个真正的“基本常数”。如果它是一个动力学的场，那么我们现在观测到的暗能量数值可能只是偶然的；但如果它是一个恒定不变的常数，我们就会认为这一定要有某种基本的解释。然而，这个所谓的暗能量常数，它的数值实在是太奇怪了，至今没人找到过基本解释。所以我觉得这些新观测是朝着正确方向迈出的一步，与人们从大统一理论、量子引力研究等等所预期的趋势一致。

当然，这一切的前提是，这些观测必须得到确认。如果这些观测结果成立，那么它会改变我们对宇宙未来命运的理解，宇宙的膨胀可能会逐渐减慢。但宇宙中并没有足够的物质来完全抵消膨胀。所以我认为这意味着宇宙将会继续膨胀，但速度会越来越慢。

这会提出很多新的问题。比如说“全息理论”（holography）试图提供一种宇宙的“全息视角”，而如果暗能量不是恒定的，理论物理学家目前甚至不知道该如何处理这种情况。这就像所有的宇宙观测一样，提出了新的问题。我认为这（DESI项目）可能是目前最重要的宇宙观测之一，因为它真正切中了基础物理学的核心问题，是极少数能真正触及量子引力本质的观测之一。三联生活周刊：你在《时间起源》一书中也讨论过，宇宙常数和物理学定律都可能随着时间变化，甚至可能经历某种“选择”和“演化”。如果这最终被证实，我们对于科学的认识将会发生怎样的改变？

赫托格：在物理学中，我们通常认为自己是在发现固定不变的数学真理。物理定律被看作某种超越物质宇宙的存在，它们被当作是早已存在、无条件成立的恒定真理——这样的理解在实验室里是可以的。

但是当我们把物理学推向极限，一直追溯到宇宙大爆炸的时候，我会主张，在那种极端状态下，还存在着一种更深层次的“演化”机制，这种演化不是发生在粒子、场或物质层面，而是发生在“物理定律”本身的层面。也就是说，在宇宙的早期演化中，物理定律是通过一系列的对称性破缺（symmetry breakings）逐步“涌现”出来的。

如果这种观点正确的话，也就意味着，当我们回到宇宙大爆炸，回到时间的起点，物理定律本身会“溶解”并“消失”。粒子不再具有固定的属性，相互作用不再具有既定的性质，甚至时间与空间的区别也在大爆炸中失去了意义。

因此，大爆炸成为某种“认知的提升”（epistemic rise）。而这对于科学的意义就在于——从根本上说，物理学和生物学之间并没有那么大的不同。在生物学中，定律是一种“涌现”现象；在化学中也是如此。而我们过去总以为物理定律构成了一个坚实的基础，是最底层的根基。但现在我认为，物理定律本身可能也是一种“涌现”的现象。

如果真的是这样，就会支持这样一种观点：高阶复杂性系统与低阶系统之间，在本体论上并没有本质的区别。尽管物理定律更一般、适用范围更广，但它们只是在宇宙早期阶段曾经发生过改变（比如通过暗能量的演化），而现在它们稳定了下来。这个观点，也许能够提供一种统一的自然观。

这意味着对于科学和宇宙学来说，最终科学、宇宙学和物理学并不是在发现某种“先验”的真理，而更像是在回顾中重建我们的过去。我们推导出描述我们宇宙的规律，但这些规律并不一定是先验存在的真理。它们更像是自身就是一种演化的产物。这就是我和霍金共同发展出的理论的核心。

三联生活周刊：物理定律本身也需要经历某种“自然选择”？

赫托格：“自然选择”这个词用在这里有点奇怪，我不会在物理学的语境中使用这个词，因为这里面存在着随机性。你可以问这样一个问题：我们发现的这些物理定律，它们是唯一的吗？我不认为它们是早期宇宙演化的唯一可能结果。它更像是一个分支过程，就像一棵“物理学定律之树”，在其中粒子与相互作用多样化发展，结果可能完全不同。这棵树本来可能长成完全不同的样子，就像“生命之树”也可能截然不同一样。为什么会这样？因为量子随机跃迁、对称性破缺的过程可以以很多种方式发生。

