你還不知道吧？霍金最終的宇宙大爆炸理論

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史蒂芬·霍金被認為是我們這個時代最有影響力的科學家之一。在這個星球上，這位著名的物理學家、科學傳播者、作家和名人成了家喻戶曉的名字，與愛因斯坦、牛頓和伽利略等人一樣。更讓人印象深刻的是，儘管他患有慢性退行性疾病，但他仍然堅持科學、教育和人道主義而不斷努力。

為了紀念斯蒂芬·霍金，創造迄今為止宇宙中最詳盡的三維測繪成果。圖片：BBC, Illus.: T.Reyes

雖然霍金最近去世了，但他的影響仍然存在而且非常重要！在霍金去世前不久，霍金提交了一篇論文，提出他關於宇宙起源的最終理論，5月2日發表了這篇論文，提出了一種新的大爆炸理論，它將徹底改變我們對宇宙的看法：宇宙是如何被創造出來的，以及宇宙是如何演化的。

這篇題為「從永恆的宇宙膨脹中平穩退出」的論文，發表在《高能物理》期刊上。該理論於去年7月在劍橋大學(University of Cambridge)的一次會議上首次宣布。在該會議上，Thomas Hertog教授(一名來自KU Leuven大學的比利時物理學家)在他75歲生日的時候分享了霍金的論文(Hertog合著)。

斯蒂芬·霍金在去世前不久提出關於宇宙大爆炸的最終理論。圖片：University of Cambridge

根據目前的科學共識，宇宙中所有當前和過去的物質都同時存在——大約在138億年前。這時所有的物質都被壓縮成一個非常小的奇點，密度和熱量都是無限。突然奇點開始以指數速度膨脹，而我們所知道的宇宙就開始了。然而，人們普遍認為，自從宇宙膨脹開始，量子效應將使它在宇宙的某些區域永遠持續下去。

這意味著，在範圍內，宇宙的膨脹是永恆的。在這方面，宇宙中可觀測到的部分(以任何方向測量138億光年)只是一個區域，在這個區域內，膨脹結束，恆星和星系形成。正如霍金去年秋天在劍橋大學的一次採訪中所解釋的：

「永恆膨脹理論」預測，在範圍內，我們的宇宙就像一個無限的分形，由不同的口袋宇宙組成，由一個膨脹的「海洋」隔開。物理和化學規律可以從一個口袋宇宙到另一個口袋宇宙，它們共同構成一個多元宇宙。但我從來都不喜歡多元宇宙。如果多元宇宙中不同宇宙尺度是巨大的或無限，那麼這個理論就不能被檢驗。

在他們的新論文中，霍金和Hertog提出了一種新理論，該理論預測宇宙並不是一個無限的，不規則的多元宇宙，而是有限且相當平滑的。簡而言之，他們認為：作為大爆炸理論的一部分，永恆宇宙膨脹是錯誤的。Hertog解釋說：關於永恆膨脹通常解釋的問題是：它假定了一個現有的背景宇宙，並根據愛因斯坦的廣義相對論發展，並把量子效應看作是圍繞著它的小波動。

然而永恆宇宙膨脹的動態消除了古典和量子物理之間的分離。因此，愛因斯坦的理論在永恆宇宙膨脹中失效了。與此形成對比的是，霍金和Hertog提出了一種基於弦理論的解釋，弦理論是理論物理學的一個分支，試圖將廣義相對論與量子物理學統一起來。

這一理論被用來解釋引力如何與宇宙其他三種基本力相互作用(弱和強的核力和電磁)，從而產生萬物理論。簡單地說，這個理論把宇宙的基本成分描述為微小的一維振動弦。霍金和Hertog方法使用了弦理論的全息概念，它假定宇宙是一個大而複雜的全息圖。在這個理論中，某些三維空間中的物理現實可以從數學上簡化為平面上的二維投影。

這幅圖展示了宇宙的演變，從左邊的大爆炸到現代的右邊。圖片：NASA

霍金和Hertog共同開發了這一概念的變體，以揭示永恆膨脹中的時間維度。這使得他們能夠描述永恆的宇宙膨脹，而不必依賴廣義相對論，從而將宇宙膨脹降低到在時間開始時空間表面上定義的永恆狀態。在這方面，新理論代表了霍金之前關於「無邊界理論」研究的改變。

這一理論也被稱為「Hartle」和「霍金」，並沒有提出任何有價值的建議。這一理論把宇宙看作是一個量子粒子，它賦予它一個描述所有可能宇宙的波函數。這個理論還預言，如果你回到宇宙的起點，它會像一個球體一樣收縮和閉合。最後，它預測宇宙最終會停止膨脹並自行坍塌。正如Hertog解釋的那樣，這個新理論與之前的工作背道而馳：

當我們回溯宇宙的演化時，在某個時刻到達了永恆宇宙膨脹的門檻，我們熟悉的時間概念不再有任何意義，現在我們說我們的過去有一個界限。利用這一理論，霍金和Hertog能夠對宇宙的全結構做出更可靠的預測。此外，在過去的邊界上預測出宇宙永恆膨脹也是有限的，而且要簡單得多。最後，但並非最不重要的是，這個理論比古老永恆宇宙膨脹理論所預言的無限多元宇宙更具有預測性和可測試性。

雙黑洞合併的概念圖，圖片：LIGO/A. Simonnet.

霍金說：我們並不是一個單一、獨一無二的宇宙，但我們的發現意味著宇宙的多元宇宙將會顯著減少，而宇宙可能會更小。理論上，一個有限而平滑的宇宙是我們可以觀察到的(至少是局部)，並且將受我們已經熟悉的物理定律支配。與不同物理定律所支配無限數量的宇宙相比，它確實簡化了數學！

展望未來，Hertog計劃利用太空望遠鏡獲取的關於本宇宙的數據，研究這一理論對較小尺度的影響。此外，他希望利用最近有關引力波(GWs)和許多已被發現事件的研究。從本質上講，Hertog認為從永恆的通貨膨脹中產生的原始引力波(GWs)是測試該模型最有希望的方法。

由於宇宙大爆炸後宇宙的膨脹，這些引力波(GWs)會有很長的波長，這些波長超出了激光干涉引力波天文台(LIGO)或室女座探測器的正常測量範圍。然而，激光干涉測量空間天線(LISA)：一種基於太空引力波天文台的ESA-led計劃——以及其他未來的實驗可能能夠測量它們。

儘管霍金與我們相處的時間更長，但他的最終理論可能是他對科學的深遠貢獻。如果未來的研究證明他是正確的，那麼霍金將解決現代天體物理學和宇宙學中最令人畏懼的問題之一。這只是一個人的一項成就，但他的一生改變了人們對宇宙看法和認知！

博科園-科學科普｜文：Matt Williams｜來自：Universe Today｜參考：University of Cambridge

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