斯蒂芬霍金的最后一篇論文以及他的合著(zhù)者托馬斯赫托格說(shuō)，或許，也許多元宇宙畢竟不是那么復雜。
在3月14日去世前幾天，著(zhù)名的理論物理學(xué)家和宇宙學(xué)家斯蒂芬霍金完成了他最后的研究論文。最初通過(guò)arXiv預印本服務(wù)提供，它通過(guò)了同行評審，并于4月27日在線(xiàn)發(fā)表在高能物理期刊上。
與合著(zhù)者，比利時(shí)魯汶大學(xué)的理論物理學(xué)家Thomas Hertog一起撰寫(xiě)，該論文為理解我們所生活的宇宙增添了另一面。不用說(shuō)，它很復雜。標題為“順利退出永恒通脹？”該出版物討論了宇宙學(xué)家面臨的一個(gè)神秘問(wèn)題。
但在我們深入研究這項研究的關(guān)鍵之前，讓我們回到我們的宇宙還是嬰兒時(shí) - 大約138億年前。
大爆炸和通貨膨脹
大量證據表明，我們的宇宙起源于一個(gè)奇點(diǎn)，一個(gè)無(wú)限密集的點(diǎn)，我們所知道的所有宇宙都誕生了。我們把這個(gè)事件稱(chēng)為大爆炸。但奇點(diǎn)是如何形成的以及大爆炸發(fā)生的原因現在并不令人擔憂(yōu)。我們對宇宙產(chǎn)生后立即發(fā)生的事情感興趣，這段時(shí)期被稱(chēng)為“通貨膨脹”。
宇宙學(xué)家預測通貨膨脹發(fā)生在大爆炸之后的一個(gè)非常小的時(shí)期 - 或者在宇宙的前10-32秒內！在充氣期間，宇宙呈指數級增長(cháng)，并且比光速快得多。僅僅一秒之后，來(lái)自這種不可思議的巨大爆炸的能量凝聚成了亞原子粒子，數百萬(wàn)年來(lái)，它創(chuàng )造了恒星，星系，行星和（在38億年后）生命。一旦這個(gè)通脹期結束，宇宙的擴張速度就會(huì )放緩，但它會(huì )繼續擴大到今天。
由于通貨膨脹推動(dòng)了一種快于光速的擴張，我們今天看到的“可觀(guān)察的宇宙”并不是整個(gè)宇宙。相反，我們只存在于光有時(shí)間到達的宇宙區域內。這就像把鵝卵石扔進(jìn)一個(gè)平靜的游泳池。從飛濺物傳播的第一個(gè)圓形波紋以固定的速度穿過(guò)水池表面。如果我們想象我們可觀(guān)察宇宙的極限就是波紋 - 以光速穿過(guò)水池 - 并不是沒(méi)有任何東西存在于那個(gè)波紋之外（還有更多的水池或宇宙，超出它），我們只是看不到還沒(méi)完成。
因此，通貨膨脹的后果是，除了我們用我們最強大的望遠鏡所能看到的之外，應該有更多的宇宙。
進(jìn)入多重宇宙
這種花椰菜體現了自然界中的分形。多元宇宙也可能類(lèi)似于分形。
宇宙學(xué)家長(cháng)期以來(lái)一直在努力解決宇宙不是唯一宇宙的可能性。事實(shí)上，我們只能在無(wú)限的泡沫海洋中形成一個(gè)泡沫，這個(gè)概念被稱(chēng)為“多元宇宙”。你看，通貨膨脹不會(huì )發(fā)生一次;它始終是通過(guò)一種被稱(chēng)為“永恒通貨膨脹”的無(wú)限巨大連鎖反應發(fā)生。一個(gè)宇宙將出現，通貨膨脹將接管，擴大宇宙，宇宙將擁有自己的量子不穩定性，這將產(chǎn)生更多的奇點(diǎn)，繼而創(chuàng )造更多的宇宙。這就像炸毀派對氣球一樣，它會(huì )產(chǎn)生許多其他派對氣球，這些氣球似乎隨機地從橡膠表面噴出。這種情況聽(tīng)起來(lái)很混亂，而且確實(shí)如此。這種假設的支持者認為，永恒的通貨膨脹是不可阻擋的，非常復雜并且不斷產(chǎn)生新的宇宙。這種情況的數學(xué)表明多元宇宙就像一個(gè)分形。
值得注意的是，多元宇宙中的每個(gè)連續宇宙都不可能與我們的宇宙共享相同的物理學(xué)。一個(gè)宇宙可能沒(méi)有引力。另一個(gè)人可能不支持將物質(zhì)放在一起的力量。有很多死產(chǎn)的宇宙并不是很重要。我們人類(lèi)幸運地擁有一個(gè)擁有創(chuàng )造我們所看到的正確環(huán)境的宇宙，一個(gè)被稱(chēng)為人類(lèi)原則的哲學(xué)論證。
永恒通貨膨脹的問(wèn)題在于它是凌亂無(wú)限的，而且這個(gè)假設最終是不可測試的。如果我們不能至少找到一些支持多元宇宙假設的觀(guān)察證據，那么為宇宙（或宇宙）建立一個(gè)精彩的數學(xué)模型有什么意義呢？