在高能物理学领域，对称性破缺的过程决定了粒子以及相互作用的基本性质。我不会把这称为“自然选择”，但在早期宇宙的量子演化过程中确实存在“变异”和“选择”的组合。在那里会发生量子随机涨落。一旦这些涨落变得足够大，它们就会冻结下来——在我们的语言里，它们就变成了“经典”的状态，也就成为进一步演化的前提，因为它们很难被打破。三联生活周刊：那么我们现在是否已经有能力回答：宇宙对于生命来说为何如此宜居？

赫托格：我和霍金共同提出的理论并不能为这个问题提供一个“先验”的解释。相反，它改变了这个问题的提法，它从另一个角度来看待这个问题。

这个理论认为，我们只能从回溯的角度来研究这个问题（宇宙为何适合生命存在）。也就是说，我们只能通过观察我们周围的宇宙，通过观察我们已知的物理定律，并重建宇宙的历史来探讨这个问题。就像生物学家不会试图通过第一性原理去预测生命之树一样，他们是通过化石和现有的观察去重建生命之树的。

所以，简短的回答是：我们所处宇宙的形成，是早期宇宙演化的一个“偶然”结果。出现这个结果是“高概率”或“低概率”其实并不重要，重要的是我们是否能像科学家那样重建过去的演化过程，这才是有成效的科学研究，这也是物理学在这个问题上真正应该做的。

更深层的回答是：宇宙所展现出的“生命友好”性质，包括物理层面的结构，本身就是早期宇宙演化的产物，而且这种演化过程也完全可能产生不同的结果。但我们不是在问“其他可能”，而是在我们所处的这个宇宙中，试图弄清我们是如何走到今天这一步的。

三联生活周刊：我想你在刚才的回答中使用的正是你谈到的“自上而下”的方法。你谈到过宇宙学研究有“自下而上”和“自上而下”两种研究方法。可以介绍一下这两种研究方法的本质区别吗？

赫托格：就像我们刚刚讨论的，“自下而上”（bottom-up）的宇宙学，是把我们放在宇宙“外部”的视角来看待宇宙。在这种方式下，你会去寻找先验的、无条件的真理。你会试着用第一性原理和数学原理来解释宇宙为何是现在的样子。“自下而上”的宇宙学，更像我们在学校里学到的物理学思维方式。

而“自上而下”（top-down）的宇宙学，是我们站在宇宙的“观测者”的角度来看待宇宙。这种方式把宇宙学看得更像生物学——这是一门历史性的科学。它不再追求“先验真理”，而是试图不断更深入地理解我们宇宙最遥远、最久远的历史。它采取了一种历史视角，很像是研究生物进化那样的思维方式。

这是一个很有意思的情况：在大多数物理学问题中，我们可以用自下而上的方式去研究。我们可以把自己置于系统之外，可以重复实验、做统计分析，因此不必去问那些“根本性的问题”。但是在宇宙学中，当你问出那个最基本的问题：“我们该如何理解宇宙对生命的‘友好性’？”这时，你就不能再把自己置于宇宙之外了。这是霍金在21世纪初期逐渐意识到的一个重要思想。因为这个问题其实是关于“我们与宇宙的根本关系”：在最深的层面上，宇宙的物理规律和我们的存在之间，究竟有什么神秘的联系？

这正是这个问题的核心。如果你对这个问题感兴趣，那就千万别犯“把自己置于宇宙之外”这个错误。因为这个问题在本质上是要探究我们的存在与物理规则之间的关系——以及我们该如何接近这个真相。

在上世纪七八十年代时，霍金还一直在寻找一个“先验的解释”，来说明宇宙是如何被创造出来的。他当时采用的正是自下而上的方法。对霍金来说，从自下而上转向自上而下是一个重大的转变。我认为，从概念或哲学层面讲，这可能是他做出的最深刻的转变——从那种希望用第一性原理解释“宇宙为何是现在这个样子”的自下而上的观点，转向自上而下的观点。用霍金自己的话说，自上而下的宇宙观是将“我们作为宇宙中观测者的视角”放在宇宙学建构的核心。

