霍金生前最后一篇論文發表：宇宙整體上是平滑有限的

北京時間5月3日早晨7時，已故英國物理學家史蒂芬·霍金在去世前10天最后修改過的一篇論文在《高能物理雜志》(Journal of High Energy Physics)上發表。這是《時間簡史》作者給出的最后一項關于宇宙起源的理論。

該理論曾在2017年7月在劍橋大學的一次會議上首次亮相，以紀念霍金的75歲生日。比利時魯汶大學理論物理學教授赫托格(Thomas Hertog)是論文的合著者。他們基于弦理論進行了大量復雜的數學計算，得出所謂的多元宇宙是有限的。

宇宙暴脹理論認為，在大爆炸后的極短時間內，時空進行了指數級的膨脹。一些科學家們繼而推論，在整體上宇宙會永恒地膨脹，只在一小部分區域停下來，不斷形成無限多氣泡般的宇宙。人類的可見宇宙就是不斷膨脹的時空中的其中一個“泡泡”。

霍金曾在去年秋天接受采訪時說道：“常規的永恒膨脹理論預測宇宙是一個無限的分形，在膨脹的海洋中，鑲嵌著不同的口袋宇宙。”

人類所處的這個“泡泡”中的物理法則，比如光速是300000km/s，無法適用到其他“泡泡”里。這些迥異的小宇宙，共同構成一個多元宇宙。

“我從來就不喜歡多元宇宙這個概念。如果多元宇宙中的不同宇宙是無限的，那這個理論就無法得到驗證。”霍金卻說道。

在最后的論文中，霍金和赫托格提出多元宇宙論推出的這種敘事是錯誤的，或者用論文標題的比喻來說，“給永恒膨脹找到一個平滑的出口”。“我們預測宇宙在整體上是平滑而有限的。這不是個無限的分形結構。”霍金關于論文說道。

這個平滑的出口是如何找到的呢？赫托格解釋道，傳統的永恒膨脹理論假定宇宙整體背景依據愛因斯坦的廣義相對論演化，量子效應在此基礎上提供了一些漲落。然而，永恒膨脹的內在動力消除了經典力學和量子力學的分割，相對論由此崩潰。

霍金和赫托格利用弦理論統一相對論和量子力學，從而重新計算永恒膨脹問題。弦理論是一種支試圖將四種相互作用力統一起來的理論，認為自然界的基本單元是微小的“弦”，弦在振動和運動過程中產生基本粒子。

具體來講，他們借用了弦理論中的“全息”概念：整個宇宙是一張巨大而復雜的全息圖，三維空間中的物理現實在數學上可以簡化投影到二維平面上。

霍金和赫托格發展出了“全息”概念的一個分支，將永恒膨脹理論中的時間維度投射出來，從而擺脫對愛因斯坦理論的依賴。在這個模型中，永恒膨脹被簡化為時空起點上的一張空間曲面。

霍金此前提出的宇宙“無邊界條件”預測如果回溯到宇宙開始時，宇宙會像半球一樣閉合。但這篇論文給出了不同的結果：當回溯到某個節點，就會到達永恒膨脹的門檻。過了那個門檻，人類熟知的時間概念會失去意義。

“現在我們要發現在過去還是有邊界的。”赫托格說道。

霍金和赫托格用這種新方法計算出了永恒膨脹理論的一個平滑出口，導向有限的宇宙，比此前的永恒膨脹理論建構的無限分形結構簡潔得多。

“我們沒有減少到一個唯一的宇宙，但我們的結果還是大大簡化了多元宇宙，可能存在的宇宙的范圍要小得多。”赫托格說道。這也增加了理論的可驗證性。

2018年3月4日是這篇論文顯示的最后修改時間。10天后，霍金逝世。

赫托格仍會在論文基礎上繼續探索。他認為，新理論縮小后的尺度可能在人類太空望遠鏡的觀測范圍之內。尤其是原初引力波——這種在永恒膨脹的“出口”處產生的時間漣漪，可能是驗證新模型的最佳證據。隨著宇宙的膨脹，原初引力波的波長已經超出了LIGO的探測范圍，但未來歐空局的空間引力波探測衛星LISA有望聽到這些律動。

如同他生前的一些成果，霍金提出的最后一項宇宙學理論遭受了質疑。加拿大圓周理論物理研究所的 Neil Turok 教授就表示：“我仍舊很困惑，為什么霍金會覺得這個設想有趣?”

布法羅大學文理學院教授 Will Kinney也提醒道，霍金和赫托格的論文中沒有提出找到多元宇宙的方法。

無論如何，霍金和赫托格利用“全息投影”，給解決“泡泡”間不相通的問題提供了一種思路。哈佛大學天體物理學家Avi Loeb說道，新論文用數學來克服這個數學和哲學瓶頸，并對允許在多元宇宙中存在的宇宙類型進行預測。

宇宙暴脹理論發展至今日，被無數天文觀測結果所驗證，但仍有一些終極問題留待解答。膨脹如何開始？膨脹的預設啟動條件是什么？膨脹如何形成了如今的宇宙？無論過去未來，膨脹都是永恒的嗎？

霍金留下的最后一篇論文，純理論，純計算，純假說；沒有觀測結果，沒有驗證對象，沒有指明通向平行宇宙的道路。在終極問題之上，它埋下了一顆不知是否能發芽生根的種子。