时间之前

吴飙

北京大学物理学院教授

1. 宇宙似乎是为了生命的存在而精心设计的。原子核内的强相互作用若与实际情况有很小的偏差，恒星内部的核聚变将难以产生碳，而碳是生命的基础；另外，空间正好是对生命非常友好的三维；各种物理参数的大小也是恰到好处。“为什么宇宙是这个样子的？”1998年6月中旬，托马斯·赫托格受邀第一次来到霍金的办公室时，霍金向他提出了这个问题。自此，赫托格开始与霍金共同研究量子宇宙论，探寻时间之源。

2. 可以试着提一个小一点儿的问题：为什么地球上有生命？通过和太阳系中其他行星的比较，我们发现地球正好处于一个恰当的位置，其质量大小也正合适。通过和银河系中其他恒星比较，我们发现太阳的大小也正好合适。这一切似乎是有人为了生物的存在精心设计的。很多人确实是这样认为的：一个超自然的主宰精心设计了太阳的质量、地球的质量以及它们之间的相对距离以保证地球有生命。但科学现在已经给出了更合理的解释：宇宙中有很多个恒星（保守估计大约1022个），这些恒星和它们的行星各不相同，其中有适合生命的行星存在是非常合理的。事实上，现代天文观测已经在太阳系之外发现了很多适合生命居住的行星。

3. 如果有很多个不同的宇宙存在，那么其中有少数几个适合生物生存的宇宙就不足为奇了。这就是多元宇宙论。霍金对多元宇宙论并不满意，这不难理解。我们知道恒星是由星际尘埃在引力的作用下聚集形成的。尘埃的分布是不均匀的，于是形成了大小不同的恒星以及它们的行星。而相对于恒星与行星的形成，我们对宇宙的了解则非常有限。根据暴胀理论和多世界理论，多元宇宙是可能的，但是我们并不知道多元宇宙中的宇宙是如何形成的，为什么不同的宇宙会有不同的基本相互作用。如果想彻底回答这些问题，我们必须知道如何描述大爆炸发生那一刻的一切。关于大爆炸以后发生的事情，我们已经大致了解，但是对于大爆炸本身，我们迄今一无所知。霍金的目标是建立关于大爆炸的量子理论，告诉我们时间之前发生了什么，以及为什么我们的宇宙对生物这么友好。

4. 1998年的那次会面之后，托马斯和霍金开始了一段共同探寻宇宙和时间之源的旅程。他们的探索持续了大约20年，直到霍金于2018年去世。托马斯探望了临终前的霍金，进行了最后一次交谈。霍金（通过电子器件）费力地说道：“是时候写一本新书了……”于是就有了这本《时间起源》，它记录了霍金在他人生最后20年对宇宙和时间的思考和探索。

托马斯的书生动地记录了霍金的思考和探索，同时作为背景资料也描述了现代宇宙学的发展，特别是详细介绍了勒梅特对大爆炸理论的贡献。托马斯在书中深入浅出地介绍了与宇宙学相关的物理和数学知识，比如量子干涉、量子测量、多世界理论和超弦理论。他的写作风格通俗易懂，经常使用类比的方法以及图表来更加清晰地解释复杂和微妙的概念。书中穿插的霍金的小故事，让读者在了解厚重的宇宙学过程中得以小憩。

5. 现在有很多关于统一引力和量子力学的理论，但是我们不知道哪一个是对的。甚至所有现存的量子引力理论都可能是错的，包括得到霍金支持的超弦理论。这是因为我们还没有足够的实验数据来验证这些理论。正因为这个原因，我们现在不可能准确地描述宇宙最初的大爆炸，也无从知道时间是如何从中涌现出来的，适合生物进化的物理规律是如何形成的。然而，这并不意味着我们应该放弃探索。我们应该继续努力，寻找真理。霍金就是这样做的。他知道自己可能不会找到答案，但他仍然坚定地走上了探索之路。他认为“哲学已死”，和时间之源相关的问题都是科学问题，不是哲学问题。科学家应该勇敢地去思考和探索。霍金在自己生命的最后阶段正是这样做的，他的精神、勇气和智慧将永远被人铭记。他是一个真正的榜样，他将激励着一代又一代的科学家继续前行。

