量子理論（支配亞原子領域）和愛因斯坦的廣義相對論（描述宇宙尺度的現實）通常被認為是20世紀物理學中最重要的發展。但還有一項與這些突破相提並論的發現：宇宙正在膨脹，並且必定起源於過去有限的時間，這個時刻現在被稱為大爆炸。
廣義相對論和量子理論都成為探索宇宙如何演化的重要工具。它們激發了理解星系、恆星、行星以及最終的生物如何形成的新的方法。然而，即使在這兩個革命性理論的光芒下，大爆炸的起源和最早的時刻仍然籠罩在神秘之中。任何令人滿意的解釋似乎都必須以某種方式調和量子理論與廣義相對論有時相互矛盾的原則——同時還要解釋為什麼如此多觀察到的基本粒子、力和場的特性似乎經過微調，以產生我們所知的宇宙中豐富的現象多樣性。
對於已故著名物理學家斯蒂芬·霍金來說，解決這些謎團是一種痴迷——他與最親密的朋友和合作者分享了這種痴迷，其中包括托馬斯·赫爾託格，這位理論物理學家在劍橋大學霍金的指導下獲得了博士學位，論文是關於宇宙膨脹的起源。如今，赫爾託格是比利時魯汶大學的教授（該大學也是喬治·勒梅特（Georges Lemaître）的母校，這位天文學家和羅馬天主教神父於1927年首次提出了宇宙膨脹的觀點）。最近，赫爾託格還是被廣泛報道為霍金的最後一篇論文的合著者：一篇題為“永恆暴脹的平滑退出”的研究，該研究在霍金去世前不久完成，探討了宇宙可能如何開始。
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在他們關於4月27日在《高能物理學雜誌》上發表的聯合論文幾天後，我在赫爾託格在魯汶大學的辦公室與他會面。我們討論了他們論文的起源和結論——以及其新穎方法的本質——其中包括弦理論的發現，弦理論是21世紀物理學中最主要的 emerging paradigms 之一。
[以下是經過編輯的訪談記錄：]
我們都熟悉大爆炸理論，它涉及一種爆發，這種爆發最終演變成宇宙。是什麼啟發您和霍金使用一種新的、不同的方法來看待大爆炸？
喬治·勒梅特、[喬治]·伽莫夫和其他人提出的舊大爆炸理論是基於愛因斯坦的廣義相對論。在這種表述中，大爆炸實際上是時間的開始。但你無法說出在最初時刻發生了什麼。大爆炸是人們所說的奇點——一個質量和密度無限大的點，現有的理論在這裡失效。相對論非常擅長描述宇宙存在後的演化，但它無法說明宇宙的起源，儘管它暗示存在一個起源。在某種意義上，[愛因斯坦的廣義相對論] 預言了自己的衰落。在我們最後的論文中，我們使用量子理論來處理宇宙的開始。
為什麼我們理解大爆炸是如何發生的如此重要？
宇宙歷史的展開方式以及自然規律的產生方式在很大程度上取決於宇宙是如何開始的。自然規律不是某種柏拉圖式的結構，與現實分離且在現實之外。它們是隨著宇宙膨脹和冷卻而出現的——而這發生的方式在很大程度上取決於大爆炸的精確物理條件。現在碰巧的是，我們發現自己身處的宇宙似乎被非常精細地微調，以便複雜性和生命能夠出現。這種微調可以追溯到大約140億年前的大爆炸。因此，在最初的時刻一定發生了非常特別的事情。我們想知道那是什麼。
暴脹的想法——大爆炸後宇宙的巨大而突然的加速膨脹——能幫助揭示這些細節嗎？
是的，我們的理論是對暴脹的一種可能的完善。它解釋了暴脹最初是如何開始的。早期宇宙的暴脹解決了一些主要的難題，例如為什麼宇宙是巨大且均勻的——但又不是完全均勻的。暴脹給出的答案是，近乎均勻性是由於暴脹放大了早期宇宙中的量子漲落。我們今天仍然可以看到這些膨脹漲落的跡象，在大爆炸餘輝（宇宙微波背景）中的微小變化模式中，宇宙微波背景是在宇宙只有38萬年時發射的。這些變化繼續播下了星系形成的種子。
