霍金最后一篇论文发表：去世前十天，他揭开了全新宇宙结构？

2018年5月3日，《高能物理学报》（Journal of High Energy Physics）发表了霍金生前完成的最后一篇学术论文。在这篇文章中，他与曾经的学生，比利时鲁汶大学的物理学家托马斯·赫托格（Thomas Hertog）合作，基于弦理论对宇宙结构作出全新的推测。霍金和赫托格认为宇宙是平滑且有限的，如果这一结论正确，它将让我们有机会重新理解、验证多重宇宙。但与此同时，这项研究却受到一些物理学家的质疑。

编译 | 王语嫣 吴非

全新宇宙结构？

在去年七月份剑桥大学的一次会议上，赫托格第一次公开了这个新理论，并将论文上传至预印本网站arXiv上。就在霍金去世前一周，两位作者对论文再次进行了重要的修订。论文正式发布后，剑桥大学的官方新闻稿阐述了这项研究的内容及意义。

现代大爆炸理论认为我们宇宙的诞生伴随着暴胀——换句话讲，在宇宙大爆炸之后极短的时间内（大概从10-36秒持续到10-32秒），宇宙经历了指数型膨胀。被学界广泛接受的永恒暴胀理论（eternal inflation）认为，暴胀一旦开始，在一些区域就不会停止：量子效应会导致膨胀在宇宙的某些区域中不停地进行下去。所以从总体上说，宇宙是不断膨胀的。我们的可观测宇宙在整个宇宙中，只是一块宜居的口袋宇宙，在这里暴胀已经停止了，恒星与星系也已经形成。

“传统的永恒暴胀理论认为，我们的宇宙整体上就像一个无限的分形，上面嵌着不同的‘口袋宇宙’，它们被正在暴胀的‘海洋’隔开，”在去年秋天的一次访谈中，霍金这样解释道，“每个口袋宇宙的物理和化学准则都不相同，它们共同组成了多重宇宙。但我本人从不是此类多重宇宙的狂热支持者。如果多重宇宙中的每个宇宙都很大甚至是无限大的话，那这个理论就无法检验了。”

在最新的论文中，霍金与赫托格指出，用永恒暴胀理论解释大爆炸是错误的。“这种做法的问题在于，在它的假设中，有一个根据广义相对论演化而来的背景宇宙，并将量子效应当成是围绕背景宇宙产生的微小涨落，”赫托格说，“然而，永恒暴胀的动力学机制抹消了经典物理与量子物理之间的区别。结果是，爱因斯坦的理论在永恒暴胀中失效了。”

（由于量子的运动状态不固定，一个量子可能会随机出现在空间某点，造成该点能量涨落。宇宙暴胀过程中的量子涨落会导致宇宙各点的能量与物质密度不同。永恒暴胀理论假设了一个“暴胀场”，量子在这个场中的涨落会导致膨胀速率变化，并引起宇宙永恒暴胀）

“我们推测，我们的宇宙从整体上看，应该是平滑并有限的。所以它并不是一个分形结构。”霍金说。

更简洁的假说

在这项研究中，霍金和赫托格用到的理论基础是弦理论。为了调和广义相对论与量子物理之间的矛盾，弦理论把构成宇宙的基本元素描述为一段段细小，振动的“能量弦”。霍金与赫托格的运用其中的全息原理开展这项研究。全息原理认为一个三维空间的所有性质都可以在数学上投影到其二维的边界上。

为了能从永恒暴胀的宇宙中投射出时间维度，霍金与赫托格对全息理论进行了一些改变。这使得他们不用依赖爱因斯坦的理论就能解释宇宙的永恒暴胀。

“当我们顺着时间往前追溯宇宙演化的历史，在某个瞬间，我们会达到宇宙永恒暴胀的阈值。那个瞬间之前，我们所熟悉的‘时间’的概念没有任何意义。”赫托格说。

1983年，霍金和加州大学圣巴巴拉分校的物理学家詹姆斯·哈特尔（James Hartle）共同提出无边界假设（no-boundary conjecture）。按照广义相对论，在大爆炸前，存在一个任何物理规律都不适用的奇点。而无边界假设认为，这个存在于大爆炸之前的奇点既是空间的奇点，也是时间上的奇点。也就是说，时间在大爆炸前并不存在。但这个新理论比之前的理论又进了一步。“现在我们认为，宇宙是有初始的边界的。”赫托格说。