6. 霍金认为，宇宙的起点是没有时间的。无论将来量子引力理论的具体形式如何，这结论可能都是对的。在物理学中，已经有类似的现象。宏观物质都有体积，但是组成宏观物质的基本粒子，比如电子、夸克，都没有体积。宏观物质的体积来自原子中电子的波函数，电子的一个量子状态。中国古人曾说，一尺之棰，日取其半，万世不竭。根据现代科学，这是不对的。每日取一半，大概一个月后就只剩分子了；继续下去，剩下的将是原子，棰已经不再存在，这时的体积只是电子的一个量子状态。宇宙的寿命大约是1018秒，如果宇宙突然开始坍缩，每日年轻一半，那么大约210天之后，宇宙将回到大爆炸后的10–44秒，即普朗克时间。

7. 这时候时间已经不存在了，剩下的只是宇宙最初的某种量子状态，就像体积源自电子的量子状态一样。按照多元宇宙理论，不同宇宙的普朗克时间可能还不一样，所以10–44秒可能还不是最小的时间。关于宇宙还有太多的问题没有回答，我们将继续霍金的探索。

托马斯·赫托格的《时间起源》是一部关于宇宙和时间的科普书，记录了霍金在人生最后阶段对这些问题的思考和探索。作者用通俗易懂的语言介绍了与宇宙学相关的各个科学领域，包括量子力学、黑洞、弦理论等，带领读者踏上了一段有趣的科学旅程。对于任何有兴趣思考和探索时间和宇宙的人来说，《时间起源》都是一本非常好的读物。它不仅能让读者了解宇宙的奥秘，还能激发读者对科学的兴趣和热情。

幸运的宇宙，幸运的我们

陈佳君

剑桥大学物理学博士，公众号“原理”联合创始人

8. 假如质子要比中子重一点点，假如四种自然基本力中的任何一种都再强一些或再弱一些，假如空间是四维的而不是三维的……假如以上的任何一件事情真的发生了，或者说宇宙中的这些基本属性的值出现了哪怕只是轻微的变化，生命所必需的组成部分都将可能无法形成。

宇宙是如何创造出如此完美的适宜生命生存的环境的？这也许是物理学家史蒂芬·霍金终其一生都在试图回答的问题，同时也是托马斯·赫托格在《时间起源》一书中所探讨的主题。尽管对于大多数人而言，宇宙精细调节问题听起来太过于虚无缥缈，但我仍然推荐大家阅读这本书。

9. 在这趟探索之旅中，赫托格并不是一个被动的观察者，而是一个积极的参与者。1998年6月中旬，赫托格走进霍金位于剑桥大学应用数学与理论物理系(DAMTP)的办公室，霍金说道：“安德烈声称有无限多的宇宙。这太离谱了。”赫托格问：“为什么我们要操心其他宇宙呢？”霍金答：“因为我们观察到的宇宙似乎是被设计好的。为什么宇宙是这个样子的？我们为什么会在这里？”

这样一个独特的开场白，“后来演变成了一场奇妙而密切的合作”。我相信，能够翻开这本书的人，大多都可能读过或者收藏过霍金的《时间简史》。在那本书中，霍金带领我们思考了时间的本质、黑洞的属性、宇宙的起源。但《时间简史》中的内容并不是霍金思考的终点，这不仅是因为宇宙学在它出版之后迎来了重大发现，也是因为霍金开始用全新的视角去看待宇宙。

10. 为了理解霍金最后的思考，赫托格将我们带回了1917年。那一年，爱因斯坦将他刚发表不久的广义相对论应用于整个宇宙上，从而为现代宇宙学打下了坚实的理论基础。可以说，如果你想要了解过去100年宇宙学的发展，那么读完这本书，你的宇宙观至少将经历几次天翻地覆的改变：

