霍金的“新发现”——《时间简史》（插图版）

本文节选自《时间简史》（插图版）—“新发现”一章

史蒂芬·霍金

2016年

诸如我们起源的问题一度被认为是哲学家和神学家的领域，但科学逐渐给出了答案；确凿的事实取代了推测。尤其是自1996年《时间简史》再版以来的20年间，我们在理解宇宙的起源和演化方面进展显著。我在书中提出的许多假设性思想现在已经获得证实，还有一些进展则是意外之喜了。

时间简史（插图版）

| 微波背景辐射和无边界设想

如果无边界设想是理解这些进展的关键，那么我们应该基于对早期宇宙的观测认识的迅速提高，重新审视它是如何成立的。特别是，我们现在可以通过测量宇宙微波背景辐射来理解宇宙结构的起源。

微波背景辐射，顾名思义，是由微波构成的，与你的微波炉使用的微波一样，只是功率要小得多。它们只能把比萨加热到270.4°C，连解冻都做不到，更不用说烤熟了。但这些超弱微波具有惊人的价值，因为对于它们的存在，只有一种合理的解释：它们是宇宙非常炽热和致密的早期阶段留下的辐射。随着宇宙膨胀，辐射逐渐冷却，直到成为我们今天可以探测到的微弱余晖。

1965年，背景辐射的存在得到了证实。一经发现，它就被视为爱因斯坦广义相对论预言的有力直接证据。几个月前，我刚刚完成了博士论文，其中一部分就是为了证明，在爱因斯坦的图景中，早期的炽热的致密阶段是不可避免的。

普朗克卫星（2009年发射）观测到的有史以来最详细、最精确的宇宙微波背景图。ESA and the Planck collaboration

辐射测量的价值变得更高了。起初，微波的强度似乎在各个方向上都相同，这就导致了诸如暴胀等思想，它最初是为了解释早期宇宙是如何变得如此均匀而提出的。经过仔细考察，它实际上预言的是，各处之间会有非常微小的差异。这种均匀性的偏差源自量子力学的不确定性，会导致最小程度的涨落。

随着一代代空间望远镜对微波背景辐射的测量精度的不断提高——首先是1989年发射的COBE，然后是2001年发射的WMAP，最后是2009年发射的普朗克卫星——这一预测已被证明是正确的。辐射强度确实发生了变化，变化幅度约为十万分之一。更重要的是，我们现在已经确定，背景辐射的变化的精确模式与我和其他人通过将暴胀模型与无边界设想相结合而做出的具体预测一致。

为了描述大爆炸时的物理条件，无边界设想将爱因斯坦的相对论与量子理论结合起来。它说，当我们回到宇宙的起始，空间和时间会变得混沌并“终结”，有点像地球表面的北极。根据无边界设想，询问大爆炸之前发生了什么是没有意义的，因为没有时间概念可供参考。这就像问北极以北是什么。

我与我的同事哈特尔（30多年前我与他一起首次提出了无边界设想）以及托马斯·赫托格（Thomas Hertog）对这一切进行了检验。根据无边界设想，我们计算了大爆炸会产生什么样的宇宙，并将这一预测与我们的观测进行了比较。结果证实，我们的宇宙应该诞生于一次暴胀爆发。

因此，现在在微波背景辐射中测量到的特征似乎证实了暴胀和无边界设想，但该理论有一个关键预测尚未得到验证。根据暴胀理论，微波辐射的一小部分涨落可以追溯到快速膨胀相产生的引力波。这种原初引力辐射类似于黑洞的量子辐射，可被认为来自宇宙早期暴胀相的事件视界。如果能探测到它，将证实黑洞会发出量子辐射，而这几乎是不可能直接证实的。我将在下面详细介绍引力波的探测，但早期宇宙中产生的引力波在辐射的偏振中表现得最为清晰。在测量这种偏振方面，我们还处于早期阶段，但它确实有望为我们的大爆炸理论提供确凿而令人信服的证据。