三联生活周刊：所以当霍金在撰写《时间简史》的时候，他还在采用“自下而上”的理念，试图通过第一性原理去寻求答案吗？

赫托格：是的。但是自下而上的方法行不通。他的自下而上理论总是预测出错误的宇宙。他不断得到的结果是一个本质上不适合生命存在的宇宙——一个没有星系、没有恒星的空荡荡的宇宙。所以，他已经意识到自己的自下而上理念出了问题。而在我们整个合作过程中，问题始终是：到底问题出在哪里？问题并不是某种技术性或数学上的错误，而是关乎一种根本性的视角问题。

三联生活周刊：你反复提到了“观测者”（observer）这个角色。在量子力学和宇宙学研究中，“观测者”都处于一个非常特殊的位置。在宇宙学研究中，观测者无法独立于宇宙之外，其自身也是宇宙的一部分，那么宇宙学该如何处理观测者和被观测的宇宙之间的关系？

赫托格：我不会刻意区分太多。正如你所说，我们是宇宙的一部分。我们只是宇宙中一组物理系统而已。当我在宇宙学中谈论“观测者”这个概念时，我是以一种非常宽泛的方式来理解的——宇宙中任何与我们观测相关的情境，任何宇宙目标中的一部分，都可以被视为观测者。

但正如你所说，在量子理论中，“观测”确实扮演着一个重要角色，因为（一个量子系统）被观测到的性质是从巨大的波函数中选出了其历史中的一个小片段。观测确实发挥了重要作用。在宇宙学中，任何东西都可以作为观测者——哪怕是一颗光子，它也能进行一次量子观测。这绝对不需要必须是人类作为观测者。

三联生活周刊：在霍金的《大设计》（The Grand Design）一书中开篇就提到“哲学已死”。但你也提到曾多次与霍金争论有关哲学的话题。你认为哲学思想在宇宙学研究中究竟起到什么作用？

赫托格：回顾我和霍金的合作，我认为哲学上的预设、直觉或世界观是核心的、非常重要的。但另一方面，在物理学甚至在宇宙学和理论宇宙学中，脱离物理理论、宇宙学推理和数学太远是没有结果的，那样的探讨就会变得空洞和随意。

我认为霍金的天赋或天才之处，正在于他能聚焦于非常根本的问题，但又不远离科学模型和科学推理。我们进行研究工作的指导原则是想办法把“观测者”纳入到宇宙学的方程之中，同时又不放弃可证伪性的科学方法等等。

所以我认为，在我和霍金的合作中，让科学与哲学“平起平坐地并行推进”是非常有成果的。至于你的问题：这如何与霍金在《大设计》中说的“哲学已死”那句名言相一致？我认为，那句话就是典型的霍金风格——不要太当真。他讲那句话，大概有一半是为了挑起公众议论。霍金很喜欢在某种程度上引发争议。

我是这样理解这句话的——霍金确实不喜欢那种脱离前沿科学理论的哲学。在上世纪八九十年代，他和许多哲学家进行过很多争论。那些哲学家不了解相对论，或者也不了解量子理论，这让他感到非常失望。但是在哲学问题和正统宇宙学研究之间的“灰色地带”，我认为那正是霍金极其擅长的领域。

三联生活周刊：弦论（string theory）是宇宙学研究的一个热门话题。不过目前看来，弦论可能描述的宇宙比宇宙中的原子数量还要多。这就不再是做出预测而是给出一个“景观”（landscape）。这是否可能改变人类对于科学的定义，或者让宇宙学本身变得特殊？

赫托格：我认为这个问题的答案和我们之前的讨论是一样的。弦论与我所倡导的那种达尔文式的生物学视角非常契合，因为它支持这样一种观点：存在许多不同可能的物理定律，我们不应该期待对我们观察到的这些定律有某种“先验”的解释，就像生命树可能有很多种形态一样。我们思考这棵生命树，思考我们这个宇宙，思考我们所处的物理定律，并试图重建它们是如何产生的。因此，我和霍金所设想的宇宙学与这种“巨大的可能性之园”高度一致。

在弦论中，就像你所说的，要让弦论学家接受这样的结果是很难的——他们也承认弦论存在所谓的“景观”，但仍有很多弦论物理学家在追求某种终极的、唯一的解释。我认为他们忽视了宇宙学的背景。

我不认为弦论研究本身有什么问题，但它在科学中的正确角色应当被放在“宇宙学语境”中去理解。这样一来，我们确实可以希望通过一些宇宙学观测，获得关于弦论的证据，比如暗能量的演化、宇宙弦、宇宙微波背景辐射中的微妙特征，或是宇宙大爆炸时期相变过程产生的引力波随机背景等等。从这个意义上说，整个宇宙就是一个巨大的量子引力实验。