第一，对于生活在地球上的我们而言，银河系是非常巨大的。离太阳系最近的一颗恒星，光都要耗时4年多才能抵达。而我们的银河系有上千亿颗恒星，无怪乎在100年前，几乎所有人都认为银河系便是宇宙中唯一的星系。1925年，天文学家针对“银河系是不是唯一的星系”展开了一场“世纪大辩论”。最终，哈勃用他的观测为这场争论画上了句点，他确认了银河系只是众多星系的一员。不仅如此，后续对星系的观测还表明，宇宙正在膨胀得越来越大！

11. 第二，既然宇宙在膨胀，那么一个自然的推测便是，在遥远的过去，它有一个更小、更炽热、更致密的开端。事实上，弗里德曼和勒梅特在20世纪20年代初就通过求解广义相对论的核心方程，发现宇宙并不像爱因斯坦所认为的那样是静止的。而现代卫星对宇宙微波背景的探测，也使天文学家最终得出一个令人惊奇的结论：宇宙始于约138亿年前的大爆炸。

第三，在过去的几十年中，诸多天文观测都指向了一个令人惊讶的事实：我们熟悉的恒星、星系、气体等所有普通物质，仅占据宇宙的物质和能量的5%，还有95%是由神秘的暗物质和暗能量构成的。尽管我们对它们的本质一无所知，但天文观测表明，它们对整个宇宙的形成和演化都至关重要。

12. 第四，在宇宙的极早期阶段，它曾经历了一次令人难以想象的指数级暴胀。这个大胆的想法解决了许多传统大爆炸模型无法解释的问题，但暴胀理论也同样预示着一个富有争议的结论：我们的宇宙只是无数个宇宙中的一个，每一个独立的宇宙都遵循不同的物理定律，其中大多数都不适合已知生命的发展。

有意思的是，多元宇宙可以解决精细调节问题：我们只是恰好生活在一切都适合生命发展的宇宙中。然而，这种多元宇宙的思考很快就陷入了各种悖论的旋涡，它也没有给出可验证的预测。

13. 在赫托格与霍金合作的岁月中，他们提出了一个激进的理论，颠覆了物理学家通常思考宇宙的方式。大多数宇宙学模型都是从宇宙大爆炸时的初始条件出发，然后思考如今的宇宙是如何从这些初始条件演化而来的。而霍金和赫托格则是从我们现在看到的情况出发，向过去推演。“这就是为什么霍金将他的最终理论称为自上而下的宇宙学：我们是在倒着阅读宇宙历史的基本原理——这就叫自上而下。”

逆着时间反向推演听起来简单，但霍金和赫托格在他们的思考中加入了量子理论。我们知道，量子力学是一种支配微小物理系统的行为的理论，它有许多独特的特征，“叠加”便是其中一个。如果一个量子物体处于叠加态，那么在它被测量之前，它可以同时具有多个不同的值。

14. 在他们的模型中，大爆炸发生之时，宇宙处于所有可能世界的叠加态。但是因为我们是在某个特定的时间点上观测宇宙的，这个特定的时间点上必然有恒星、星系和人类存在，当我们观测过去时，我们就把可能进化出我们的历史，以及有利于人类生存的初始条件和参数确定了下来。

读完整本书，我们确实应该感到幸运。因为我们今天之所以能够遇到如此多的美好事物，都应该感谢那些存在于宇宙中的“幸福巧合”。

献给宇宙与我们最宝贵的好奇

林群

中国科学院院士、中国科学院数学与系统科学研究院研究员

15. 作为一个常年在我国科普工作一线奔走的“退休老人”，史蒂芬·霍金是我在多个场合和多次采访中都会提到的科学家，也是我多年来一直敬佩的物理学家。

霍金的贡献不仅在于物理学领域，更在于公众范围的科学传播。霍金著述颇丰，除了家喻户晓，几乎在每个欧洲家庭的书架上都有一本的《时间简史》，他在科研的同时还出版了《果壳中的宇宙》《霍金讲演录——黑洞、婴儿宇宙及其他》《大设计》等作品。2018年3月，霍金去世后，依然有《十问：霍金沉思录》问世。