霍金不是多重宇宙的粉絲
那么，霍金和赫托格的研究與這個(gè)不屈不撓的多元宇宙有什么關(guān)系呢？
在多元宇宙中，我們的宇宙只是一個(gè)通貨膨脹已經(jīng)結束的口袋宇宙，盡管有可能，它仍然能夠創(chuàng )造出豐富的恒星和星系以及生活在一些隨意搖滾的宇宙上的人類(lèi)。然而，除了我們平靜的口袋之外發(fā)生的事情有些不同。
“通常的永恒通脹理論預測，全球我們的宇宙就像一個(gè)無(wú)限的分形，具有不同口袋宇宙的鑲嵌物，被膨脹的海洋隔開(kāi)，”霍金去年接受采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)?！拔锢砗突瘜W(xué)的局部定律可以從一個(gè)口袋宇宙到另一個(gè)口袋宇宙不同，它們共同組成一個(gè)多元宇宙。但我從未成為多元宇宙的粉絲。如果多元宇宙中不同宇宙的規模大或無(wú)窮大理論無(wú)法測試?！?/p>
霍金和赫托格認為，問(wèn)題在于愛(ài)因斯坦的廣義相對論（控制著(zhù)宇宙的演化）和量子力學(xué)（通過(guò)量子波動(dòng)來(lái)創(chuàng )造新宇宙）的不相容性。多元宇宙的永恒膨脹模型“消除了古典與量子物理之間的分離”，赫托格在隨附的新聞稿中說(shuō)?！耙虼?，愛(ài)因斯坦的理論在永恒的通貨膨脹中被打破了?！?/p>
他們的研究并沒(méi)有將廣義相對論與量子物理學(xué)相協(xié)調（迄今為止一直沒(méi)有成功的任務(wù)），但是他們使用弦理論的數學(xué)來(lái)幫助簡(jiǎn)化多元宇宙模型?？焖倩仡櫍合依碚擃A測宇宙中的所有亞原子粒子實(shí)際上都是由在空間中傳播的一維弦組成。這些弦的振動(dòng)狀態(tài)使這些粒子具有量子態(tài)（例如電荷，自旋和質(zhì)量）。但弦理論也預測了假設引力子的存在，引力引力子是一種承載引力的量子粒子。因此，弦理論將解釋愛(ài)因斯坦的廣義相對論（引力）與量子物理學(xué)的關(guān)系。
利用弦理論的數學(xué)框架，本研究簡(jiǎn)化了多元宇宙?；艚鸷秃胀懈袷褂萌⑿g(shù)的弦理論概念將我們的三維宇宙縮小為二維“表面”，從中我們所知道和喜愛(ài)的宇宙被投射出來(lái)。通過(guò)這樣做，他們能夠描述沒(méi)有廣義相對論的永恒通貨膨脹，創(chuàng )造了一種“永恒的狀態(tài)”。
“當我們及時(shí)追蹤宇宙的演變時(shí)，我們在某個(gè)時(shí)刻達到了永恒通貨膨脹的門(mén)檻，我們熟悉的時(shí)間概念不再有任何意義，”赫托格在一份聲明中說(shuō)道。
數學(xué)很復雜，但結果很有趣。計算具有將無(wú)限和分形多元宇宙轉變?yōu)楸扔篮闩蛎涱A測更簡(jiǎn)單（和有限）的情況的效果。
霍金說(shuō)：“我們并沒(méi)有歸結為一個(gè)獨特的宇宙，但是我們的研究結果意味著(zhù)多元宇宙的顯著(zhù)減少，以及更小范圍的可能宇宙?！?/p>
我們如何測試它？
從正確的角度來(lái)看，霍金的最終論文并沒(méi)有徹底改變我們對宇宙（以及多元宇宙）如何運作的理解，但它是一個(gè)巨大的理論工作領(lǐng)域的有價(jià)值的補充。具體而言，赫托格希望這項研究可以幫助我們尋找由永恒通貨膨脹產(chǎn)生的古老引力波。然而，時(shí)空中的這些漣漪對于當前的引力波探測器來(lái)說(shuō)太弱了。我們需要等到先進(jìn)的太空觀(guān)測站 - 例如計劃中的歐洲航天局的LISA任務(wù)- 啟動(dòng)。
藝術(shù)家對ESA的LISA探路者的渲染，將負責探測來(lái)自太空的引力波
無(wú)論這項研究是否會(huì )導致我們所生活的宇宙的開(kāi)創(chuàng )性發(fā)現，這都是一位偉大的科學(xué)家的證明，他一生都在不知疲倦地工作，以回答人類(lèi)思考過(guò)的一些最大問(wèn)題。而在霍金的肩膀上，其他偉大的思想將建立在這項工作的基礎上，希望能夠破譯我們的宇宙是否是獨一無(wú)二的 - 或者如果它是一個(gè)混亂地漂浮在多元宇宙海洋中的泡沫。
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