霍金在一篇遺作論文中否認永恆膨脹與多元宇宙，重新探討宇宙的起源

霍金的一篇遺作在2018年4月27日發表，文中討論了作者對於宇宙起源於演化的看法。作者否認了「永恆膨脹」理論，認為並不存在「多元宇宙」，宇宙也並沒有所謂的「起始時刻」。這篇文章發表於《高能物理學雜誌（Journal of High Energy Physics）》。

斯蒂芬·霍金在最後一篇論文中否認了永恆膨脹理論與多元宇宙論

在斯蒂芬·霍金於今年3月14日去世時，仍有一些論文尚未發表。上周，《高能物理學雜誌》發表了霍金在目前的最後一篇論文，文中闡述了他對宇宙產生與演化的看法（他還有一些關於黑洞的論文正在整理之中）。這篇論文由霍金與比利時魯汶天主教大學的理論物理學家托馬斯·赫托格（Thomas Hertog）合作，試圖否認一個名為「永恆膨脹（eternal inflation）」的理論來討論宇宙的演化。

按照一些物理學家的說法，永恆膨脹會意味著我們的宇宙只是無窮多個多元宇宙中的一個。但借用弦理論中的概念，霍金和赫托格認為永恆膨脹是不存在的，我們只有一個宇宙。文中還強調了一項更為基本的觀點，也是霍金之前曾經提及的：我們的宇宙並不曾有時間的起始點，並沒有一個所謂的「奇異時刻」讓宇宙誕生出來。

宇宙膨脹

「宇宙膨脹（Cosmic inflation）」的概念由美國物理學家艾倫·古思（Alan Guth）在1979年提出，該觀點認為，在大爆炸之後，空間呈指數形式不斷擴展，其大小至少不停加倍了60次，然後才開始減速。

按照這一理論，空間中所有的點都在起始階段靠得很近，之後才被拉伸的很遠。這就解釋了一個重要難題：為什麼宇宙如此統一。例如，宇宙到處都存在著微波背景輻射，在空間中幾乎到處都有相同的溫度，等等。

有趣的是，在另一方面它也解釋了宇宙為何不是完全統一：很顯然，宇宙各處的質量分布極不平均。按照這一理論，膨脹過程將起初極小的量子漲落延伸到了星系大小的尺度，這些漲落導致各處基本粒子的「濃湯」存在變化，進而孕育了星系的形成。值得注意的是，對宇宙微波背景輻射和星系的研究證實了這一觀點。

宇宙膨脹理論中，宇宙在誕生初期經歷了極迅速的膨脹，但在進入大尺度後膨脹減緩了

永恆膨脹

但是，物理學家們並不喜歡「膨脹會突然減速」的說法，他們更希望有一個更本質的機制來解釋什麼導致了膨脹，又是什麼原因導致了膨脹減速。因而有人認為，宇宙初期存在著某種量子場，然後這種量子場在膨脹過程中逐漸消失了。

根據這種想法，量子場起始於近似穩定、更高能量的「假真空」狀態，並以指數方式膨脹。最後，當空間鬆弛到最低能量態，膨脹速度就會慢下來。但是，根據數學模型，這種指數膨脹的假真空會越來越多的產生自身，因而有無數個空間都在同時快速擴張。這樣就導致有無數個宇宙正在生長和演化——這也是多元宇宙論的由來。

依據永恆膨脹理論，宇宙在誕生過程中的「假真空」會不斷產生自身，進而形成多元宇宙

永恆膨脹的問題

本來，其他宇宙的存在並不會影響我們的宇宙：它們離我們太遠了，不會有任何關係。但是，有太多人不喜歡這個理論，甚至包括這一理論的某些提出者們。永恆膨脹和多元宇宙的概念阻礙了宇宙學家解釋我們身處的宇宙為什麼是現在的樣子。赫托格說，這會導致某些關鍵的常數在不同的宇宙中可能是隨機變化的，這讓人難以確信宇宙中那些常數存在的價值，「它只能假設現有的宇宙是根據愛因斯坦的廣義相對論發展，並把量子效應看成是圍繞著這一理論的小波動。」

否認永恆膨脹

霍金與赫托格認為，永恆膨脹並不會發生。要說明這一點，他們借用了弦理論的概念，使他們可以在不同的維度上讓看似不同的理論等價起來。赫托格舉例說，這就好像一罐汽水中的任何東西都可以用於一個理論來描述：因為它們都要受到罐子的約束。

永恆膨脹理論認為，宇宙的早期，驅動膨脹的量子漲落與量子場自身的平均值一樣大。但是，霍金與赫托格認為，在這種條件下，人們不能再簡單的照搬愛因斯坦的廣義相對論，而必須用一個「技巧」，在一個更少維度空間中分析其整體面貌，這種做法被理論物理學家稱為「全息論（principle of holography）」。

他們聲稱，在這個變換了的空間中，事物更易於分析處理，也不會導致永恆膨脹的出現，這也意味著我們只有唯一的宇宙。

在霍金的新理論中，認為宇宙誕生之初並不存在時間這一維度

新理論與宇宙起源的聯繫

赫托格認為，在對「更少維度的空間」分析中，物理學家恰好可以將「時間」這一維度拋棄。因而，早期的宇宙完全可以用一個只有三維空間而沒有時間概念的理論來描述。

事實上，宇宙的「誕生時刻」一直是理論物理學家們頭疼的問題。簡單的講，廣義相對論可以解釋宇宙大爆炸之後的很多問題，但卻不能解釋宇宙誕生的這一瞬間：這一時刻的情形在時空中形成了「奇點」，就好像一個數學函數在無窮大的情形下會打破自身規律一樣。因此，理論物理學家一直在尋求避免討論這一奇點的方法，而現在這種拋棄時間維度的方式正好可以實現這一點。

當然，現在正有大量的學者審查霍金與赫托格的工作。而且，即便這一理論被認為是正確的，當前也不能說它完美解決了宇宙起源的問題。畢竟還有一個重要的問題等待解決：如果宇宙從只一個有空間維度的情形開始，那麼時間又是如何從中顯現出來的？

「我們拋出了一個新的分析模式」，赫托格說，「但還有很多工作要做。」

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