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霍金最后的礼物

发表时间:2018年05月11日 来源:煎蛋网

作为开创性的物理学家,史蒂芬·霍金在去世之前为世人留下了一笔闪烁着理性光辉的理论遗产:他与来自KU Leuven比利时鲁汶大学的Thomas Hertog托马斯·赫托格合著的最后一篇论文详细地阐述了他关于宇宙起源的终极理论。


前不久发表在《高能物理学杂志》上的论文提出,宇宙的结构比现在流行的多重宇宙理论所暗示的还要复杂得多。

它基于一种名为永恒暴胀的概念,首先见于1979年,并于1981年整理成论文出版。

大爆炸后,宇宙经历了指数级别的暴胀时期。然后它减缓了膨胀的速度,把能量转化为物质和热辐射。然而,根据永恒暴胀理论,一些空间泡沫的膨胀或减速膨胀停止了下来,从而形成了静态空间的小分形死角。同时,在其他空间泡沫中,由于量子效应,暴胀从未结束——形成无限数量的多元宇宙。

根据这一理论,我们在可观察到的宇宙中看到的一切都只存在于其中的一个时空泡沫中——暴胀已经停止的时空泡沫,其内部才能形成恒星和星系。

“一般的永恒暴胀理论预言说,我们的宇宙就像一个无限的分形,由不同的口袋宇宙镶嵌在一起,被始终向外延伸的暴胀海洋所阻隔,”霍金解释说,“从一个口袋宇宙到另一个口袋宇宙,局域的物理和化学规律可以有所不同,它们一起构成多元宇宙,但我从来不是多元宇宙的粉丝,如果多元宇宙中的不同宇宙的尺度过大或乃至达到无限,就会让我们失去检验理论的能力。”

即使是永恒暴胀模型最早的提出者之一,近年来也开始反对他自己的模型。

普林斯顿大学的物理学家保罗·斯坦哈特公开发表学术意见,认为该理论只是接受了它本该要解决的问题,而没有给出问题的答案——使宇宙与我们的观测一致,所以我们最好找个新的模型来取代它。

霍金和赫托格现在都表示永恒暴胀模型是错误的。这是因为爱因斯坦的广义相对论在量子尺度上被打破了。

“通常的暴胀理论的问题是,它假定现有的背景宇宙是根据爱因斯坦的广义相对论发展而来的,并将量子效应看作是背景环境里的噪音。”赫托格解释道。“然而,永恒暴胀的推动力打破了古典和量子物理学之间的藩篱,结果,爱因斯坦的理论在永恒暴胀中就不再使用了。”

新理论基于弦论,而弦论试图通过用微小的振动的一维弦替换粒子物理中的点状粒子来调和广义相对论和量子理论的矛盾。

在弦论中,全息原理提出,可以通过占据一定体积的空间的低维边界上获取空间内部的所有信息;所以宇宙就像一幅全息图,其中三维空间中的物理现实在数学上和它们表面上的二维投影并无二致。

研究人员为全息原理开发出了一种变体,它刻画了暴胀的时间维度,这使得他们能够清晰地描述相关概念而不必依赖于广义相对论。

这使得他们能够在宇宙开始的时候,在数学上将永恒的暴胀降低到空间表面上恒定的状态——永恒暴胀宇宙的全息图。

赫托格说:“当我们追溯宇宙的演化时间表时,在某个时刻,我们到达了暴胀的门槛,我们熟悉的时间概念就不再有任何意义。”

1983年,霍金和另一位物理学家研究员詹姆斯·哈特勒提出了所谓的“无边界理论”或“哈特尔-霍金状态”。他们提出,在大爆炸之前,有空间,但没时间。所以当宇宙开始时,它从一个点向外扩张,但没有时间起点。

根据新理论,早期宇宙应该存在一个边界,这使得霍金和赫托格得出了关于宇宙结构的更可靠的理论推断。

霍金说:“我们预测我们的宇宙在最大尺度上是相当平滑和全局有限的,所以它不是分形结构。”

这一结果,与多元宇宙并无冲突,但将它们的规模降低到了一个更小的范围——这意味着在未来可能更容易通过实验来验证多元宇宙理论的正误,如果这项工作可以被其他物理学家重复和证实的话。

赫托格计划通过寻找可能由永恒暴胀产生的引力波来对其进行测试。

这种引力波的涟漪规模过大而无法被LIGO探测到,但未来的引力波干涉仪,如天基LISA,以及未来宇宙微波背景的研究都可能发现它们存在的证据。



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