这两天，英国著名物理学家史蒂芬·霍金、前美国国家航空航天局艾姆斯研究中心主管Pete
Worden、图灵奖得主姚期智这三位大咖出现在第五届腾讯WE大会，都谈到了人类在地球之外建立家园的可能性。其中，霍金带来了“突破摄星（Breakthrough
Starshot）”计划的最新进展，这或许依然与他的“AI威胁论”有一丝联系，他早前接受《连线》杂志采访时表示：“我担心AI某天会完全取代人类”，倡导更多的人投身于科学事业，并补充说人类应该制定新的太空计划，找到宇宙中合适的行星，作为人类另一个可以居住的地方。
事实上，霍金“摄星计划”的初衷是为了更好地了解宇宙，以及给科学和太空探索带来革命性的变化。关于如何更好地了解宇宙，霍金最近还公开自己1966年的博士论文《Properties
of Expanding
Universes（宇宙膨胀的属性）》，放到剑桥大学开放获取数据库里，不到24小时就被下载了将近6万次，甚至一度导致网站崩溃。而就在一个多星期前，人类首次探测到双中子星系统并合引力波，及其伴随的电磁信号，成为天文学的一项巨大发现。
无独有偶，早在1988年出版的霍金著作《时代简史》就囊括了近期新发现的引力波，最后一章为“奇点”，从物理学的角度探究宇宙本身的起源。《时代简史》现在已被翻译成 40 多种语言，全球销量超过 1000 万册，成了迄今为止最成功的科普读物之一。
本文将结合《宇宙膨胀的属性》和《时代简史》，解读霍金关于宇宙起源的观点。
宇宙起源的各学说
不仅是霍金的论文和引力波，事实上，现今人类对宇宙的了解很多都和“大爆炸宇宙论”（The Big Bang Theory）有关。
宇宙源于奇点所发生的大爆炸，这个爆炸过程被称为宇宙大爆炸，对此进行描述的理论称为宇宙大爆炸理论。这一理论认为，宇宙起源于大爆炸，而普通物质、暗物质和暗能量也都是在大爆炸中诞生。
事实上，宇宙大爆炸早已不是科幻描述。在哈勃定律和宇宙膨胀现象的指引下，比利时天文学家勒梅特于1927年最先提出宇宙起源一个致密的“原点”，其爆炸产生了我们今天的宇宙。1948年，伽莫夫发表αβγ论文从而建立“大爆炸宇宙”的理论。宇宙大爆炸理论的主要内容是：从奇点爆炸到其后的普朗克时间（时间量子间的最小间隔）内，物理规律失效，之后进入大统一阶段，物质和能量可以互相交换，
电磁力、弱核力、强核力和引力四种作用力统一。随着宇宙膨胀和温度下降，出现夸克、反夸克和光子。而后进入核合成时代，逐步出现轻子、质子和中子，然后形成氦核，并且逐步演化出我们当今的宇宙。
大爆炸理论提出之初非但没有得到科学界的支持，当时还遭受到讽刺。比如“大爆炸”一词，就是霍伊尔为了说明伽莫夫理论的荒唐而取的带有贬义色彩的词语。甚至伽莫夫自己也对该理论也信心不足，最终放弃了对宇宙大爆炸理论的研究，转而研究分子生物学。不过，经过近百年的发展，宇宙大爆炸理论获得了许多证据的支持，成为了一个流行的理论。
这些证据主要包括宇宙的年龄，氢和氦的丰度和宇宙膨胀等。关于宇宙膨胀，开篇提到的《宇宙膨胀的属性》是重量级的研究成果。论文第一章，霍金用了大量的方程来证明自己的宇宙扩张理论，挑战了传统上英国天文学家霍伊尔和加扬·纳里卡的万有引力理论（the
Hoyle-Narlikar theory of gravitation
）；第二章中，霍金分析了宇宙膨胀的摄动（在一个膨胀的、同质而各向同性的宇宙中的扰动），并得出结论：星系的形成不可能是由于最初始的扰动积累而造成的，因为这些扰动过于微小，他同时还证明了引力辐射的传播与吸收；在第三和第四章，霍金分别介绍了检测膨胀宇宙的引力辐射、宇宙模型的奇异现象，也就是说，引力辐射会在一个膨胀的宇宙中渐近展开，它源于一种“剥离”行为和渐近群组，此外，宇宙学起源的引力波，即宇宙大爆炸产生的引力波（或称为原初引力波）也能证明该理论，但目前探测到的都是天体物理学引力波，比如黑洞和中子星合并产生的引力波，它们不能对该理论提供强有力的证明。霍金还用一组宇宙模型解释了奇点的出现，并表示在大致条件可以满足的前提下，奇点的出现是不可避免的。