暴脹的另一個結果似乎是多重宇宙的產生；也就是說，宇宙的範圍比我們在自己的宇宙視界內看到的範圍還要大得難以理解——一個無限的宇宙。這個多重宇宙中超出我們宇宙視界的其他遙遠區域可能具有不同的物理定律，並且與我們的距離太遠，無法進行任何通訊或互動。您對此有何看法？
問題在於暴脹往往效果太好。一旦開始，就很難在所有地方停止，至少人們是這樣認為的。如果暴脹是永恆的，如果它永遠持續下去，那麼在某個地方，這將導致空間量呈指數級增長，並點綴著無限數量的“口袋宇宙”，這些宇宙增長得更慢。這就是這樣一幅圖景：我們可觀測的宇宙並非存在的一切，而只是無限多個宇宙中的一個口袋。正如您所建議的，某些關鍵物理常數的值可能會在口袋宇宙之間隨機變化，這將使任何深入理解為什麼我們自己的可觀測宇宙是現在這個樣子的努力都變得毫無意義。
然而，在我們最近的工作中，我們認為不存在永恆暴脹，相反，我們的宇宙在大尺度上近似均勻。
您是如何得出這個結論的？
首先，我們使用了弦理論，這是一個理論框架，其中基本點狀粒子被弦取代。弦的一種振動狀態對應於引力子，即攜帶引力的量子力學粒子。這表明弦理論至少構成了邁向量子引力理論的一步。在我們的理論中，我們讓宇宙的時間倒流，併到達奇點——愛因斯坦方程失效的時刻。在這一點上，我們沒有依賴愛因斯坦的理論，而是使用了弦理論中一個相對較新的概念，稱為全息原理，以投影出時間維度，並以永恆的方式看待整個情況。[編者注：簡而言之，全息原理是指我們的現實實際上可能是一個全息圖——也就是說，時間、空間及其所有內容都可以簡化為編碼在我們可觀測宇宙邊界處的二維表面上的資訊。] 我們發現，這種對宇宙最早階段的新穎全息觀點不會導致永恆暴脹和多重宇宙。相反，出現了一個或多或少獨特且均勻的宇宙。我們的新“宇宙起源論”理論與多重宇宙思想相反，它做出了明確的預測，這些預測應該及時地使其能夠被檢驗——至少在某種程度上是這樣。因此，它為我們提供了希望，我們可以更深入地理解是什麼使我們的宇宙如此特殊和適宜居住。
您如何反駁弦理論的批評者，他們認為弦理論無法被檢驗？
我不同意這種說法；我的直覺並非弦理論無法被檢驗。我們可能已經有基於宇宙大尺度結構和演化研究的觀測結果，這些觀測結果告訴我們一些關於量子引力的本質。當然，還需要進一步的理論工作，才能得出在數學上嚴謹、完全可預測的宇宙學框架。
那麼，您論文的關鍵預測取決於暴脹的真實性和本質。這可以檢驗嗎？
是的，存在明顯的觀測量。正如它放大了早期宇宙中微小的量子漲落一樣，暴脹也應該放大了早期宇宙中的引力波。引力波是時空中的漣漪，最早由愛因斯坦預測，並在幾年前最終被觀測到——但我們觀測到的引力波來自鄰近星系中的黑洞和其他恆星遺骸，而不是來自原始宇宙。這些放大的引力波將在宇宙微波背景的偏振上留下印記。天文學家正在積極嘗試探測這種偏振模式。
那麼您對他們會成功持樂觀態度嗎？
嗯，我們的理論當然預測原始引力波應該在一定程度上存在。
斯蒂芬和我最後論文中提出的模型只處理了物理學的一個非常小的領域。我們不談論粒子物理學。最終，在一個完整的宇宙學中，這將必須被納入。但是，我確信我們的工作將導致更多可以被檢驗的預測。
最近，在一些媒體報道中，您的聯合研究主要被稱為霍金的工作。
是的，我看到新聞報道將我們的聯合工作稱為“霍金關於大爆炸的最終理論”。這是可以理解的，我很感謝對我的已故朋友和導師的最終致敬。事實上，霍金和我，經常與我們的物理學家同事詹姆斯·哈特爾一起，一直作為一個團隊工作。我們從來沒有任何“主要”作者的概念。因此，為了與我們研究領域的傳統保持一致，我們在論文中按字母順序排列了作者。
儘管身體有限制，霍金仍然能夠做出偉大的物理學。他的秘訣是什麼？
我當然認為，與我們的許多同事相比，直覺在他的工作和思考中發揮了更突出的作用——這是必然的。透過直覺，我也指他提出正確問題的能力。就好像他可以讓自己稍微遠離繁瑣的計算。