霍金才是真正的奇異博士?人生最後一篇論文:全新的多重宇宙結構

霍金最後一份公開論文

在去年七月份劍橋大學的一次會議上,赫托格第一次公開瞭這個新理論,並將論文上傳至預印本網站arXiv上。就在霍金去世前一周,兩位作者對論文再次進行瞭重要的修訂。論文正式發

在去年七月份劍橋大學的一次會議上,赫托格第一次公開瞭這個新理論,並將論文上傳至預印本網站arXiv上。就在霍金去世前一周,兩位作者對論文再次進行瞭重要的修訂。論文正式發佈後,劍橋大學的官方新聞稿闡述瞭這項研究的內容及意義。

現代大爆炸理論認為我們宇宙的誕生伴隨著暴脹——換句話講,在宇宙大爆炸之後極短的內(大概從10-36秒持續到10-32秒),宇宙經歷瞭指數型膨脹。被學界廣泛接受的永恒暴脹理論(eternal inflation)認為,暴脹一旦開始,在一些區域就不會停止:量子效應會導致膨脹在宇宙的某些區域中不停地進行下去。所以從總體上說,宇宙是不斷膨脹的。我們的可觀測宇宙在整個宇宙中,隻是一塊宜居的口袋宇宙,在這裡暴脹已經停止瞭,恒星與也已經形成。

霍金才是真正的奇異博士?人生最後一篇論文:全新的多重宇宙結構
霍金才是真正的奇異博士?人生最後一篇論文:全新的多重宇宙結構

無限暴漲的宇宙

“傳統的永恒暴脹理論認為,我們的宇宙整體上就像一個無限的分形,上面嵌著不同的‘口袋宇宙’,它們被正在暴脹的‘海洋’隔開,”在去年秋天的一次訪談中,霍金這樣解釋道,“每個口袋宇宙的物理和化學準則都不相同,它們共同組成瞭多重宇宙。但我本人從不是此類多重宇宙的狂熱支持者。如果多重宇宙中的每個宇宙都很大甚至是無限大的話,那這個理論就無法檢驗瞭。”

在最新的論文中,霍金與赫托格指出,用永恒暴脹理論解釋大爆炸是錯誤的。“這種做法的問題在於,在它的假設中,有一個根據廣義相對論演化而來的背景宇宙,並將量子效應當成是圍繞背景宇宙產生的微小漲落,”赫托格說,“然而,永恒暴脹的動力學機制抹消瞭經典物理與量子物理之間的區別。結果是,愛因斯坦的理論在永恒暴脹中失效瞭。”

(由於量子的運動狀態不固定,一個量子可能會隨機出現在空間某點,造成該點漲落。宇宙暴脹過程中的量子漲落會導致宇宙各點的能量與物質密度不同。永恒暴脹理論假設瞭一個“暴脹場”,量子在這個場中的漲落會導致膨脹速率變化,並引起宇宙永恒暴脹)

“我們推測,我們的宇宙從整體上看,應該是平滑並有限的。所以它並不是一個分形結構。”霍金說。

更簡潔的假說

在這項研究中,霍金和赫托格用到的理論基礎是弦理論。為瞭調和廣義相對論與量子物理之間的矛盾,弦理論把構成宇宙的基本元素描述為一段段細小,振動的“能量弦”。霍金與赫托格的運用其中的全息原理開展這項研究。全息原理認為一個三維空間的所有性質都可以在數學上投影到其二維的邊界上。

為瞭能從永恒暴脹的宇宙中投射出時間維度,霍金與赫托格對全息理論進行瞭一些改變。這使得他們不用依賴愛因斯坦的理論就能解釋宇宙的永恒暴脹。

“當我們順著時間往前追溯宇宙演化的歷史,在某個瞬間,我們會達到宇宙永恒暴脹的閾值。那個瞬間之前,我們所熟悉的‘時間’的概念沒有任何意義。”赫托格說。

1983年,霍金和加州大學聖巴巴拉分校的傢詹姆斯·哈特爾(James Hartle)共同提出無邊界假設(no-boundary conjecture)。按照廣義相對論,在大爆炸前,存在一個任何物理規律都不適用的奇點。而無邊界假設認為,這個存在於大爆炸之前的奇點既是空間的奇點,也是時間上的奇點。也就是說,時間在大爆炸前並不存在。但這個新理論比之前的理論又進瞭一步。“現在我們認為,宇宙是有初始的邊界的。”赫托格說。

赫托格和霍金利用他們的新理論推導出瞭全新的宇宙整體結構假說。相比起從舊理論推出的無限分形結構的宇宙,他們推導出的有限的宇宙的結構簡潔得多。

多重宇宙有多少?