三联生活周刊：当我们从量子宇宙学的角度研究时间的起源问题，是否意味着要在理论上对“意识”做出新的理解？量子宇宙学是否必须考虑“意识”在其中的角色？

赫托格：如果你问霍金这个问题，他会直接说“不”。

我认为意识并不参与到量子宇宙学这一最基本的层面。当我们谈论物理定律的产生等问题时，我认为意识的角色并不重要。量子宇宙学首要关注的是宇宙的早期演化、量子基础，以及物理定律的涌现——而这些都处于一个远低于“意识”复杂度的阶段。

所以我的倾向是，意识是一种高度复杂的涌现现象，我们对它的理解还非常有限。因此我们必须对这样一种想法保持开放：或许意识的确是某种本质上不同的东西。但我不认为它在研究大爆炸及相关问题中起到了重要作用，毕竟那时候人类还不存在，我们根本还没有出现在宇宙中。

三联生活周刊：令人吃惊的是，人类意识到宇宙本身可以作为一个研究对象，也就是宇宙学的诞生还只有大约100年时间，在这期间就已经出现了如此多关于宇宙诞生和发展的理论。你认为现在是一个成为宇宙学家的好时机吗？或者我们面对过多的理论会感到眼花缭乱？

赫托格：宇宙学确实是一个相对较新的研究领域。在爱因斯坦提出相对论之前，人类是无法研究宇宙的，也无法真正研究“空间”和“时间”，因为当时的“时空”只是形而上学的概念，并非科学研究的对象。

这是一个非常惊人的转折：爱因斯坦的相对论奠定了现代宇宙学的基础，使我们第一次能够用科学方法去讨论宇宙本身。就像你说的，我们已经基本勾画出了宇宙的整体历史。但我们仍然不理解在黑洞内部发生了什么，也不理解大爆炸的最初时刻。所以你可能会问，我们的研究完成了吗？还远远没有结束。

我认为20世纪的宇宙学是基于来自“光”的信息建立起来的——从抵达地球的光子，到各个频率波段的光。但能发出光的宇宙部分只是很小的一部分，仅占宇宙的5%左右。宇宙中大量的物质是暗物质，还有暗能量，再加上黑洞。整个“黑暗宇宙”部分仍然没有被充分探索。这就是引力波观测的意义所在——它开启了通往宇宙一个全新领域的窗户。人类每次打开一个全新的“宇宙之窗”，都会有意想不到的收获。

我认为，21世纪将是人类绘制、理解和探索宇宙黑暗面的世纪。而且由于宇宙中“黑暗成分”如此之多，我们必定会一次次被震撼。最终，我们需要将两幅图像——一个是从“光”中获得的宇宙图像，一个是从“引力波”等“黑暗通道”中获得的图景——融合起来。我相信，21世纪的宇宙学将和20世纪一样令人兴奋，甚至更加激动人心。

三联生活周刊：现代宇宙学研究给人的感觉过于依赖最新的观测结果。从詹姆斯·韦布空间望远镜到DESI项目。这留给了理论学家什么机会？

赫托格：（宇宙观测和宇宙学理论）这是同一枚硬币的两面。如果你无法对你的观测结果做出解释，那你就不能说自己真正发现了什么。

对我来说，理论和观测密不可分、相辅相成。当然，有时候观测结果会让我们感到惊讶，并激发出全新的理论思考。就像上世纪90年代末发现暗能量的观测结果，它促使整个理论物理界开始努力探索暗能量到底是什么。后来，理论界逐渐提出，暗能量可能是随时间演化的，这进一步激发了像DESI这样的项目去检验这个假设。

所以我认为，我们正处在宇宙学的黄金时代，正是因为观测与理论之间的这种良性互动。我们现在拥有完善的理论模型，也有足够先进的观测技术去验证这些理论，并借此做出新的发现，而理论又会不断吸收这些新发现，形成更加扩展的模型。所以我相信这个黄金时代还将持续几十年，尤其是因为我们有了多个维度的观测手段，比如引力波观测，它将继续推动宇宙学不断向前。