霍金写的最后一篇论文，提出多元宇宙并非无限形成

今年 3 月，英国物理学家史蒂芬·霍金在去世前 10 天，仍在修改关于宇宙起源的论文。

今早，《高能物理杂志》（Journal of High Energy Physics）发表了他在宇宙学上的最后一篇论文《平稳地退出永恒膨胀》（A Smooth Exit from Eternal Inflation），文中说宇宙可能比通常认为的更简单（关于黑洞的其他论文尚待发表）。

这篇论文的合著者是比利时鲁汶大学的理论物理学家托马斯·赫托格，他在去年剑桥大学庆祝霍金 75 岁生日的会议上公布了这项新理论，尝试改进“永恒膨胀”的观点。

首先来看一些基本的概念：宇宙膨胀理论认为，大爆炸后宇宙形成，时空以超过光的速度急剧膨胀，在我们可观测的宇宙中，这种飞速的膨胀已经结束。

但一些观点认为，这种膨胀从未结束，并且永不止息，这就是永恒膨胀理论。一些物理学家不认为膨胀会无故中止，他们尝试提出膨胀的驱动力：宇宙在更高能量的“假真空”状态会几何级数地膨胀，当能量变低，变为“真真空”状态时，膨胀就会变慢。

这个能量降低的过程中，我们所知的宇宙像个泡泡一样越吹越大。而这个降低的过程是随机的，这导致了多元宇宙的产生，这些宇宙各不相同，光速等基本的物理量也大相径庭，我们所在的宇宙正是这无限多个多元宇宙中的一个。

赫托格认为，这会阻挠宇宙学家认识自然的基本规律，不同宇宙常量的随机变化令人沮丧，想确定整个宇宙的真正形态几乎不可能。许多人都试图解决这个问题，霍金和赫托格尝试用量子理论和弦理论交叉的角度来看待它，并把它变成一个可测试的科学框架。

通过基于弦理论的大量计算，霍金和赫托格认为，永恒膨胀并未发生，多元宇宙并非无限。“我们预测宇宙在整体上是平滑而有限的，不是无限的分形结构”，霍金这样总结这篇理论。正如标题的比喻所示，为永恒膨胀找到一个“平滑的出口”。

赫托格解释，传统的永恒膨胀理论是基于爱因斯坦的广义相对论演化的，但膨胀的内在动力——量子涨落不再简单地适用相对论。霍金和赫托格尝试用弦理论统一了相对论和量子力学，观察维度较小的空间中的整体情况。

弦理论希望将基本粒子和四种相互作用力统一起来，认为物质基本单元是微小的“弦”。弦理论的代表科学家胡安·马尔达西那曾把高维度空间简化为低维度的空间，在低维空间验证高维空间中的理论，这种方法称为“全息”（Holography）。霍金和赫托格借用了这个方法，抛弃了时间这一维度，只剩下三个空间维度。

这避免了对宇宙诞生时间的讨论。广义相对论能很好地解释大爆炸之后的时间，但很难处理诞生的时刻——时间和空间都存在于“奇点”当中。去掉时间这一维度，就能避免对奇点的处理。

用这种方法，霍金和赫托格计算出了永恒膨胀理论的平滑出口，结果中有限的宇宙比此前无限的结构简洁得多。这也使这一理论的可验证性大大增加。

如果可能存在的宇宙有限，那么科学家们对解决宇宙形成和运行的问题就不至于毫无头绪。但这篇论文并未提出寻找多元宇宙的方法。

新理论的提出并不意味着此前的理论就此被推翻。霍金和赫托格的研究仍需验证，并且关于时间何时出现这一问题，仍然需要物理学家的回答。“我们抛出了一种新的范例，”赫托格承认，“但还有很多工作要做。”

赫托格会在此基础上继续研究。他认为经新理论缩小后的尺度将有望被人类望远镜观测到，尤其是“出口”处产生的原初引力波，将会是重要的验证依据。

尽管这是霍金的最后一篇论文，物理学家们并不认为它地位重大。理论物理学家 Sabine Hossenfelder 在博客中说，霍金是一位受人崇敬的物理学家，毫无疑问是个伟大的人，但这篇论文“完全不起眼”。

这也许会令你失望，但理论物理学就是这样：并不是每个理论都会成为相对论，大部分论文只是提出现存问题的新方法。理论物理学家用数学计算来回答关于宇宙的宏大问题，并希望有人可以通过实验验证。这些理论的可验证性正是在物理学界中引起争议的原因。

也许霍金最后一篇论文的实际地位如何并不重要。你只要知道，在他生命的最后一年，霍金仍在坚持他的工作：试图了解宇宙万物运行的理论。

DOI: 10.1007/JHEP04(2018)147

题图来自电影《万物理论》