上世纪80年代，科学家们发现一些问题无法用宇宙大爆炸理论解释，比如视界疑难、平直性疑难和磁单极等等。想象一下：你身体里的所有物质都曾经——以这样或那样的形式——同这个宇宙中的所有物质，被压缩进同一个很小很小的点内。大约在140亿年前，这个点快速膨胀，产生了空间和时间。而现在，这个点依然在膨胀。为了解决这类问题，物理学家林德、古斯等人提出宇宙暴胀模型（或暴涨模型）。这个理论模型其实只是改进版的大爆炸模型，只是在某些时间段把“爆炸”变成“暴胀”，暴胀比爆炸所描述的宇宙变大的速度更快，以指数函数形式发生。并且，暴胀理论中出现了由“假真空”进入“真真空”的事件，而在大爆炸理论中，宇宙直接进入真真空状态，因此不存在这一阶段。
事实上，“大爆炸”这一术语来自一个巧合：稳态理论的忠实拥护者弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）嘲弄般地创造了这个术语。要理解霍金是如何揭示这样起源的可能性，我们还需了解一些基础物理知识。
时空和奇点
二十世纪初期，阿尔伯特·爱因斯坦提出了广义相对论，颠覆了我们对重力的认知。爱因斯坦的理论揭示了一个道理：由于物质或能量的存在，重力可以被视作时空的弯曲。
时空的概念有助于更好的思考宇宙，一个结合了三维空间和一维时间的宇宙。所有的物体和事件都在时空中的某一个点发生，但大多数人难以想象这一概念，原因是尽管我们可以自如地穿梭于三维空间，却无法自由的在时空中旅行。有点像昆虫困在了池塘表面。尽管存在其它空间维度，昆虫却只能在池塘表面这一二维空间移动。
广义相对论揭示了时间和空间的关系。这一理论中，爱因斯坦提出了“场方程”，描述了时空弯曲与质量和能量密度的关系。
图示：由于物体存在质量，而导致时空弯曲。来自ESA–C.Carreau。
这些场方程公开发表之后，其他科学家利用这些场方程探索不同物理条件下时空概况。某种情况下，所有物质被压缩成某一点，场方程预示着一种奇特现象：时空弯曲有时会非常极端，极端到连光也无法逃逸。今天，我们知道这种情况以黑洞的形式存在，我们在太空中发现了黑洞的证据。
这场方程变得无限时的解决方案就是这些“奇点”。霍金博士论文的最终一章探究了奇点的概念。他的研究不是为了黑洞周围的时空，而是为了整个宇宙。
从黑洞到“大爆炸”
宇宙学中，有一条核心法则，一般而言，太空必须具备均匀性和各向同性。换句话说，大尺度上，宇宙中的物质必须非常均匀，且各个方向上也是均衡分布的。
爱因斯坦的场方程，满足所有条件的最简单解法是“罗伯逊——沃尔克度规”，以推动了这一发展的两位科学家的名字命名。这一度规只是用于描述时空中任意两个事件的间隔。
尤为重要地是，罗伯逊——沃尔克度规解法允许度规中的时空部分可以随时间的变化而变化。这意味着它可以描述一个正在扩张的宇宙。二十世纪二十年代，爱德文·哈勃证实了其它星系真的正在远离我们，从而发现了宇宙膨胀的实例证据。
图示：正在扩张的宇宙。来自NASA。
罗伯逊——沃尔克度规和场方程可用宇宙学家称为“尺度因子”的单位描述膨胀，即从某一特定点到现在，太空已经膨胀或压缩的程度。
如果宇宙正在膨胀，那么，过去的宇宙理应更小、密度更大。如果把时钟拨回到足够远的过去，尺度因子将变为零。宇宙中的所有物质和能量过去定然集中在某一点上，该点的密度将无穷大：该点便是宇宙学中的奇点。这是“大爆炸”理论模型的基础，有一点类似于反过来看黑洞。
与稳态理论的对决
“稳态理论”模型试图淘汰宇宙学中的奇点，而很多人认为这并无道理。奇点被视作广义相对论预言中的缺陷，不符合已知的物理定律。
根据“稳态理论”模型，宇宙是永恒的，根本不存在开始。显然，宇宙膨胀可以通过把一个“创造场”或者“C场”增加到爱因斯坦的场方程中，便可解释这一现象；而这意味着，太空中星系彼此渐行渐远的同时，星系之间依然不断有物质产生。
但霍金博士论文的最后一章中，他提出，“C场”的概念自身也伴随着一系列的问题，而根据罗伯逊——沃尔克度规得出的正确模型则描述了最初的奇点。
很多人看来，霍金之后所做的事情可谓是开天辟地。以英国物理学家罗杰·彭罗斯（Roger
Penrose）的成果为基础，霍金从数学的角度证明了奇点并不是“大爆炸”理论的缺陷，而是自然的预期特征。霍金有力地证明了证明当把广义相对论应用于宇宙学时，就必然会出现“奇点”
半个世纪之后，“大爆炸”理论这一宇宙起源说的观测证据占绝对优势，“稳态理论”模型逐渐被废弃。霍金在宇宙学和理论物理学方面做出了里程碑式的贡献。
原文发布时间为： 2017年11月6日
本文作者：周雅