霍金最后一篇论文发表,为人类寻找多元宇宙留下线索

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  2018 年 3 月 14 日,物理学家和宇宙学家史蒂芬·霍金去世,享年 76 岁,一代传奇就此谢幕。为纪念他的伟大成就,他的骨灰被葬在著名的威斯敏斯特教堂之中,陪伴在牛顿的身边,而霍金留给了全人类无数伟大的科学成果仍在世间闪耀光芒。

  5 月 2 日,《高能物理学报》(Journal of High Energy Physics)周三正式发表了霍金生前的最后一篇论文,论文名为《从永恒的膨胀中逐渐消逝》(A Smooth Exit from Eternal Inflation),完成于霍金去世前几周,文章的另一位作者是鲁汶大学的理论物理学家 Thomas Hertog。

  

  图丨Thomas Hertog 和霍金

  相比之前的理论,霍金和 Hertog 在文章中用更简单的方式描述了过去 138 亿年间的宇宙进化。其中一个核心是,霍金和 Hertog 利用新的数学方法证明,平行宇宙并没有想象中的那么多,也就是说,此次的新论点也在一定程度上推翻了霍金自己于 1983 年提出的无边界理论。除此之外,文章还探讨了如何找到这些多元宇宙,并预测了我们的宇宙将如何消失在黑暗中。

  Thomas Hertog 教授表示,霍金这位具有标志性地位的物理学家在临终前完成了这项突破性研究。霍金在剑桥大学的同事 Malcolm Perry 透露,"霍金曾说,这是他最钟情、最引以为豪的领域”。

  抛下一枚炸弹,又将其熄灭?

  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。

  

  这样的“多元宇宙”即一个巨大的袖珍宇宙的集合,同时存在多个不同的宇宙,不过目前它们之间的分布方式还不为人知。多重宇宙理论甫一诞生,其背后“完全随机”、可以无限种现实并存的宇宙曾一度令人感到不安,甚至还催发了像高堡奇人那类关于平行宇宙世界线的电视剧。

  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。正如霍金在去年秋天就曾形容的:“我们的宇宙就像一个无限的分形,在膨胀的海洋中,镶嵌着不同的袖珍宇宙。”

  问题的另一个关键在于,各个袖珍宇宙中适用的宇宙规则和物理定律不同,我们所处的宇宙只是众多的宇宙之一。这让科学家们感到毛骨悚然,因为它意味着人类没有办法准确预测宇宙内的物理法则,也被一些科学家们视为现有科学理论的重大威胁。

  

  但在最新的论文中,霍金和 Hertog 用理论质疑了这一观点:宇宙并不是完全由适用不同物理定律的多元袖珍宇宙组成,这些袖珍宇宙实际上可能并没有很大差别。

  麻省理工学院物理学教授 David Kaiser 表示,上述理论的意义在于,研究我们所处的宇宙对理解整个宇宙究竟有多大帮助,这是科学家研究自然界基本规律时面对的关键问题。

  而霍金在论文中写道,存在各种各样宇宙的可能性要远远比此前估计得小。Kaiser解释说,我们所处宇宙依赖的运行规则很可能并不是例外,也许相当典型。

  也就是说,霍金最终选择了宇宙的有序而非随机,这位天才在制造了一个巨大的甚至有点可怕的难题之后,又亲手解决了它。这无疑会给科学家尤其是物理学家们提供一些安慰:我们还是有机会更深刻地理解宇宙的自然法则。

  Hertog 则表示: “在旧理论中,存在各种各样的宇宙,有些是空的,有些充满了物质,有的扩张得太快,有的则太短暂,总之它们有很大的区别。这就很神秘了,为什么我们生活在这个特殊的世界里,一切都刚好达到生命和复杂性出现的平衡?这篇文章其实比之前的理论更迈进了一步,它将多元宇宙简化成了一个更易于管理的宇宙,它们数量有限而且看起来都很相似。霍金可能会说,从理论上讲,宇宙必须是这样的。它给了我们希望,让我们得到一个完全可预测的宇宙学框架。”

  用数学工具探索多元宇宙

  这个新理论借鉴了霍金和美国物理学家 James Hartle 于 1980 年代发表的研究成果,并使用弦理论中更有说服力的现代数学工具“全息理论”对其进行了更新。在弦理论中,现实世界是通过一种被称为宇宙弦的一维物体的相互作用来描述的。而全息理论则指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。

  

  图丨弦论与多世界诠释

  但是,还有一个最基本的问题没解决,那就是: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?

  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。这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。

  

  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,而它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。”

  不过,对于这篇论文,学术界也有不同的声音。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。

  Hertog 则认为,他与霍金的共同工作是向探索宇宙起源理论迈出的一小步,假以时日,相信物理学家们最终可以实际测试这一理论。如果宇宙真的如理论所预测的那样演化,那么它可能会在引力波或所谓的宇宙微波背景上留下一个明显的信号,即宇宙诞生时释放的辐射。"这些信号将会验证我们是否走对了路"他说。

  

  图丨宇宙演化过程

  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慧火力。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。

  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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