霍金去世前10天留下最后一篇论文:预言世界终结,平行宇宙留下了这些“线索”

科学
霍金去世前10天留下最后一篇论文:预言世界终结,平行宇宙留下了这些“线索”
麻省理工科技评论 2018年3月23日

2018年3月23日

近期,霍金生前的最后一篇论文得以曝光,这篇论文尝试寻找平行宇宙的证据,并预测了世界末日。
物理
近期,霍金生前的最后一篇论文得以曝光,这篇论文尝试寻找平行宇宙的证据,并预测了世界末日。

2018 年 3 月 14 日,物理学家和宇宙学家史蒂芬·霍金去世,享年 76 岁,一代传奇就此谢幕。但他依然留给了全人类无数伟大的科学成果。

就在近期,霍金生前的最后一篇论文得以曝光,这篇论文尝试寻找平行宇宙的证据,并预测了世界末日。在他去世前两周,霍金提交了一篇名为《从永恒的膨胀中逐渐消逝》的研究论文(A Smooth Exit from Eternal Inflation,最近一次的修订日期为 3 月 4 号)。在这篇论文中,霍金同比利时鲁文大学的理论物理学家一起探讨了如何利用宇宙飞船上的探测器找到这些多元宇宙,并预测了我们的宇宙将如何消失在黑暗中。

这项研究提出了进行“星际迷航式”太空探索的数学方法,来探寻证明“平行宇宙”的证据。鲁文大学(KU Leuven)的理论物理学家、该论文的共同作者 Thomas Hertog 教授表示,霍金——这位具有标志性地位的物理学家——在临终前完成了这项突破性研究。据《星期日泰晤士报》(The Sunday Times) 报道,这篇文章修订完后将发表在某个顶尖期刊上:如果霍金在世的时候就发现了该证据,他可能会获得他期盼已久的诺贝尔奖。


多元宇宙

从很早的时候,霍金就是多元宇宙的支持者。在 1983 年的时候,霍金与 James Hartle 共同提出了“无边界理论”,描述了宇宙是如何在大爆炸中出现的,同时预言了一个由诸多“大爆炸”产生的多元宇宙。在这一理论中,宇宙是瞬间从一个小点扩张成我们今天所见到的宏大宇宙的原型。但理论也预测,还发生过无限多次的大爆炸,每次都会创造一个不同的宇宙。

“多元宇宙”即一个巨大的宇宙集合,同时存在多个不同的宇宙,不过目前他们之间的分布方式还不为人知。数学悖论使这一想法无法通过实验来验证。而从那时开始,关于多元宇宙的问题就一直萦绕在了霍金的心头。理论认为多元宇宙的出现是由于膨胀引起的。在宇宙出现后的几秒钟内,时空以巨大的速度膨胀,这一过程中,微小的量子涨落扩展成了如今我们所观察到的宇宙大尺度特征,而这一特征也反过来成为验证这一理论正确性的证据。霍金和 Hertog 提出的理论被称为“宇宙永恒膨胀理论”,该理论认为这种膨胀行为在大多数地方都会永远持续下去,而在一小部分地方会停止并形成诸多的宇宙,从整体上来看,平行宇宙的形成过程是永无止境的。另外,在这些宇宙中,物理定律看上去也会不一样,这也意味着我们认为理所当然的常数,比如真空中的光速,在另外的宇宙就将是不一样的数值。来自布法罗大学文理学院的物理学教授 Will Kinney 形象地解释到,永恒的膨胀会创造无限多的小宇宙,这些小气泡似的“宇宙”将布满于膨胀的空间中。

但是无限多的宇宙也给物理学家带来了许多困惑。最基本的一些问题就是:为什么我们的宇宙看起来是这样的?为什么光速是 3×10^8m/s 呢?而确定宇宙的真正形态,将有助于科学家找到这些问题答案。但确定整个多元宇宙的形态几乎是不可能的事情。