16. 而此时此刻，你我正在阅读的《时间起源》，它的作者本来也应当写上史蒂芬·霍金的名字。比利时鲁汶大学物理学家托马斯·赫托格自跟随霍金读博起，就成了霍金合作密切的学术伙伴。他是霍金的弟子，是霍金的同事，也是霍金的朋友。在这本书里，赫托格详细地阐述了霍金生前最后关于时间起源的理论思考。

自上而下的宇宙学的发展，是霍金与赫托格的合作中最为紧张也最富有成果的阶段。曾经参与撰写《大设计》部分书稿内容的赫托格，在霍金去世后明白，自己要独立承担起向这个世界系统性地展示霍金最后的理论的工作了。霍金最后的理论，是自上而下的宇宙学观念，是晚年霍金对于更早期的自己——写作《时间简史》那个时候的秉持自下而上观点的霍金——的颠覆。

17. 这本书中，除了理论上的详尽阐释，更有各种合作细节的娓娓道来。霍金特殊的身体情况和沟通方式世人皆知，而在赫托格细致的回忆视角下，我们能够看到，在这样的不便下，一位科学巨人是如何以其对科学的热爱做出了不凡的事业的。他的风趣幽默，他的活跃与好奇，全都跃然纸上。

科普教育需要科学家，科学家作为科学知识的生产者，有责任和义务承担起向大众普及科学的重任。他们能使真理露出海面，还能把原创性的东西告诉大众。科普对科学家本人也有益，它能使科学家更好地消化和理解自身的专业。

18. 不仅如此，科普教育也依赖大科学家。当年华罗庚做讲座，全国有百万人在听，我做讲座就只有几十个人，这就是差距。同时，大科学家对问题的理解最透，因而能以最浅显易懂的方式传授给公众。霍金当年在撰写《时间简史》时，就非常注重如何在尽量不引入公式的情况下让公众明白其中的概念。令人遗憾的是，在我国，长久以来，致力于科普教育的科学家并不多，这可能是受“从事科普是不务正业，没有创新性，科研搞不下去了才去做科普”的观念影响，近年来情况才稍微有些好转。事实上，科普与创新不但不矛盾，还能相互促进，霍金就证明了这一点。

19. 《时间起源》是霍金最后的理论，也和《时间简史》构成了呼应，仅仅从书名结构上就能看出来，《时间起源》是回到最终问题的答案，在某种程度上也是对《时间简史》的致敬。用赫托格的话来说，霍金是一个渴望我们所有人都能更多地从宇宙的角度看待我们的存在，并从深层次的角度思考问题的人。这不仅是一本关于宇宙学的科普图书，更是让我们得以一窥伟大科学家最后的精神世界的佳作。推荐给对我们的宇宙怀有好奇的每一个人。

问鼎宇宙勘妙理　穿越时空逐本源

邱涛涛

华中科技大学物理学院天文学系副教授

20. 2023年年初，我收到中信出版社的来函，邀请我翻译这本《时间起源》，我欣然接受。一方面，中信出版社与我是多年合作的老朋友，盛邀之下义不容辞；另一方面则是因为该书的作者是著名理论物理学家、霍金的前学生托马斯·赫托格先生，该书的内容也是读者们关注度极高的引力与宇宙学这一神奇的领域。作为同样从事这一领域的科技工作者，能够将这部作品分享给广大的中国读者，我也感到万分荣幸。

21. 借着翻译的机会读罢此书，我的感觉是此书既可以作为一部精彩的科普著作，又可以作为一部详实的人物传记。在这本书里，作者以广博的知识、细腻的笔法，将现代物理学发展的壮丽史诗如画卷般展开，将个中滋味娓娓道来。它以不大的篇幅，承载了以霍金、赫托格等人为代表的理论物理学家们大胆前卫的科学乃至哲学思想，给予读者们一次又一次思想上的洗涤。它同时也不惜重墨描写了霍金的生平及奋斗历程：青年时初露锋芒，中年时光芒四射，晚年离世时却显得有些凄婉。然而这本书与一般的人物传记又有些不同。作为霍金的学生、毕生的合作者和密友，作者以自己与霍金的亲身接触为第一手资料，将自己的经历融入了霍金的一生中，也让我感受到了他们浓浓的师生之情和战斗情谊。