除瞭提出全新的宇宙結構模型,這項研究的另一個意義在於探討多重宇宙的可能性。很多人認為,在無限分形結構的宇宙中,存在著無限多的平行宇宙,我們的宇宙就是其中之一。但這個模型會帶來一個悖論:因為宇宙的數量是無限多,所以沒有人能夠對於我們生活的這個宇宙作出可檢驗的預言。

如果霍金和赫托格的宇宙模型被進一步證實,那麼就會對多重宇宙模型產生深遠的影響。“我們並不僅限於一個單一,唯一的宇宙,但我們的發現意味著多重宇宙中可能的宇宙數量會減小很多。”霍金說。

“在傳統的理論中,有著各式各樣的平行宇宙:一些宇宙充滿瞭物質而另一些空無一物;一些能快速膨脹,而另一些壽命很短,”赫托格說,“問題在於,為什麼我們所生活的宇宙是如此特殊,它的一切都是那麼平衡,從而讓生命在這裡誕生?我們的研究向著理解這一問題邁進瞭一步。在我們的理論中,多重宇宙的數量是有限的,而且彼此之間十分相似。這讓我們看到徹底驗證宇宙框架的希望。”

赫托格現在打算利用他們的新理論來研究在我們的太空望遠鏡能探索到的宇宙范圍。他認為原初引力波是能夠檢測他的理論模型的重要突破口。宇宙的不斷膨脹會導致這些引力波的波長非常長,超出目前LIGO探測器所能探測的范圍,但通過歐洲的激光幹涉空間天線(LISA)或是其他將用於探測宇宙微波背景輻射的實驗設備,或許能找到他們所需的信息。

多重宇宙是否存在?如果存在,它的數量有多少?

飽受爭議

這篇文章由於特殊的完成時間而受到各位的關註,但與此同時,一些傢也對其提出瞭質疑。

理論物理學傢、因發展誇克理論而獲諾貝爾獎的弗蘭克·維爾切克(Frank Wilczek)就認為,這項研究依賴於一些推測性的、未經證實的理論,並且大膽地利用這些理論得出瞭不夠明確的結論。

北卡羅來納大學的宇宙學傢凱蒂·麥克(Katie Mack)認為,大部分其他的暴脹模型也預言瞭原初引力波,而“這篇論文提出的觀點沒有給出區別於其他暴脹模型的新特征。”

霍金和赫托格依靠一個數學框架來連接量子理論和引力,但是這個框架卻建立在一些未經證實、實際上還不完整的猜想之上。“他們應用‘玩具模型’(指刪去瞭大量細節的簡化模型)完成瞭這項研究,但這個模型並不完全嚴謹,也不完整。他們也承認還需要做出更多的努力。” 麥克說道。

天體物理學傢伊桑·西格爾(Ethan Siegel)在福佈斯網站的專欄裡寫道,這篇論文沒有任何觀測、沒有對宇宙結局的預測,對宇宙開端也沒有給出堅實的結論。在他看來,這個想法本身就極具爭議,而它依據的理論基礎——無邊界假設同樣未能得到廣泛認同。事實上,作者在論文中沒有回避這個問題,他們指出他們的模型過於簡化、這仍然是一個開放性問題。但在隨後的媒體報道中,這項研究的意義卻被誇大。

關於宇宙結構的爭議仍將繼續持續下去,但毫無疑問的是,無論這項研究的結論能否得到驗證,無論它最終是成為改變對宇宙認知的經典,還是作為錯誤的理論被後人遺忘,赫托格和其他物理學傢對宇宙的思考與探索將一直進行下去。就像西格爾在博客裡所寫的那樣:“無論最終結果如何,這些最基本的問題將繼續令尋找宇宙終極答案的物理學傢為之喜悅、困擾或是傷心。”