霍金生前最后一篇論文正式發(fā)表：為尋找多元宇宙留下線索

2018 年 3 月 14 日，物理學(xué)家和宇宙學(xué)家史蒂芬·霍金去世，享年 76 歲，一代傳奇就此謝幕。為紀(jì)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(wú)數(shù)偉大的科學(xué)成果仍在世間閃耀光芒。

5 月 2 日，《高能物理學(xué)報(bào)》（Journal of High Energy Physics）周三正式發(fā)表了霍金生前的最后一篇論文，論文名為《從永恒的膨脹中逐漸消逝》（A Smooth Exit from Eternal Inflation），完成于霍金去世前幾周，文章的另一位作者是魯汶大學(xué)的理論物理學(xué)家 Thomas Hertog。

相比之前的理論，霍金和 Hertog 在文章中用更簡(jiǎn)單的方式描述了過(guò)去 138 億年間的宇宙進(jìn)化。其中一個(gè)核心是，霍金和 Hertog 利用新的數(shù)學(xué)方法證明，平行宇宙并沒(méi)有想象中的那么多，也就是說(shuō)，此次的新論點(diǎn)也在一定程度上推翻了霍金自己于 1983 年提出的無(wú)邊界理論。除此之外，文章還探討了如何找到這些多元宇宙，并預(yù)測(cè)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(biāo)志性地位的物理學(xué)家在臨終前完成了這項(xiàng)突破性研究?；艚鹪?a href="http://6898555.com/school/Cambridge.html" target="_blank">劍橋大學(xué)的同事 Malcolm Perry 透露，"霍金曾說(shuō)，這是他最鐘情、最引以為豪的領(lǐng)域”。

拋下一枚炸彈，又將其熄滅？

在 1983 年的時(shí)候，霍金與 James Hartle 共同提出了“無(wú)邊界理論”，描述了宇宙是如何在大爆炸中出現(xiàn)的，同時(shí)預(yù)言了一個(gè)由諸多“大爆炸”產(chǎn)生的多元宇宙。在這一理論中，宇宙是瞬間從一個(gè)小點(diǎn)擴(kuò)張成我們今天所見(jiàn)到的宏大宇宙的原型。但理論也預(yù)測(cè)，還發(fā)生過(guò)無(wú)限多次的大爆炸，每次都會(huì)創(chuàng)造一個(gè)不同的宇宙。

這樣的“多元宇宙”即一個(gè)巨大的袖珍宇宙的集合，同時(shí)存在多個(gè)不同的宇宙，不過(guò)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，其背后“完全隨機(jī)”、可以無(wú)限種現(xiàn)實(shí)并存的宇宙曾一度令人感到不安，甚至還催發(fā)了像高堡奇人那類關(guān)于平行宇宙世界線的電視劇。

數(shù)學(xué)悖論使這一想法無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。而從那時(shí)開(kāi)始，關(guān)于多元宇宙的問(wèn)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(gè)無(wú)限的分形，在膨脹的海洋中，鑲嵌著不同的袖珍宇宙。”

問(wèn)題的另一個(gè)關(guān)鍵在于，各個(gè)袖珍宇宙中適用的宇宙規(guī)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(xué)家們感到毛骨悚然，因?yàn)樗馕吨祟悰](méi)有辦法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)宇宙內(nèi)的物理法則，也被一些科學(xué)家們視為現(xiàn)有科學(xué)理論的重大威脅。

但在最新的論文中，霍金和 Hertog 用理論質(zhì)疑了這一觀點(diǎn)：宇宙并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(shí)際上可能并沒(méi)有很大差別。

麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授 David Kaiser 表示，上述理論的意義在于，研究我們所處的宇宙對(duì)理解整個(gè)宇宙究竟有多大幫助，這是科學(xué)家研究自然界基本規(guī)律時(shí)面對(duì)的關(guān)鍵問(wèn)題。

而霍金在論文中寫道，存在各種各樣宇宙的可能性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比此前估計(jì)得小。Kaiser解釋說(shuō)，我們所處宇宙依賴的運(yùn)行規(guī)則很可能并不是例外，也許相當(dāng)?shù)湫汀?/span>

