2018.05.24 03:48

霍金的最後一篇論文 為人類留下尋找多元宇宙的線索 

文|DeepTech深科技

《高能物理學報》(Journal of High Energy Physics)五月初正式發表了霍金生前的最後一篇論文,論文名為《從永恆的膨脹中逐漸消逝》(A Smooth Exit from Eternal Inflation),完成於霍金去世前幾週,文章的另一位作者是魯汶大學的理論物理學家Thomas Hertog。

2018年3月14日,物理學家和宇宙學家史蒂芬·霍金去世,享年76歲,一代傳奇就此謝幕。為紀念他的偉大成就,他的骨灰被葬在著名的威斯敏斯特教堂之中,陪伴在牛頓的身邊,而霍金留給了全人類無數偉大的科學成果仍在世間閃耀光芒。5月2日,《高能物理學報》(Journal of High Energy Physics)週三正式發表了霍金生前的最後一篇論文,論文名為《從永恆的膨脹中逐漸消逝》(A Smooth Exit from Eternal Inflation),完成於霍金去世前幾週,文章的另一位作者是魯汶大學的理論物理學家Thomas Hertog。

相比之前的理論,霍金和Hertog在文章中用更簡單的方式描述了過去138億年間的宇宙進化。其中一個核心是,霍金和Hertog利用新的數學方法證明,平行宇宙並沒有想像中的那麼多,也就是說,此次的新論點也在一定程度上推翻了霍金自己於 1983 年提出的無邊界理論。除此之外,文章還探討了如何找到這些多元宇宙,並預測了我們的宇宙將如何消失在黑暗中。Thomas Hertog教授表示,霍金這位具有標誌性地位的物理學家在臨終前完成了這項突破性研究。霍金在劍橋大學的同事Malcolm Perry透露,「霍金曾說,這是他最鍾情、最引以為豪的領域」。

 

拋下一枚炸彈,又將其熄滅?

在 1983 年的時候,霍金與James Hartle共同提出了「無邊界理論」,描述了宇宙是如何在大爆炸中出現的,同時預言了一個由諸多「大爆炸」產生的多元宇宙。在這一理論中,宇宙是瞬間從一個小點擴張成我們今天所見到的宏大宇宙的原型。但理論也預測,還發生過無限多次的大爆炸,每次都會創造一個不同的宇宙。這樣的「多元宇宙」即一個巨大的袖珍宇宙的集合,同時存在多個不同的宇宙,不過目前它們之間的分布方式還不為人知。多重宇宙理論甫一誕生,其背後「完全隨機」、可以無限種現實並存的宇宙曾一度令人感到不安,甚至還催發了像高堡奇人那類關於平行宇宙世界線的電視劇。

數學悖論使這一想法無法通過實驗來驗證。而從那時開始,關於多元宇宙的問題就一直縈繞在了霍金的心頭。正如霍金在去年秋天就曾形容的:「我們的宇宙就像一個無限的分形,在膨脹的海洋中,鑲嵌著不同的袖珍宇宙。」問題的另一個關鍵在於,各個袖珍宇宙中適用的宇宙規則和物理定律不同,我們所處的宇宙只是眾多的宇宙之一。 這讓科學家們感到毛骨悚然,因為它意味著人類沒有辦法準確預測宇宙內的物理法則,也被一些科學家們視為現有科學理論的重大威脅。但在最新的論文中,霍金和Hertog用理論質疑了這一觀點:宇宙並不是完全由適用不同物理定律的多元袖珍宇宙組成,這些袖珍宇宙實際上可能並沒有很大差別。

麻省理工學院物理學教授David Kaiser表示,上述理論的意義在於,研究我們所處的宇宙對理解整個宇宙究竟有多大幫助,這是科學家研究自然界基本規律時面對的關鍵問題。而霍金在論文中寫道,存在各種各樣宇宙的可能性要遠遠比此前估計得小。Kaiser解釋說,我們所處宇宙依賴的運行規則很可能並不是例外,也許相當典型。也就是說,霍金最終選擇了宇宙的有序而非隨機,這位天才在製造了一個巨大的甚至有點可怕的難題之後,又親手解決了它。這無疑會給科學家尤其是物理學家們提供一些安慰:我們還是有機會更深刻地理解宇宙的自然法則。

