北京時(shí)間5月3日早晨7時(shí)，已故英國(guó)物理學(xué)家史蒂芬·霍金在去世前10天最后修改過(guò)的一篇論文在《高能物理雜志》（Journal of High Energy Physics）上發(fā)表。這是《時(shí)間簡(jiǎn)史》作者給出的最后一項(xiàng)關(guān)于宇宙起源的理論。

該理論曾在2017年7月在劍橋大學(xué)的一次會(huì)議上首次亮相，以紀(jì)念霍金的75歲生日。比利時(shí)魯汶大學(xué)理論物理學(xué)教授赫托格（Thomas Hertog）是論文的合著者。他們基于弦理論進(jìn)行了大量復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，得出所謂的多元宇宙是有限的。

宇宙暴脹理論認(rèn)為，在大爆炸后的極短時(shí)間內(nèi)，時(shí)空進(jìn)行了指數(shù)級(jí)的膨脹。一些科學(xué)家們繼而推論，在整體上宇宙會(huì)永恒地膨脹，只在一小部分區(qū)域停下來(lái)，不斷形成無(wú)限多氣泡般的宇宙。人類(lèi)的可見(jiàn)宇宙就是不斷膨脹的時(shí)空中的其中一個(gè)“泡泡”。

霍金曾在去年秋天接受采訪時(shí)說(shuō)道：“常規(guī)的永恒膨脹理論預(yù)測(cè)宇宙是一個(gè)無(wú)限的分形，在膨脹的海洋中，鑲嵌著不同的口袋宇宙。”

人類(lèi)所處的這個(gè)“泡泡”中的物理法則，比如光速是300000km/s，無(wú)法適用到其他“泡泡”里。這些迥異的小宇宙，共同構(gòu)成一個(gè)多元宇宙。

“我從來(lái)就不喜歡多元宇宙這個(gè)概念。如果多元宇宙中的不同宇宙是無(wú)限的，那這個(gè)理論就無(wú)法得到驗(yàn)證。”霍金卻說(shuō)道。

在最后的論文中，霍金和赫托格提出多元宇宙論推出的這種敘事是錯(cuò)誤的，或者用論文標(biāo)題的比喻來(lái)說(shuō)，“給永恒膨脹找到一個(gè)平滑的出口”。“我們預(yù)測(cè)宇宙在整體上是平滑而有限的。這不是個(gè)無(wú)限的分形結(jié)構(gòu)。”霍金關(guān)于論文說(shuō)道。

這個(gè)平滑的出口是如何找到的呢？赫托格解釋道，傳統(tǒng)的永恒膨脹理論假定宇宙整體背景依據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論演化，量子效應(yīng)在此基礎(chǔ)上提供了一些漲落。然而，永恒膨脹的內(nèi)在動(dòng)力消除了經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)的分割，相對(duì)論由此崩潰。

霍金和赫托格利用弦理論統(tǒng)一相對(duì)論和量子力學(xué)，從而重新計(jì)算永恒膨脹問(wèn)題。弦理論是一種支試圖將四種相互作用力統(tǒng)一起來(lái)的理論，認(rèn)為自然界的基本單元是微小的“弦”，弦在振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生基本粒子。

具體來(lái)講，他們借用了弦理論中的“全息”概念：整個(gè)宇宙是一張巨大而復(fù)雜的全息圖，三維空間中的物理現(xiàn)實(shí)在數(shù)學(xué)上可以簡(jiǎn)化投影到二維平面上。

霍金和赫托格發(fā)展出了“全息”概念的一個(gè)分支，將永恒膨脹理論中的時(shí)間維度投射出來(lái)，從而擺脫對(duì)愛(ài)因斯坦理論的依賴(lài)。在這個(gè)模型中，永恒膨脹被簡(jiǎn)化為時(shí)空起點(diǎn)上的一張空間曲面。

霍金此前提出的宇宙“無(wú)邊界條件”預(yù)測(cè)如果回溯到宇宙開(kāi)始時(shí)，宇宙會(huì)像半球一樣閉合。但這篇論文給出了不同的結(jié)果：當(dāng)回溯到某個(gè)節(jié)點(diǎn)，就會(huì)到達(dá)永恒膨脹的門(mén)檻。過(guò)了那個(gè)門(mén)檻，人類(lèi)熟知的時(shí)間概念會(huì)失去意義。

“現(xiàn)在我們要發(fā)現(xiàn)在過(guò)去還是有邊界的。”赫托格說(shuō)道。

霍金和赫托格用這種新方法計(jì)算出了永恒膨脹理論的一個(gè)平滑出口，導(dǎo)向有限的宇宙，比此前的永恒膨脹理論建構(gòu)的無(wú)限分形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔得多。

“我們沒(méi)有減少到一個(gè)唯一的宇宙，但我們的結(jié)果還是大大簡(jiǎn)化了多元宇宙，可能存在的宇宙的范圍要小得多。”赫托格說(shuō)道。這也增加了理論的可驗(yàn)證性。

2018年3月4日是這篇論文顯示的最后修改時(shí)間。10天后，霍金逝世。

赫托格仍會(huì)在論文基礎(chǔ)上繼續(xù)探索。他認(rèn)為，新理論縮小后的尺度可能在人類(lèi)太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)范圍之內(nèi)。尤其是原初引力波——這種在永恒膨脹的“出口”處產(chǎn)生的時(shí)間漣漪，可能是驗(yàn)證新模型的最佳證據(jù)。隨著宇宙的膨脹，原初引力波的波長(zhǎng)已經(jīng)超出了LIGO的探測(cè)范圍，但未來(lái)歐空局的空間引力波探測(cè)衛(wèi)星LISA有望聽(tīng)到這些律動(dòng)。

如同他生前的一些成果，霍金提出的最后一項(xiàng)宇宙學(xué)理論遭受了質(zhì)疑。加拿大圓周理論物理研究所的 Neil Turok 教授就表示：“我仍舊很困惑，為什么霍金會(huì)覺(jué)得這個(gè)設(shè)想有趣?”

布法羅大學(xué)文理學(xué)院教授 Will Kinney也提醒道，霍金和赫托格的論文中沒(méi)有提出找到多元宇宙的方法。

無(wú)論如何，霍金和赫托格利用“全息投影”，給解決“泡泡”間不相通的問(wèn)題提供了一種思路。 哈佛大學(xué)天體物理學(xué)家Avi Loeb說(shuō)道，新論文用數(shù)學(xué)來(lái)克服這個(gè)數(shù)學(xué)和哲學(xué)瓶頸，并對(duì)允許在多元宇宙中存在的宇宙類(lèi)型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

宇宙暴脹理論發(fā)展至今日，被無(wú)數(shù)天文觀測(cè)結(jié)果所驗(yàn)證，但仍有一些終極問(wèn)題留待解答。膨脹如何開(kāi)始？膨脹的預(yù)設(shè)啟動(dòng)條件是什么？膨脹如何形成了如今的宇宙？無(wú)論過(guò)去未來(lái)，膨脹都是永恒的嗎？

霍金留下的最后一篇論文，純理論，純計(jì)算，純假說(shuō)；沒(méi)有觀測(cè)結(jié)果，沒(méi)有驗(yàn)證對(duì)象，沒(méi)有指明通向平行宇宙的道路。在終極問(wèn)題之上，它埋下了一顆不知是否能發(fā)芽生根的種子。

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