也就是說(shuō)，霍金最終選擇了宇宙的有序而非隨機(jī)，這位天才在制造了一個(gè)巨大的甚至有點(diǎn)可怕的難題之后，又親手解決了它。這無(wú)疑會(huì)給科學(xué)家尤其是物理學(xué)家們提供一些安慰：我們還是有機(jī)會(huì)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(zhì)，有的擴(kuò)張得太快，有的則太短暫，總之它們有很大的區(qū)別。這就很神秘了，為什么我們生活在這個(gè)特殊的世界里，一切都剛好達(dá)到生命和復(fù)雜性出現(xiàn)的平衡？這篇文章其實(shí)比之前的理論更邁進(jìn)了一步，它將多元宇宙簡(jiǎn)化成了一個(gè)更易于管理的宇宙，它們數(shù)量有限而且看起來(lái)都很相似。霍金可能會(huì)說(shuō)，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(gè)完全可預(yù)測(cè)的宇宙學(xué)框架。”

用數(shù)學(xué)工具探索多元宇宙

這個(gè)新理論借鑒了霍金和美國(guó)物理學(xué)家 James Hartle 于 1980 年代發(fā)表的研究成果，并使用弦理論中更有說(shuō)服力的現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具“全息理論”對(duì)其進(jìn)行了更新。在弦理論中，現(xiàn)實(shí)世界是通過(guò)一種被稱為宇宙弦的一維物體的相互作用來(lái)描述的。而全息理論則指體積中的所有信息都包含在體積的邊界內(nèi)。該原理將三維空間壓縮成了二維空間，最終使得計(jì)算變得更容易。

但是，還有一個(gè)最基本的問(wèn)題沒(méi)解決，那就是：為什么我們的宇宙看起來(lái)是這樣的？為什么光速是 3×10^8m/s 呢？

確定宇宙的真正形態(tài)，將有助于科學(xué)家找到這些問(wèn)題答案。但確定整個(gè)多元宇宙的形態(tài)幾乎是不可能的事情。

為此，霍金與 Hertog 進(jìn)行了大量復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算后，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，然后進(jìn)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(gè)通俗的解釋是：多元宇宙就像空中漂浮的一大群泡泡，每個(gè)泡泡都是一個(gè)世界，擁有自成一格的時(shí)間與空間，甚至每個(gè)泡泡中的物理學(xué)規(guī)律，在其他泡泡里也不適用。但是有時(shí)，這些宇宙泡泡也會(huì)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(gè)宇宙泡里留下過(guò)痕跡。

“或許，這些宇宙看起來(lái)還會(huì)和我們的宇宙有許多相似之處。”南加州大學(xué)的物理學(xué)助理教授 Katie Mack 補(bǔ)充到，“如果宇宙的類型相對(duì)較少，而它們之間的聯(lián)系也比所想的要多，那么我們就可以找到更多古今宇宙間的直接聯(lián)系。”

不過(guò)，對(duì)于這篇論文，學(xué)術(shù)界也有不同的聲音。來(lái)自南加州大學(xué)物理和天文學(xué)系教授 Clifford Johnson 強(qiáng)調(diào)的，霍金和 Hertog 的論文雖然有趣，但也只能看作是該研究領(lǐng)域的另一個(gè)切入點(diǎn)。不過(guò) Johnson 也表示，同領(lǐng)域內(nèi)的其他的杰出研究一樣，霍金和 Hertog 的這項(xiàng)研究將有利于逐步地推動(dòng)這一領(lǐng)域思想框架的構(gòu)建與發(fā)展。

Hertog 則認(rèn)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(shí)日，相信物理學(xué)家們最終可以實(shí)際測(cè)試這一理論。如果宇宙真的如理論所預(yù)測(cè)的那樣演化，那么它可能會(huì)在引力波或所謂的宇宙微波背景上留下一個(gè)明顯的信號(hào)，即宇宙誕生時(shí)釋放的輻射。 "這些信號(hào)將會(huì)驗(yàn)證我們是否走對(duì)了路"他說(shuō)。

我們可以將霍金的最后遺作看做是如何從最大的尺度觀察宇宙的有趣假說(shuō)。盡管現(xiàn)在，它或許還不能重塑我們對(duì)宇宙的看法，但它無(wú)疑又為我們的人類智庫(kù)中添加了不少智慧火力。而這或許正是霍金想要做的。

但霍金最后的理論也帶有悲劇色彩，論文預(yù)測(cè)說(shuō)當(dāng)所有恒星都失去能量后，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(wǎng)友對(duì)于霍金逝世大開(kāi)腦洞：有沒(méi)有一種可能是，霍金完成了論文并發(fā)現(xiàn)了通往平行宇宙的方法，然后就離開(kāi)了地球。

正如 Hertog 教授所言，“這就是霍金，他可以去到一個(gè)連‘星際迷航’中探險(xiǎn)者都害怕駐足的世界。”