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今年3月，英國物理學家史蒂芬·霍金在去世前10天，仍在修改關(guān)于宇宙起源的論文。近日，《高能物理雜志》（Journal of High Energy Physics）發(fā)表了他在宇宙學上的最后一篇論文《平穩(wěn)地退出永恒膨脹》（A Smooth Exit from Eternal Inflation），文中說宇宙可能比通常認為的更簡單（關(guān)于黑洞的其他論文尚待發(fā)表）。

這篇論文的合著者是比利時魯汶大學的理論物理學家托馬斯·赫托格，他在去年劍橋大學慶祝霍金75歲生日的會議上公布了這項新理論，嘗試改進“永恒膨脹”的觀點。

首先來看一些基本的概念：宇宙膨脹理論認為，大爆炸后宇宙形成，時空以超過光的速度急劇膨脹，在我們可觀測的宇宙中，這種飛速的膨脹已經(jīng)結(jié)束。

但一些觀點認為，這種膨脹從未結(jié)束，并且永不止息，這就是永恒膨脹理論。一些物理學家不認為膨脹會無故中止，他們嘗試提出膨脹的驅(qū)動力：宇宙在更高能量的“假真空”狀態(tài)會幾何級數(shù)地膨脹，當能量變低，變?yōu)椤罢嬲婵铡睜顟B(tài)時，膨脹就會變慢。

這個能量降低的過程中，我們所知的宇宙像個泡泡一樣越吹越大。而這個降低的過程是隨機的，這導(dǎo)致了多元宇宙的產(chǎn)生，這些宇宙各不相同，光速等基本的物理量也大相徑庭，我們所在的宇宙正是這無限多個多元宇宙中的一個。

赫托格認為，這會阻撓宇宙學家認識自然的基本規(guī)律，不同宇宙常量的隨機變化令人沮喪，想確定整個宇宙的真正形態(tài)幾乎不可能。許多人都試圖解決這個問題，霍金和赫托格嘗試用量子理論和弦理論交叉的角度來看待它，并把它變成一個可測試的科學框架。

通過基于弦理論的大量計算，霍金和赫托格認為，永恒膨脹并未發(fā)生，多元宇宙并非無限。“我們預(yù)測宇宙在整體上是平滑而有限的，不是無限的分形結(jié)構(gòu)”，霍金這樣總結(jié)這篇理論。正如標題的比喻所示，為永恒膨脹找到一個“平滑的出口”。

赫托格解釋，傳統(tǒng)的永恒膨脹理論是基于愛因斯坦的廣義相對論演化的，但膨脹的內(nèi)在動力——量子漲落不再簡單地適用相對論。霍金和赫托格嘗試用弦理論統(tǒng)一了相對論和量子力學，觀察維度較小的空間中的整體情況。

弦理論希望將基本粒子和四種相互作用力統(tǒng)一起來，認為物質(zhì)基本單元是微小的“弦”。弦理論的代表科學家胡安·馬爾達西那曾把高維度空間簡化為低維度的空間，在低維空間驗證高維空間中的理論，這種方法稱為“全息”（Holography）?；艚鸷秃胀懈窠栌昧诉@個方法，拋棄了時間這一維度，只剩下三個空間維度。

這避免了對宇宙誕生時間的討論。廣義相對論能很好地解釋大爆炸之后的時間，但很難處理誕生的時刻——時間和空間都存在于“奇點”當中。去掉時間這一維度，就能避免對奇點的處理。

用這種方法，霍金和赫托格計算出了永恒膨脹理論的平滑出口，結(jié)果中有限的宇宙比此前無限的結(jié)構(gòu)簡潔得多。這也使這一理論的可驗證性大大增加。

如果可能存在的宇宙有限，那么科學家們對解決宇宙形成和運行的問題就不至于毫無頭緒。但這篇論文并未提出尋找多元宇宙的方法。

新理論的提出并不意味著此前的理論就此被推翻?；艚鸷秃胀懈竦难芯咳孕栩炞C，并且關(guān)于時間何時出現(xiàn)這一問題，仍然需要物理學家的回答。“我們拋出了一種新的范例，”赫托格承認，“但還有很多工作要做。”

赫托格會在此基礎(chǔ)上繼續(xù)研究。他認為經(jīng)新理論縮小后的尺度將有望被人類望遠鏡觀測到，尤其是“出口”處產(chǎn)生的原初引力波，將會是重要的驗證依據(jù)。

盡管這是霍金的最后一篇論文，物理學家們并不認為它地位重大。理論物理學家Sabine Hossenfelder在博客中說，霍金是一位受人崇敬的物理學家，毫無疑問是個偉大的人，但這篇論文“完全不起眼”。

這也許會令你失望，但理論物理學就是這樣：并不是每個理論都會成為相對論，大部分論文只是提出現(xiàn)存問題的新方法。理論物理學家用數(shù)學計算來回答關(guān)于宇宙的宏大問題，并希望有人可以通過實驗驗證。這些理論的可驗證性正是在物理學界中引起爭議的原因。

也許霍金最后一篇論文的實際地位如何并不重要。你只要知道，在他生命的最后一年，霍金仍在堅持他的工作：試圖了解宇宙萬物運行的理論。

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