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(fā)表。這是《時間簡史》作者給出的最后一項關(guān)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(shù)學計算，得出所謂的多元宇宙是有限的。

資料圖：霍金。

宇宙暴脹理論認為，在大爆炸后的極短時間內(nèi)，時空進行了指數(shù)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(qū)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(guī)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(gòu)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。

資料圖：當?shù)貢r間4月12日，美國紐約，物理學家史蒂芬·霍金聯(lián)合互聯(lián)網(wǎng)投資人尤里·米爾納(Yuri Milner)宣布啟動一個新的1億美元項目，以更好地了解宇宙。該項目的目標是開發(fā)數(shù)千個郵票大小的納米小型太空飛船，飛往我們最近的星系，并發(fā)回照片。

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(jié)構(gòu)。”霍金關(guān)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(tǒng)的永恒膨脹理論假定宇宙整體背景依據(jù)愛因斯坦的廣義相對論演化，量子效應在此基礎(chǔ)上提供了一些漲落。然而，永恒膨脹的內(nèi)在動力消除了經(jīng)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(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)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(xiàn)實在數(shù)學上可以簡化投影到二維平面上。

霍金和赫托格發(fā)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(jié)果：當回溯到某個節(jié)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(xiàn)在我們要發(fā)現(xiàn)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(gòu)的無限分形結(jié)構(gòu)簡潔得多。

“我們沒有減少到一個唯一的宇宙，但我們的結(jié)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(chǔ)上繼續(xù)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(nèi)。尤其是原初引力波——這種在永恒膨脹的“出口”處產(chǎn)生的時間漣漪，可能是驗證新模型的最佳證據(jù)。隨著宇宙的膨脹，原初引力波的波長已經(jīng)超出了LIGO的探測范圍，但未來歐空局的空間引力波探測衛(wèi)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(zhì)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(shè)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(shù)學來克服這個數(shù)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(fā)展至今日，被無數(shù)天文觀測結(jié)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(shè)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(jié)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(fā)芽生根的種子。