在 1983 年发表的一篇论文中,霍金和他常年的合作伙伴詹姆斯·哈特尔(James Hartle)提出了一个完善的“无边界假设”(no-boundary proposal),将宇宙的形状比作羽毛球。羽毛球的最低点直径为零,然后越向上逐渐变宽;同样,根据无边界假设,宇宙从零尺度的一个点光滑膨胀而来。哈特尔和霍金推导出一个方程,以描述整个“羽毛球”的形状,它被称为宇宙波函数(wave function of the universe),将宇宙的整个过去、未来和现在囊括其中,彻底排除了一切关于所谓种子、创造者或宇宙之前的时间的假设。
将近四十年来,无边界假设吸引并启迪着物理学家们。“这真是一个美妙绝伦,又激动人心的观点。”加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所(Perimeter Institute for Theoretical Physics)的宇宙学家尼尔·图罗克(Neil Turok)评论道,他以前也是霍金的合作伙伴。这个假设带来了宇宙量子描述的第一个猜想——宇宙波函数。很快,整个量子宇宙学领域随之兴起,研究人员提出各种替代性观点,来解释宇宙如何从无到有,分析理论的不同预测,寻找测试方法,并阐述其哲学意义。用哈特尔的话来讲,无边界波函数“在某些方面是对这个问题最简单的可能假设”。
但是,就在两年前,一篇论文对哈特尔-霍金假设提出了质疑。论文由图罗克和圆周研究所的同事乔布·菲尔德布鲁格(Job Feldbrugge),以及德国马克思·普朗克引力物理学研究所(Max Planck Institute for Gravitational Physics)的让-卢克·莱纳斯(Jean-Luc Lehners)共同撰写,于 2017 年发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上(论文链接)。
无论事情将如何发展,霍金 38 年前在宗座科学院第一次描绘的图景给我们留下一些精髓思想。又或许,尽管南极之南没有南,宇宙还是会从奇点中诞生,只有一种不同的波函数才能解释它。不管哪条路是对的,探索还将继续。“如果我们谈论量子力学理论,那么除了波函数,还会有什么待我们发现呢?”普林斯顿大学高等研究院(Institute for Advanced Study in Princeton)的著名理论物理学家胡安·马尔达西纳(Juan Maldacena)问道,他本人基本上没有参与最近的论战,但他正巧也是宗座科学院的成员。宇宙波函数的问题“是正确的问题”,马尔达西纳说道,“我们是否找到了正确的波函数,以及应该如何理解波函数,这一切都不那么明朗。”