霍金生前最后一篇论文发表:平行宇宙没那么多

北京时间5月3日早晨7时,已故英国物理学家史蒂芬·霍金在去世前10天最后修改过的一篇论文在《高能物理杂志》(Journal of High Energy Physics)上发表。这是《时间简史》作者给出的最后一项关于宇宙起源的理论。


该理论曾在2017年7月在剑桥大学的一次会议上首次亮相,以纪念霍金的75岁生日。比利时鲁汶大学理论物理学教授赫托格(Thomas Hertog)是论文的合著者。他们基于弦理论进行了大量复杂的数学计算,得出所谓的多元宇宙是有限的。


宇宙暴胀理论认为,在大爆炸后的极短时间内,时空进行了指数级的膨胀。一些科学家们继而推论,在整体上宇宙会永恒地膨胀,只在一小部分区域停下来,不断形成无限多气泡般的宇宙。人类的可见宇宙就是不断膨胀的时空中的其中一个“泡泡”。


霍金曾在去年秋天接受采访时说道:“常规的永恒膨胀理论预测宇宙是一个无限的分形,在膨胀的海洋中,镶嵌着不同的口袋宇宙。”


人类所处的这个“泡泡”中的物理法则,比如光速是300000km/s,无法适用到其他“泡泡”里。这些迥异的小宇宙,共同构成一个多元宇宙。


“我从来就不喜欢多元宇宙这个概念。如果多元宇宙中的不同宇宙是无限的,那这个理论就无法得到验证。”霍金却说道。


在最后的论文中,霍金和赫托格提出多元宇宙论推出的这种叙事是错误的,或者用论文标题的比喻来说,“给永恒膨胀找到一个平滑的出口”。“我们预测宇宙在整体上是平滑而有限的。这不是个无限的分形结构。”霍金关于论文说道。


这个平滑的出口是如何找到的呢?赫托格解释道,传统的永恒膨胀理论假定宇宙整体背景依据爱因斯坦的广义相对论演化,量子效应在此基础上提供了一些涨落。然而,永恒膨胀的内在动力消除了经典力学和量子力学的分割,相对论由此崩溃。


霍金和赫托格利用弦理论统一相对论和量子力学,从而重新计算永恒膨胀问题。弦理论是一种支试图将四种相互作用力统一起来的理论,认为自然界的基本单元是微小的“弦”,弦在振动和运动过程中产生基本粒子。


具体来讲,他们借用了弦理论中的“全息”概念:整个宇宙是一张巨大而复杂的全息图,三维空间中的物理现实在数学上可以简化投影到二维平面上。


霍金和赫托格发展出了“全息”概念的一个分支,将永恒膨胀理论中的时间维度投射出来,从而摆脱对爱因斯坦理论的依赖。在这个模型中,永恒膨胀被简化为时空起点上的一张空间曲面。


霍金此前提出的宇宙“无边界条件”预测如果回溯到宇宙开始时,宇宙会像半球一样闭合。但这篇论文给出了不同的结果:当回溯到某个节点,就会到达永恒膨胀的门槛。过了那个门槛,人类熟知的时间概念会失去意义。


“现在我们要发现在过去还是有边界的。”赫托格说道。


霍金和赫托格用这种新方法计算出了永恒膨胀理论的一个平滑出口,导向有限的宇宙,比此前的永恒膨胀理论建构的无限分形结构简洁得多。


“我们没有减少到一个唯一的宇宙,但我们的结果还是大大简化了多元宇宙,可能存在的宇宙的范围要小得多。”赫托格说道。这也增加了理论的可验证性。


2018年3月4日是这篇论文显示的最后修改时间。10天后,霍金逝世。


赫托格仍会在论文基础上继续探索。他认为,新理论缩小后的尺度可能在人类太空望远镜的观测范围之内。尤其是原初引力波——这种在永恒膨胀的“出口”处产生的时间涟漪,可能是验证新模型的最佳证据。随着宇宙的膨胀,原初引力波的波长已经超出了LIGO的探测范围,但未来欧空局的空间引力波探测卫星LISA有望听到这些律动。


如同他生前的一些成果,霍金提出的最后一项宇宙学理论遭受了质疑。加拿大圆周理论物理研究所的 Neil Turok 教授就表示:“我仍旧很困惑,为什么霍金会觉得这个设想有趣?”


布法罗大学文理学院教授 Will Kinney也提醒道,霍金和赫托格的论文中没有提出找到多元宇宙的方法。


无论如何,霍金和赫托格利用“全息投影”,给解决“泡泡”间不相通的问题提供了一种思路。 哈佛大学天体物理学家Avi Loeb说道,新论文用数学来克服这个数学和哲学瓶颈,并对允许在多元宇宙中存在的宇宙类型进行预测。


宇宙暴胀理论发展至今日,被无数天文观测结果所验证,但仍有一些终极问题留待解答。膨胀如何开始?膨胀的预设启动条件是什么?膨胀如何形成了如今的宇宙?无论过去未来,膨胀都是永恒的吗?


