霍金最後一篇論文終於正式發表：解除曾一手造就的科學「危機」，為人類尋找多元宇宙留下線索

來自專欄 DeepTech深科技

2018 年 3 月 14 日，物理學家和宇宙學家史蒂芬·霍金去世，享年 76 歲，一代傳奇就此謝幕。為紀念他的偉大成就，他的骨灰被葬在著名的威斯敏斯特教堂之中，陪伴在牛頓的身邊，而霍金留給了全人類無數偉大的科學成果仍在世間閃耀光芒。

5 月 2 日，《高能物理學報》（Journal of High Energy Physics）周三正式發表了霍金生前的最後一篇論文，論文名為《從永恆的膨脹中逐漸消逝》（A Smooth Exit from Eternal Inflation），完成於霍金去世前幾周，文章的另一位作者是魯汶大學的理論物理學家 Thomas Hertog。

相比之前的理論，霍金和 Hertog 在文章中用更簡單的方式描述了過去 138 億年間的宇宙進化。其中一個核心是，霍金和 Hertog 利用新的數學方法證明，平行宇宙並沒有想像中的那麼多，也就是說，此次的新論點也在一定程度上推翻了霍金自己於 1983 年提出的無邊界理論。除此之外，文章還探討了如何找到這些多元宇宙，並預測了我們的宇宙將如何消失在黑暗中。

Thomas Hertog 教授表示，霍金這位具有標誌性地位的物理學家在臨終前完成了這項突破性研究。霍金在劍橋大學的同事 Malcolm Perry 透露，"霍金曾說，這是他最鍾情、最引以為豪的領域」。

拋下一枚炸彈，又將其熄滅？

在 1983 年的時候，霍金與 James Hartle 共同提出了「無邊界理論」，描述了宇宙是如何在大爆炸中出現的，同時預言了一個由諸多「大爆炸」產生的多元宇宙。在這一理論中，宇宙是瞬間從一個小點擴張成我們今天所見到的宏大宇宙的原型。但理論也預測，還發生過無限多次的大爆炸，每次都會創造一個不同的宇宙。

數學悖論使這一想法無法通過實驗來驗證。而從那時開始，關於多元宇宙的問題就一直縈繞在了霍金的心頭。正如霍金在去年秋天就曾形容的：「我們的宇宙就像一個無限的分形，在膨脹的海洋中，鑲嵌著不同的袖珍宇宙。」

問題的另一個關鍵在於，各個袖珍宇宙中適用的宇宙規則和物理定律不同，我們所處的宇宙只是眾多的宇宙之一。 這讓科學家們感到毛骨悚然，因為它意味著人類沒有辦法準確預測宇宙內的物理法則，也被一些科學家們視為現有科學理論的重大威脅。

麻省理工學院物理學教授 David Kaiser 表示，上述理論的意義在於，研究我們所處的宇宙對理解整個宇宙究竟有多大幫助，這是科學家研究自然界基本規律時面對的關鍵問題。

而霍金在論文中寫道，存在各種各樣宇宙的可能性要遠遠比此前估計得小。Kaiser解釋說，我們所處宇宙依賴的運行規則很可能並不是例外，也許相當典型。

也就是說，霍金最終選擇了宇宙的有序而非隨機，這位天才在製造了一個巨大的甚至有點可怕的難題之後，又親手解決了它。這無疑會給科學家尤其是物理學家們提供一些安慰：我們還是有機會更深刻地理解宇宙的自然法則。

Hertog 則表示： 「在舊理論中，存在各種各樣的宇宙，有些是空的，有些充滿了物質，有的擴張得太快，有的則太短暫，總之它們有很大的區別。這就很神秘了，為什麼我們生活在這個特殊的世界裡，一切都剛好達到生命和複雜性出現的平衡？這篇文章其實比之前的理論更邁進了一步，它將多元宇宙簡化成了一個更易於管理的宇宙，它們數量有限而且看起來都很相似。霍金可能會說，從理論上講，宇宙必須是這樣的。它給了我們希望，讓我們得到一個完全可預測的宇宙學框架。」

用數學工具探索多元宇宙

這個新理論借鑒了霍金和美國物理學家 James Hartle 於 1980 年代發表的研究成果，並使用弦理論中更有說服力的現代數學工具「全息理論」對其進行了更新。在弦理論中，現實世界是通過一種被稱為宇宙弦的一維物體的相互作用來描述的。而全息理論則指體積中的所有信息都包含在體積的邊界內。該原理將三維空間壓縮成了二維空間，最終使得計算變得更容易。

圖丨弦論與多世界詮釋

但是，還有一個最基本的問題沒解決，那就是：為什麼我們的宇宙看起來是這樣的？為什麼光速是 3×10^8m/s 呢？

確定宇宙的真正形態，將有助於科學家找到這些問題答案。但確定整個多元宇宙的形態幾乎是不可能的事情。

為此，霍金與 Hertog 進行了大量複雜的數學計算後，為我們指明了一條新思路，即我們可以先給那些可能存在的宇宙類型定義一些邊界，然後進行外推。這篇論文就論述了為何多元宇宙在我們的宇宙的背景輻射中留下印記，人類又該如何找到這些痕迹。

一個通俗的解釋是：多元宇宙就像空中漂浮的一大群泡泡，每個泡泡都是一個世界，擁有自成一格的時間與空間，甚至每個泡泡中的物理學規律，在其他泡泡里也不適用。但是有時，這些宇宙泡泡也會相互碰撞。其他的宇宙泡泡的誕生，或者消逝，都可能在我們的這個宇宙泡里留下過痕迹。

「或許，這些宇宙看起來還會和我們的宇宙有許多相似之處。」南加州大學的物理學助理教授 Katie Mack 補充到，「如果宇宙的類型相對較少，而它們之間的聯繫也比所想的要多，那麼我們就可以找到更多古今宇宙間的直接聯繫。」

不過，對於這篇論文，學術界也有不同的聲音。來自南加州大學物理和天文學系教授 Clifford Johnson 強調的，霍金和 Hertog 的論文雖然有趣，但也只能看作是該研究領域的另一個切入點。不過 Johnson 也表示，同領域內的其他的傑出研究一樣，霍金和 Hertog 的這項研究將有利於逐步地推動這一領域思想框架的構建與發展。

Hertog 則認為，他與霍金的共同工作是向探索宇宙起源理論邁出的一小步，假以時日，相信物理學家們最終可以實際測試這一理論。如果宇宙真的如理論所預測的那樣演化，那麼它可能會在引力波或所謂的宇宙微波背景上留下一個明顯的信號，即宇宙誕生時釋放的輻射。 "這些信號將會驗證我們是否走對了路"他說。

圖丨宇宙演化過程

我們可以將霍金的最後遺作看做是如何從最大的尺度觀察宇宙的有趣假說。儘管現在，它或許還不能重塑我們對宇宙的看法，但它無疑又為我們的人類智庫中添加了不少智慧火力。而這或許正是霍金想要做的。

但霍金最後的理論也帶有悲劇色彩，論文預測說當所有恆星都失去能量後，我們的宇宙將在黑暗中消失。

有趣的是，這篇論文的曝光也讓一部分網友對於霍金逝世大開腦洞：有沒有一種可能是，霍金完成了論文並發現了通往平行宇宙的方法，然後就離開了地球。