22. 宇宙的本源是什么？无数物理学大家对这个问题都有着深深的执念。爱因斯坦与勒梅特，霍金与林德……这一段段终其一生的争论也成为宇宙学历史上的佳话。爱因斯坦笃信宇宙是静止的、亘古不变的，而同时身为神父的天才物理学家勒梅特则认为宇宙有一个开始，在这个开始之前，时空无法定义。“我们可以把时空比作一个开口的圆锥形杯子。……如果我们想象着回到过去，我们就到达了杯底。这里是第一个时间点，它没有‘昨天’，因为已经没有空间留给它的‘昨天’了。”（乔治·勒梅特，《原始原子的假设》，见第2章）。这是20世纪连宇宙学观测都还很匮乏的年代，理论物理学家们对宇宙开端的朴素理解。虽然后来星系退行、宇宙微波背景等一系列发现似乎支持了勒梅特的观点，但对于宇宙的开端到底是什么样子，勒梅特的解释似乎仍然不尽如人意。

23. 然而历史总是向前发展的。半个多世纪后，霍金和林德等人开始重新审视这个问题。霍金将宇宙的开端问题视为宇宙学理论的“边界条件”：“一个完整的理论，除了要包含一个动力学的理论之外，还要包含一组边界条件。”（见第3章。）因此，他创造性地提出了他的“无边界理论”，认为宇宙的开端就像羽毛球的顶端一样，是黏合在一起的，如果沿着时间往回追溯，就像一只小虫沿着羽毛球的骨架爬向顶端一样，最终会爬到羽毛球的另一面。而这种强大的黏合剂就是量子效应。“问大爆炸之前发生了什么，就像问南极以南是什么一样”，霍金这句话似乎点醒了大家：宇宙的开端是什么样，也许本身就是一个伪问题。他跳出了前人预设“宇宙有一个开端”的桎梏，指出宇宙实际上“并不存在边界”。当然，林德、萨斯坎德等人的多元宇宙论也不遑多让。

24. 他们认为，宇宙是处在一片无限的暴胀之海中的一座座孤岛，形成这些孤岛的边界条件完全是随机的，之所以我们生活在这个宇宙中，是因为这里的边界条件恰好适合我们。这似乎一劳永逸地解决了边界条件问题，但霍金认为，这样的解决方式并不具有可证伪性。直到今天，霍金去世之后，这一争论仍在持续。其实物理学，乃至整个科学，就是这样在不断争辩中发展起来的。玻尔与爱因斯坦之争促进了量子论的发展，霍伊尔与伽莫夫之争催生了大爆炸宇宙学，甚至在霍金去世前的2017年，他与斯坦哈特等人还在为了暴胀是否存在而争论不休。真理的宝藏往往是藏在自然深处的，只有善于思考、勇于争辩的大脑才能冲破重重艰难险阻，最终获得大自然的馈赠。不是吗？

25. 早年的霍金认为，宇宙的边界条件无论为何，总是凌驾于宇宙之外的，是“大自然的设计者”强加于斯的，这在霍金的名著《时间简史》中也有所体现。即使他的无边界理论宣称不需要边界条件，也只能说明设计者在创世之初将其隐藏起来了而已。但在时隔10余年后，霍金却再度推翻了自己的观点。正如赫托格在本书中披露，有一次霍金急急地把他叫进办公室，然后对他说：“《时间简史》的视角错了。”（见第6章。）无边界理论巧妙地规避了宇宙开端的问题，却引发了另一个问题，即无边界理论表明我们这个宜居的宇宙产生的概率很小。

26. “从表面上看，霍金的无边界波函数的形状是由经历过一次较小的暴胀，后又迅速坍缩的宇宙主导的。那些经过剧烈暴胀、形成星系并变得宜居的宇宙并没有完全被理论排除，但它们位于波函数的尾端，在该理论中我们几乎找不到它们的存在。”（见第4章。）这和多元宇宙学一样，又使霍金陷入深深的泥潭之中。在进行了长期深入的思考后，他终于意识到，我们不应该用上帝视角从外部观察和揣摩我们身处其中的宇宙，而是应该从内部看待它。更为甚者，他向世人抛出了他的又一惊人观点：“过去在某种意义上取决于现在”（见第7章）。