为此,霍金与 Hertog 进行了大量复杂的数学计算后,为我们指明了一条新思路,即我们可以先给那些可能存在的宇宙类型定义一些边界,然后进行外推。霍金的最后一篇论文就论述了为何多元宇宙在我们的宇宙的背景辐射中留下印记,人类又该如何找到这些痕迹,证明“多元宇宙”的说法成立。一个通俗的解释是:多元宇宙就像空中漂浮的一大群泡泡,每个泡泡都是一个世界,拥有自成一格的时间与空间,甚至每个泡泡中的物理学规律,在其他泡泡里也不适用。但是有时,这些宇宙泡泡也会相互碰撞。其他的宇宙泡泡的诞生,或者消逝,都可能在我们的这个宇宙泡里留下过痕迹。“或许,这些宇宙看起来还会和我们的宇宙有许多相似之处。”南加州大学的物理学助理教授 Katie Mack 补充到,“如果宇宙的类型相对较少,而他们之间的联系也比所想的要多,那么我们就可以找到更多古今宇宙间的直接联系。”


逐渐明晰

如果可能存在的宇宙类型是有限的,那么科学家们就可以着手去解决诸如“我们的宇宙是如何形成的?”以及“为什么它看上去是今天的样子?”等问题。但霍金的论文并没有确切地告诉我们什么样的宇宙是可能存在的,也没有确切地证明多元宇宙或宇宙膨胀理论。正如 Kinney 所指出的,霍金与 Hertog 甚至没有提出任何方法,告诉我们如何能找到多元宇宙的证据,这意味着他们的理论暂时仍然是不可验证的。

两人依据全息原理来进行了这项工作。全息原理指出体积中的所有信息都包含在体积的边界内。该原理将三维空间压缩成了二维空间,最终使得计算变得更容易。不过实际上,许多其他研究人员也会在工作中使用全息原理,正如来自南加州大学物理和天文学系教授Clifford Johnson强调的,霍金和 Hertog 的论文虽然有趣,但也只能看作是该研究领域的另一个切入点。不过 Johnson 也表示,同领域内的其他的杰出研究一样,霍金和 Hertog 的这项研究将有利于逐步地推动这一领域思想框架的构建与发展。霍金本人似乎一直在研究这一理论。就在他去世前几个星期,他还提交了这份研究的更新版本,其中包含了大量的修改。而目前他的合著者 Hertog 肯定也会继续完善这项研究。

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图丨宇宙演化过程

我们可以将霍金的最后遗作看做是如何从最大的尺度观察宇宙的有趣假说。尽管现在,它或许还不能重塑我们对宇宙的看法,但它无疑又为我们的人类智库中添加了不少智力火力。而这或许正是霍金想要做的。但霍金最后的理论也带有悲剧色彩,论文预测说当所有恒星都失去能量后,我们的宇宙将在黑暗中消失。

目前,这篇研究中提出的想法已在宇宙学家中引起了诸多争议。霍金的朋友,来自加拿大圆周理论物理研究所(Perimeter Institute)的 Neil Turok 教授就并不赞同这些想法,并表示,“我仍旧很困惑,为什么霍金会觉得这个设想有趣?”而其他的一些科学家则认为霍金的这一研究或许可以给宇宙学研究带来所需的新突破,尤其是该理论第一次具有可以在实验中验证的可行性。有趣的是,这篇论文的曝光也让一部分网友对于霍金逝世大开脑洞:有没有一种可能是,霍金完成了论文并发现了通往平行宇宙的方法,然后就离开了地球。正如 Hertog 教授所言,“这就是霍金,他可以去到一个连‘星际迷航’中探险者都害怕驻足的世界。”

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延伸阅读:为何霍金无缘诺贝尔奖

霍金是一位出色的理论物理学家,一位深邃的思想家,拥有着最聪明的头脑并赢得了同行的诸多赞誉。但正如霍金的科研伙伴所说,诺贝尔委员会看中的是证据,而非大胆的想法,而霍金对黑洞和宇宙学的思考还没有出现诺奖所认可的“铁证”,因而一直无缘诺奖。来自加州理工学院的物理学家 Sean Carroll 表示,“诺贝尔奖并非授予给最聪明的人,或者是科学上做出最大贡献的人,其授予的是‘发现’本身。”“但目前,霍金最杰出的理论还没有在实验上得到验证,而这也是为什么他没有获奖的原因。”来自哈佛的天文学家 Avi Loeb 补充到,“霍金去世于爱因斯坦 139 周年诞辰,人们也经常会将他与爱因斯坦做比较。但爱因斯坦获得的诺贝尔奖并不是因为他著名的相对论,而是因为他准确的描述了光电效应,并被 Robert Millikan 的实验所证实。”

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