即使没有清晰的偏振视图，宇宙微波背景数据也已经足够好，我们现在可以开始填补一些空白了。暴胀和无边界设想留下了许多未具体说明的细节：例如，所涉及的精确能量，以及与基础粒子物理学的关联。这些细节微妙地改变了预期的模式；通过仔细研究所看到的东西，我们现在开始理解接近大统一能量的物理学。要知道，它比地球上最好的实验设施大型强子对撞机所能探测的能量要高1万亿倍。

| 引力波

如前所述，利用宇宙微波背景的偏振来证明引力波是在早期宇宙中产生的，将是一种非常直接地证实暴胀涉及高能量的方法。我希望这一进展不会让我们等太久；与此同时，我们最近已经看到现代宇宙可以产生引力波的直接证据。在爱因斯坦首次预测引力波存在整整一个世纪后，一个名为“LIGO科学合作组织”的全球科学家联盟于2016年宣布首次探测到了引力波。

两个相互旋转的恒星甚至黑洞可以产生强烈的引力波。在PSR 1913+16区域的观测清楚地表明，两个中子星由于发射引力波而失去能量，正相互旋近。

最初的60年是最艰难的。在这段时间里，人们对引力波的状态感到困惑：它们应该真实存在，抑或仅仅是与现实无关的数学手段？就连爱因斯坦自己似乎也不确定，他差点在20世纪30年代发表一篇否认引力波存在的错误文章。随着时间的推移，物理学界最终确定，引力波应该是真实的。其影响之一是轨道天体会非常缓慢地损失能量。直到最近，这种能量损失还是我们证明引力波存在的唯一证据。它非常具有说服力，但仍然是间接的。

实际上，测量经过地球的引力波在技术上极具挑战性，这就是为什么直到2015年才探测到。事实证明，数十年的技术发展是值得的，因为我们现在有了一种全新的方式来研究宇宙。即使是LIGO探测到的第一个事件——两颗黑洞碰撞并合产生的引力波也足以让我们确认我们对这一过程的理解，无论过去还是未来，这一过程都是传统望远镜无法探测的。

对我来说，观测到黑洞碰撞非常令人兴奋。在不久的未来，LIGO会观测到许多此类事件。我相信，这些观测将证实我在1970年做出的预测：黑洞最终的表面积大于初始黑洞的面积总和。这个“面积定理”在数学上是可靠的，它让我稍后意识到黑洞会随着时间的流逝而逐渐失去质量。不过，想法只有经过自然检验之后才能确定[1]。（2021 年，科学家再次仔细分析了第一个引力波信号 GW150914 后发现，并合形成的黑洞的视界面积并未减少，是对霍金黑洞面积定理的首次直接观测证实。 ）

LIGO和其他引力波天文台都有着光明的未来。我们可以期待建立一个大型探测目录，提供对宇宙中黑洞数量的详细洞察。这反过来又将使我们能够寻找与基于爱因斯坦理论的预测的哪怕是微小的偏差。当我们继续寻找完整的量子引力论时，这个关于时空极端区域的信息宝库将极具价值。

| 展望

自本书再版以来的20年里，宇宙学日新月异。其中一些进展，比如引力波探测以及我们对早期宇宙认识的稳步提高都是预料之中的；而其他进展（比如暗能量和加速宇宙）则不然。

也许最引人注目的趋势是让许多人感到不舒服的那个：无边界设想和永恒暴胀越来越强烈地表明，我们的宇宙只是众多宇宙中的一个。哥白尼在16世纪首次提出，我们甚至都不位于我们自己的宇宙的中心；我们现在仍在努力接受我们熟悉的世界只代表了现实的非常渺小的一部分。也许用不了多久，多重宇宙的证据就会变得不容辩驳。

尽管多重宇宙广阔无垠，但从某种意义上说，我们仍然很重要：我们仍然可以为自己是理解这一切的物种的一分子而感到自豪。鉴于此，未来几年应该会和过去20年一样令人兴奋。

一审：周洋

二审：李蓓

三审：孙桂均