Hertog則表示:「在舊理論中,存在各種各樣的宇宙,有些是空的,有些充滿了物質,有的擴張得太快,有的則太短暫,總之它們有很大的區別。這就很神祕了,為什麼我們生活在這個特殊的世界裡,一切都剛好達到生命和複雜性出現的平衡?這篇文章其實比之前的理論更邁進了一步,它將多元宇宙簡化成了一個更易於管理的宇宙,它們數量有限而且看起來都很相似。霍金可能會說,從理論上講,宇宙必須是這樣的。它給了我們希望,讓我們得到一個完全可預測的宇宙學框架。」

 

用數學工具探索多元宇宙

這個新理論借鑒了霍金和美國物理學家James Hartle於1980年代發表的研究成果,並使用弦理論中更有說服力的現代數學工具「全息理論」對其進行了更新。在弦理論中,現實世界是通過一種被稱為宇宙弦的一維物體的相互作用來描述的。而全息理論則指體積中的所有資訊都包含在體積的邊界內。該原理將三維空間壓縮成了二維空間,最終使得計算變得更容易。但是,還有一個最基本的問題沒解決,那就是:為什麼我們的宇宙看起來是這樣的?為什麼光速是 3×10^8m/s 呢?確定宇宙的真正形態,將有助於科學家找到這些問題答案。但確定整個多元宇宙的形態幾乎是不可能的事情。

為此,霍金與Hertog進行了大量複雜的數學計算後,為我們指明了一條新思路,即我們可以先給那些可能存在的宇宙類型定義一些邊界,然後進行外推。這篇論文就論述了為何多元宇宙在我們的宇宙的背景輻射中留下印記,人類又該如何找到這些痕跡。一個通俗的解釋是:多元宇宙就像空中漂浮的一大群泡泡,每個泡泡都是一個世界,擁有自成一格的時間與空間,甚至每個泡泡中的物理學規律,在其他泡泡裡也不適用。但是有時,這些宇宙泡泡也會相互碰撞。其他的宇宙泡泡的誕生,或者消逝,都可能在我們的這個宇宙泡裡留下過痕跡。「或許,這些宇宙看起來還會和我們的宇宙有許多相似之處。」南加州大學的物理學助理教授Katie Mack補充到,「如果宇宙的類型相對較少,而它們之間的聯繫也比所想的要多,那麼我們就可以找到更多古今宇宙間的直接聯繫。」

不過,對於這篇論文,學術界也有不同的聲音。來自南加州大學物理和天文學系教授Clifford Johnson強調的,霍金和Hertog的論文雖然有趣,但也只能看作是該研究領域的另一個切入點。不過Johnson也表示,同領域內的其他的傑出研究一樣,霍金和Hertog的這項研究將有利於逐步地推動這一領域思想框架的構建與發展。Hertog 則認為,他與霍金的共同工作是向探索宇宙起源理論邁出的一小步,假以時日,相信物理學家們最終可以實際測試這一理論。如果宇宙真的如理論所預測的那樣演化,那麼它可能會在引力波或所謂的宇宙微波背景上留下一個明顯的信號,即宇宙誕生時釋放的輻射。「這些信號將會驗證我們是否走對了路」他說。

我們可以將霍金的最後遺作看做是如何從最大的尺度觀察宇宙的有趣假說。儘管現在,它或許還不能重塑我們對宇宙的看法,但它無疑又為我們的人類智庫中添加了不少智慧火力。而這或許正是霍金想要做的。但霍金最後的理論也帶有悲劇色彩,論文預測說當所有恆星都失去能量後,我們的宇宙將在黑暗中消失。有趣的是,這篇論文的曝光也讓一部分網友對於霍金逝世大開腦洞:有沒有一種可能是,霍金完成了論文並發現了通往平行宇宙的方法,然後就離開了地球。正如 Hertog 教授所言,「這就是霍金,他可以去到一個連『星際迷航』中探險者都害怕駐足的世界。」

更新時間|2019.03.21 05:21

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