赫托格和霍金利用他们的新理论推导出了全新的宇宙整体结构假说。相比起从旧理论推出的无限分形结构的宇宙，他们推导出的有限的宇宙的结构简洁得多。

多重宇宙有多少？

除了提出全新的宇宙结构模型，这项研究的另一个意义在于探讨多重宇宙的可能性。很多人认为，在无限分形结构的宇宙中，存在着无限多的平行宇宙，我们的宇宙就是其中之一。但这个模型会带来一个悖论：因为宇宙的数量是无限多，所以没有人能够对于我们生活的这个宇宙作出可检验的预言。

如果霍金和赫托格的宇宙模型被进一步证实，那么就会对多重宇宙模型产生深远的影响。“我们并不仅限于一个单一，唯一的宇宙，但我们的发现意味着多重宇宙中可能的宇宙数量会减小很多。”霍金说。

“在传统的理论中，有着各式各样的平行宇宙：一些宇宙充满了物质而另一些空无一物；一些能快速膨胀，而另一些寿命很短，”赫托格说，“问题在于，为什么我们所生活的宇宙是如此特殊，它的一切都是那么平衡，从而让生命在这里诞生？我们的研究向着理解这一问题迈进了一步。在我们的理论中，多重宇宙的数量是有限的，而且彼此之间十分相似。这让我们看到彻底验证宇宙框架的希望。”

赫托格现在打算利用他们的新理论来研究在我们的太空望远镜能探索到的宇宙范围。他认为原初引力波是能够检测他的理论模型的重要突破口。宇宙的不断膨胀会导致这些引力波的波长非常长，超出目前LIGO探测器所能探测的范围，但通过欧洲的激光干涉空间天线（LISA）或是其他将用于探测宇宙微波背景辐射的实验设备，或许能找到他们所需的信息。

多重宇宙是否存在？如果存在，它的数量有多少？

饱受争议

这篇文章由于特殊的完成时间而受到各位的关注，但与此同时，一些科学家也对其提出了质疑。

理论物理学家、因发展夸克理论而获诺贝尔奖的弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）就认为，这项研究依赖于一些推测性的、未经证实的理论，并且大胆地利用这些理论得出了不够明确的结论。

北卡罗来纳大学的宇宙学家凯蒂·麦克（Katie Mack）认为，大部分其他的暴胀模型也预言了原初引力波，而“这篇论文提出的观点没有给出区别于其他暴胀模型的新特征。”

霍金和赫托格依靠一个数学框架来连接量子理论和引力，但是这个框架却建立在一些未经证实、实际上还不完整的猜想之上。“他们应用‘玩具模型’（指删去了大量细节的简化模型）完成了这项研究，但这个模型并不完全严谨，也不完整。他们也承认还需要做出更多的努力。” 麦克说道。

天体物理学家伊桑·西格尔（Ethan Siegel）在福布斯网站的专栏里写道，这篇论文没有任何观测、没有对宇宙结局的预测，对宇宙开端也没有给出坚实的结论。在他看来，这个想法本身就极具争议，而它依据的理论基础——无边界假设同样未能得到广泛认同。事实上，作者在论文中没有回避这个问题，他们指出他们的模型过于简化、这仍然是一个开放性问题。但在随后的媒体报道中，这项研究的意义却被夸大。

关于宇宙结构的争议仍将继续持续下去，但毫无疑问的是，无论这项研究的结论能否得到验证，无论它最终是成为改变人类对宇宙认知的经典，还是作为错误的理论被后人遗忘，赫托格和其他物理学家对宇宙的思考与探索将一直进行下去。就像西格尔在博客里所写的那样：“无论最终结果如何，这些最基本的问题将继续令寻找宇宙终极答案的物理学家为之喜悦、困扰或是伤心。”

参考材料：

Taming the multiverse: Stephen Hawking's final theory about the big bang

Stephen Hawking's final theory sheds light on the multiverse

I Am An Astrophysicist. Here's What Stephen Hawking's Final Paper Was Actually About

Stephen Hawking's Last Paper (Probably) Doesn't Prove We Live in a Multiverse

原始文献：

A smooth exit from eternal inflation?