霍金留下的最后一篇论文,纯理论,纯计算,纯假说;没有观测结果,没有验证对象,没有指明通向平行宇宙的道路。在终极问题之上,它埋下了一颗不知是否能发芽生根的种子。


——霍金去世前10天留下最后一篇论文:预言世界终结,平行宇宙留下了这些“线索”


多元宇宙

从很早的时候,霍金就是多元宇宙的支持者。在 1983 年的时候,霍金与 James Hartle 共同提出了“无边界理论”,描述了宇宙是如何在大爆炸中出现的,同时预言了一个由诸多“大爆炸”产生的多元宇宙。在这一理论中,宇宙是瞬间从一个小点扩张成我们今天所见到的宏大宇宙的原型。但理论也预测,还发生过无限多次的大爆炸,每次都会创造一个不同的宇宙。


“多元宇宙”即一个巨大的宇宙集合,同时存在多个不同的宇宙,不过目前他们之间的分布方式还不为人知。数学悖论使这一想法无法通过实验来验证。而从那时开始,关于多元宇宙的问题就一直萦绕在了霍金的心头。


理论认为多元宇宙的出现是由于膨胀引起的。在宇宙出现后的几秒钟内,时空以巨大的速度膨胀,这一过程中,微小的量子涨落扩展成了如今我们所观察到的宇宙大尺度特征,而这一特征也反过来成为验证这一理论正确性的证据。


霍金和 Hertog 提出的理论被称为“宇宙永恒膨胀理论”,该理论认为这种膨胀行为在大多数地方都会永远持续下去,而在一小部分地方会停止并形成诸多的宇宙,从整体上来看,平行宇宙的形成过程是永无止境的。另外,在这些宇宙中,物理定律看上去也会不一样,这也意味着我们认为理所当然的常数,比如真空中的光速,在另外的宇宙就将是不一样的数值。来自布法罗大学文理学院的物理学教授 Will Kinney 形象地解释到,永恒的膨胀会创造无限多的小宇宙,这些小气泡似的“宇宙”将布满于膨胀的空间中。



但是无限多的宇宙也给物理学家带来了许多困惑。最基本的一些问题就是:为什么我们的宇宙看起来是这样的?为什么光速是3×10^8m/s 呢?


而确定宇宙的真正形态,将有助于科学家找到这些问题答案。但确定整个多元宇宙的形态几乎是不可能的事情。


为此,霍金与 Hertog 进行了大量复杂的数学计算后,为我们指明了一条新思路,即我们可以先给那些可能存在的宇宙类型定义一些边界,然后进行外推。霍金的最后一篇论文就论述了为何多元宇宙在我们的宇宙的背景辐射中留下印记,人类又该如何找到这些痕迹,证明“多元宇宙”的说法成立。


一个通俗的解释是:多元宇宙就像空中漂浮的一大群泡泡,每个泡泡都是一个世界,拥有自成一格的时间与空间,甚至每个泡泡中的物理学规律,在其他泡泡里也不适用。但是有时,这些宇宙泡泡也会相互碰撞。其他的宇宙泡泡的诞生,或者消逝,都可能在我们的这个宇宙泡里留下过痕迹。


“或许,这些宇宙看起来还会和我们的宇宙有许多相似之处。”南加州大学的物理学助理教授 Katie Mack 补充到,“如果宇宙的类型相对较少,而他们之间的联系也比所想的要多,那么我们就可以找到更多古今宇宙间的直接联系。”



如果可能存在的宇宙类型是有限的,那么科学家们就可以着手去解决诸如“我们的宇宙是如何形成的?”以及“为什么它看上去是今天的样子?”等问题。但霍金的论文并没有确切地告诉我们什么样的宇宙是可能存在的,也没有确切地证明多元宇宙或宇宙膨胀理论。


正如 Kinney 所指出的,霍金与 Hertog 甚至没有提出任何方法,告诉我们如何能找到多元宇宙的证据,这意味着他们的理论暂时仍然是不可验证的。


两人依据全息原理来进行了这项工作。全息原理指出体积中的所有信息都包含在体积的边界内。该原理将三维空间压缩成了二维空间,最终使得计算变得更容易。不过实际上,许多其他研究人员也会在工作中使用全息原理,正如来自南加州大学物理和天文学系教授Clifford Johnson强调的,霍金和 Hertog 的论文虽然有趣,但也只能看作是该研究领域的另一个切入点。不过 Johnson 也表示,同领域内的其他的杰出研究一样,霍金和 Hertog 的这项研究将有利于逐步地推动这一领域思想框架的构建与发展。


霍金本人似乎一直在研究这一理论。就在他去世前几个星期,他还提交了这份研究的更新版本,其中包含了大量的修改。而目前他的合著者 Hertog 肯定也会继续完善这项研究。


我们可以将霍金的最后遗作看做是如何从最大的尺度观察宇宙的有趣假说。尽管现在,它或许还不能重塑我们对宇宙的看法,但它无疑又为我们的人类智库中添加了不少智力火力。而这或许正是霍金想要做的。


但霍金最后的理论也带有悲剧色彩,论文预测说当所有恒星都失去能量后,我们的宇宙将在黑暗中消失。


目前,这篇研究中提出的想法已在宇宙学家中引起了诸多争议。霍金的朋友,来自加拿大圆周理论物理研究所(Perimeter Institute)的 Neil Turok 教授就并不赞同这些想法,并表示,“我仍旧很困惑,为什么霍金会觉得这个设想有趣?”


而其他的一些科学家则认为霍金的这一研究或许可以给宇宙学研究带来所需的新突破,尤其是该理论第一次具有可以在实验中验证的可行性。


有趣的是,这篇论文的曝光也让一部分网友对于霍金逝世大开脑洞:有没有一种可能是,霍金完成了论文并发现了通往平行宇宙的方法,然后就离开了地球。

正如 Hertog 教授所言,“这就是霍金,他可以去到一个连‘星际迷航’中探险者都害怕驻足的世界。”



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