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霍金的最后一篇论文告诉了我们什么?天纯被芯资讯栏目

已故的物理学家霍金在他的一生中对宇宙学做出了巨大的贡献,但他并没有完全解答出宇宙的所有奥秘。

现在,他的最后一篇论文已经出版了——它介绍了关于宇宙大小和形状的一些新观点。但是这项研究到底说了些什么呢?这些发现又有多重要呢?

霍金的最后一篇论文告诉了我们什么?

我们传统的宇宙观是,宇宙从大爆炸开始,有一个非常迅速膨胀的时期,被称为宇宙暴胀。这创造了我们今天生活的大而平的宇宙。问题是,宇宙暴胀往往会有停滞的问题。

这是因为早期宇宙的暴胀实际上是由量子力学的奇怪规则所支配的,使得它以一种意想不到的方式运行。

例如,根据量子力学,粒子可以从真空中随机出现,然后再一次消失——这就是所谓的量子涨落。在早期的宇宙中,量子涨落可能导致宇宙的某些部分突然开始以比其它部分快的速度膨胀。

这就意味着,尽管暴胀可能在某些区域已经结束,但因为在其它区域却仍在继续,所以宇宙总体上将“永远暴胀”。

这也同时表明我们应该是生活在一个平行宇宙的“多元宇宙”的小口袋里,在这个“多元宇宙”中,暴胀已经停止,恒星已经形成。然而,整体的多元宇宙会不断创造新的暴胀的宇宙,就像不规则的碎片形状一直生长。

霍金的最后一篇论文告诉了我们什么?

一个不规则碎片型的宇宙?

图片来源:Wolfgang Beyer/Wikipedia

这样的宇宙将是非常不平衡的——这就是霍金的论文所关注的方面。如果我们把宇宙想象成一个气球,那么给气球充气应该是均匀膨胀的过程。

但是宇宙永久性的膨胀看起来就像是气球的一小部分突然失去弹性不再膨胀。考虑到气球的其余部分仍在膨胀,这将会使整个气球的表面变得非常尖锐。

永恒的宇宙暴胀理论和多元宇宙的理论是强有力的,因为它们可以很方便地解释像人类这样带有“人择原理”(正是人类的存在,才能解释我们这个宇宙的种种特性,包括各个基本自然常数。因为宇宙若不是这个样子,就不会有我们这样的智慧生命来谈论它。)意识的物种的存在。

这本质上说,为了让生命存在,宇宙环境在整体上必须与我们所居住的星球非常接近。例如,如果行星没有形成,那么就很难想象生命是如何存在的,或者也很难解释《星际迷航》中的生命和生存方式。

所以,如果只有一个宇宙,那它就不太可能像我们自己居住的宇宙一个模样。然而,如果有无限多的宇宙,那么就能保证至少其中一个包含生命。

驯服无穷

但这足以解释宇宙吗?毕竟,我们从未见过这些无限的平行宇宙。在《高能物理学》杂志上发表的一篇论文中,霍金和他的同事、来自比利时库鲁文大学的Thomas Herzog使用了一种玩具模型来探索宇宙的结构。

他们使用全息技术,将三维空间从数学上减少到表面的二维投影,试图计算出宇宙的样子。

整个维度的隐藏使得做这样的建模更加容易。考虑到量子涨落的随机性,他们观察到多元宇宙存在形如更平滑的尖气球的可能性,并且发现宇宙具有平滑的倾向性。

这表明,永恒的宇宙暴胀也许并不是科学家们最初认为的首选结果。

相反,他们认为多元宇宙远不是无限的,尽管有可能不止一个宇宙存在。

但是,相对于一个无限大的数字来说,较少的平行宇宙存在的可能性更可取,这意味着我们可以试着确定它们的样子和位置。我们还可以探索它们是否在宇宙大爆炸留下的辐射中留下了痕迹,使理论更容易得到测试。

虽然这只是一个玩具模型,但在更大的量子宇宙背景下直接解决宇宙暴胀的概念是新颖而迷人的。现在,Herzog是否能把这些想法变成一个预测,来寻找其它宇宙的迹象还有待观察。

本文为蝌蚪五线谱原创文章

译者:李彤馨

蝌蚪五线谱

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