霍金給人類最后的禮物：解釋宇宙起源的終極理論

據(jù)外媒報(bào)道，著名科學(xué)家霍金去世之前最后一篇論文近日得到正式發(fā)表，解釋了他對(duì)宇宙起源的終極理論。

作為開(kāi)創(chuàng)性的物理學(xué)家，史蒂芬·霍金在去世之前為世人留下了一筆閃爍著理性光輝的理論遺產(chǎn)：他與來(lái)自KU Leuven比利時(shí)魯汶大學(xué)的Thomas Hertog托馬斯·赫托格合著的最后一篇論文詳細(xì)地闡述了他關(guān)于宇宙起源的終極理論。

前不久發(fā)表在《高能物理學(xué)雜志》上的論文提出，宇宙的結(jié)構(gòu)比現(xiàn)在流行的多重宇宙理論所暗示的還要復(fù)雜得多。

它基于一種名為永恒暴脹的概念，首先見(jiàn)于1979年，并于1981年整理成論文出版。

大爆炸后，宇宙經(jīng)歷了指數(shù)級(jí)別的暴脹時(shí)期。然后它減緩了膨脹的速度，把能量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)和熱輻射。然而，根據(jù)永恒暴脹理論，一些空間泡沫的膨脹或減速膨脹停止了下來(lái)，從而形成了靜態(tài)空間的小分形死角。同時(shí)，在其他空間泡沫中，由于量子效應(yīng)，暴脹從未結(jié)束——形成無(wú)限數(shù)量的多元宇宙。

根據(jù)這一理論，我們?cè)诳捎^察到的宇宙中看到的一切都只存在于其中的一個(gè)時(shí)空泡沫中——暴脹已經(jīng)停止的時(shí)空泡沫，其內(nèi)部才能形成恒星和星系。

“一般的永恒暴脹理論預(yù)言說(shuō)，我們的宇宙就像一個(gè)無(wú)限的分形，由不同的口袋宇宙鑲嵌在一起，被始終向外延伸的暴脹海洋所阻隔，”霍金解釋說(shuō)，“從一個(gè)口袋宇宙到另一個(gè)口袋宇宙，局域的物理和化學(xué)規(guī)律可以有所不同，它們一起構(gòu)成多元宇宙，但我從來(lái)不是多元宇宙的粉絲，如果多元宇宙中的不同宇宙的尺度過(guò)大或乃至達(dá)到無(wú)限，就會(huì)讓我們失去檢驗(yàn)理論的能力。”

即使是永恒暴脹模型最早的提出者之一，近年來(lái)也開(kāi)始反對(duì)他自己的模型。

普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)家保羅·斯坦哈特公開(kāi)發(fā)表學(xué)術(shù)意見(jiàn)，認(rèn)為該理論只是接受了它本該要解決的問(wèn)題，而沒(méi)有給出問(wèn)題的答案——使宇宙與我們的觀測(cè)一致，所以我們最好找個(gè)新的模型來(lái)取代它。

霍金和赫托格現(xiàn)在都表示永恒暴脹模型是錯(cuò)誤的。這是因?yàn)閻?ài)因斯坦的廣義相對(duì)論在量子尺度上被打破了。

“通常的暴脹理論的問(wèn)題是，它假定現(xiàn)有的背景宇宙是根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論發(fā)展而來(lái)的，并將量子效應(yīng)看作是背景環(huán)境里的噪音。”赫托格解釋道。“然而，永恒暴脹的推動(dòng)力打破了古典和量子物理學(xué)之間的藩籬，結(jié)果，愛(ài)因斯坦的理論在永恒暴脹中就不再使用了。”

新理論基于弦論，而弦論試圖通過(guò)用微小的振動(dòng)的一維弦替換粒子物理中的點(diǎn)狀粒子來(lái)調(diào)和廣義相對(duì)論和量子理論的矛盾。

在弦論中，全息原理提出，可以通過(guò)占據(jù)一定體積的空間的低維邊界上獲取空間內(nèi)部的所有信息;所以宇宙就像一幅全息圖，其中三維空間中的物理現(xiàn)實(shí)在數(shù)學(xué)上和它們表面上的二維投影并無(wú)二致。

研究人員為全息原理開(kāi)發(fā)出了一種變體，它刻畫(huà)了暴脹的時(shí)間維度，這使得他們能夠清晰地描述相關(guān)概念而不必依賴于廣義相對(duì)論。

這使得他們能夠在宇宙開(kāi)始的時(shí)候，在數(shù)學(xué)上將永恒的暴脹降低到空間表面上恒定的狀態(tài)——永恒暴脹宇宙的全息圖。

赫托格說(shuō)：“當(dāng)我們追溯宇宙的演化時(shí)間表時(shí)，在某個(gè)時(shí)刻，我們到達(dá)了暴脹的門檻，我們熟悉的時(shí)間概念就不再有任何意義。”

1983年，霍金和另一位物理學(xué)家研究員詹姆斯·哈特勒提出了所謂的“無(wú)邊界理論”或“哈特爾-霍金狀態(tài)”。他們提出，在大爆炸之前，有空間，但沒(méi)時(shí)間。所以當(dāng)宇宙開(kāi)始時(shí)，它從一個(gè)點(diǎn)向外擴(kuò)張，但沒(méi)有時(shí)間起點(diǎn)。

根據(jù)新理論，早期宇宙應(yīng)該存在一個(gè)邊界，這使得霍金和赫托格得出了關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)的更可靠的理論推斷。

霍金說(shuō)：“我們預(yù)測(cè)我們的宇宙在最大尺度上是相當(dāng)平滑和全局有限的，所以它不是分形結(jié)構(gòu)。”

這一結(jié)果，與多元宇宙并無(wú)沖突，但將它們的規(guī)模降低到了一個(gè)更小的范圍——這意味著在未來(lái)可能更容易通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證多元宇宙理論的正誤，如果這項(xiàng)工作可以被其他物理學(xué)家重復(fù)和證實(shí)的話。

赫托格計(jì)劃通過(guò)尋找可能由永恒暴脹產(chǎn)生的引力波來(lái)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。

這種引力波的漣漪規(guī)模過(guò)大而無(wú)法被LIGO探測(cè)到，但未來(lái)的引力波干涉儀，如天基LISA，以及未來(lái)宇宙微波背景的研究都可能發(fā)現(xiàn)它們存在的證據(jù)。