27. 他的这一观点，很大程度上得益于弦论的第二次革命，特别是马尔达塞纳全息对偶的发现。马尔达塞纳发现了一个时空区域内的引力及其边界上的场论之间的联系，这促使霍金将宇宙的过去与现在联系起来。这种联系不是单向的联系，而是双向的联系，即宇宙的现在也可以影响甚至决定过去，而联系的纽带则是我们的观测，正如量子观测决定了波函数坍缩后物质的状态一样。“通过一层层地剥离全息图中的信息，直至只剩下几个远距离纠缠的量子比特，我们一步步进入过去”，而当纠缠的量子比特全部用完时，我们也走到了时间的尽头（见第7章）。这就是霍金对时间之源问题的最新解释。

28. 这一观点听起来似乎荒诞离奇，有违我们一直以来信奉的科学观——世界是客观的，是与观察者无关的存在，科学家的作用只是去发现它而已。但在量子论诞生之前，谁又会想到，人类的一次窥探会决定一只无辜的猫的生死？或许真的正如海森堡所言：“人类在寻找客观现实的过程中会突然发现，他处处遭逢的是他本人。”（见第7章）。

难怪霍金说：“是时候再写一本书了。”这便是本书的由来。

通过这本书，我也有幸重新“认识”了霍金。霍金不仅是一位物理学家，更是一位哲学家，一位人生导师。他并不满足于提出一个理论、解释一种现象，而是试图用他天才的物理直觉、无尽的想象力和敏锐的洞察力感染着我们——他身边的人和他所有的读者，企图颠覆我们对整个世界、整个历史的看法。

当然，至于是非对错，留与后人评说。

29. 本书的翻译工作自2023年农历年初起，至五一假期时止，历时四月有余，几易其稿。译者虽水平有限，仍尽己之力在保留作者原意的同时，力求语言通俗易懂，能为一般读者所接受。考虑到书中难免出现一些专有名词和当地俗语，为确保读者能知晓其意，因此我自作主张加了不少注释；有些词语因其特定的语境，和日常的意义有所偏离，因此不得不反复斟酌，以求词能达意；还有些哲学、生物学等其他领域的术语，超出我的知识范围，还需要求助于网络、相关书籍或我认识的专业人士。如hesitating universe一词，hesitate通常翻译成“犹豫”，但犹豫一般是指人的思想活动，这里指缓慢膨胀的宇宙，因此译成“踌躇”，我认为更能反映其行为特征（当然还有一个词“彳亍”，但考虑用的人较少，不够通俗，故弃之）。

30. 再如retroactive与retrospective本是近义词，很难区分，但我在查阅资料及斟酌上下文之后，发现前者指可以改变过去，后者指不能改变过去，故分别翻译成“可追溯性”和“回顾性”。顾者，看也；溯者，则有追究之意。如此这般，不胜枚举。当然，这些只是我个人的粗浅理解，一定有理解不到位甚至谬误的地方，也敬候广大读者的批评指正。

本书在翻译过程中，得到了华中科技大学生命科学与技术学院付春华教授、物理学院龙江教授等同人的指点，以及我的研究生虞志远、杨承睿等同学的帮助。本书的翻译工作得到了科技部重点研发项目（项目号：2021YFC2203100）的资助，在此特表谢意。

也希望广大读者能够喜欢这本书。

31. 在量子宇宙——我们的宇宙——中，我们正在了解着自己。自上而下的宇宙学，无论是否以全息形式存在，都根植于我们与宇宙的关系。它有微妙的人性化的一面。在很多场合，我都有一种强烈的感觉，对我们的宇宙从上帝视角转变到虫眼视角，就像是回到了史蒂芬·霍金的身旁。

托马斯·赫托格

从史蒂芬·霍金那里，我们可以学会热爱这个世界，爱之至深，以至于渴望重新想象它，永不放弃。做一个真正的人。尽管史蒂芬几乎无法动弹，但他是我所认识的最自由的人。

托马斯·赫托格