科技行者報(bào)道
來(lái)源：THE CONVERSATION
編譯整理：科技行者
這兩天，英國(guó)著名物理學(xué)家史蒂芬·霍金、前美國(guó)國(guó)家航空航天局艾姆斯研究中心主管Pete Worden、圖靈獎(jiǎng)得主姚期智這三位大咖出現(xiàn)在第五屆騰訊WE大會(huì)，都談到了人類在地球之外建立家園的可能性。其中，霍金帶來(lái)了“突破攝星（Breakthrough Starshot）”計(jì)劃的最新進(jìn)展，這或許依然與他的“AI威脅論”有一絲聯(lián)系，他早前接受《連線》雜志采訪時(shí)表示：“我擔(dān)心AI某天會(huì)完全取代人類”，倡導(dǎo)更多的人投身于科學(xué)事業(yè)，并補(bǔ)充說(shuō)人類應(yīng)該制定新的太空計(jì)劃，找到宇宙中合適的行星，作為人類另一個(gè)可以居住的地方。
事實(shí)上，霍金“攝星計(jì)劃”的初衷是為了更好地了解宇宙，以及給科學(xué)和太空探索帶來(lái)革命性的變化。關(guān)于如何更好地了解宇宙，霍金最近還公開(kāi)自己1966年的博士論文《Properties of Expanding Universes（宇宙膨脹的屬性）》，放到劍橋大學(xué)開(kāi)放獲取數(shù)據(jù)庫(kù)里，不到24小時(shí)就被下載了將近6萬(wàn)次，甚至一度導(dǎo)致網(wǎng)站崩潰。而就在一個(gè)多星期前，人類首次探測(cè)到雙中子星系統(tǒng)并合引力波，及其伴隨的電磁信號(hào)，成為天文學(xué)的一項(xiàng)巨大發(fā)現(xiàn)。
無(wú)獨(dú)有偶，早在1988年出版的霍金著作《時(shí)代簡(jiǎn)史》就囊括了近期新發(fā)現(xiàn)的引力波，最后一章為“奇點(diǎn)”，從物理學(xué)的角度探究宇宙本身的起源?！稌r(shí)代簡(jiǎn)史》現(xiàn)在已被翻譯成 40 多種語(yǔ)言，全球銷量超過(guò) 1000 萬(wàn)冊(cè)，成了迄今為止最成功的科普讀物之一。
本文將結(jié)合《宇宙膨脹的屬性》和《時(shí)代簡(jiǎn)史》，解讀霍金關(guān)于宇宙起源的觀點(diǎn)。
宇宙起源的各學(xué)說(shuō)
不僅是霍金的論文和引力波，事實(shí)上，現(xiàn)今人類對(duì)宇宙的了解很多都和“大爆炸宇宙論”（The Big Bang Theory）有關(guān)。
宇宙源于奇點(diǎn)所發(fā)生的大爆炸，這個(gè)爆炸過(guò)程被稱為宇宙大爆炸，對(duì)此進(jìn)行描述的理論稱為宇宙大爆炸理論。這一理論認(rèn)為，宇宙起源于大爆炸，而普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量也都是在大爆炸中誕生。
事實(shí)上，宇宙大爆炸早已不是科幻描述。在哈勃定律和宇宙膨脹現(xiàn)象的指引下，比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特于1927年最先提出宇宙起源一個(gè)致密的“原點(diǎn)”，其爆炸產(chǎn)生了我們今天的宇宙。1948年，伽莫夫發(fā)表αβγ論文從而建立“大爆炸宇宙”的理論。宇宙大爆炸理論的主要內(nèi)容是：從奇點(diǎn)爆炸到其后的普朗克時(shí)間（時(shí)間量子間的最小間隔）內(nèi)，物理規(guī)律失效，之后進(jìn)入大統(tǒng)一階段，物質(zhì)和能量可以互相交換， 電磁力、弱核力、強(qiáng)核力和引力四種作用力統(tǒng)一。隨著宇宙膨脹和溫度下降，出現(xiàn)夸克、反夸克和光子。而后進(jìn)入核合成時(shí)代，逐步出現(xiàn)輕子、質(zhì)子和中子，然后形成氦核，并且逐步演化出我們當(dāng)今的宇宙。
大爆炸理論提出之初非但沒(méi)有得到科學(xué)界的支持，當(dāng)時(shí)還遭受到諷刺。比如“大爆炸”一詞，就是霍伊爾為了說(shuō)明伽莫夫理論的荒唐而取的帶有貶義色彩的詞語(yǔ)。甚至伽莫夫自己也對(duì)該理論也信心不足，最終放棄了對(duì)宇宙大爆炸理論的研究，轉(zhuǎn)而研究分子生物學(xué)。不過(guò)，經(jīng)過(guò)近百年的發(fā)展，宇宙大爆炸理論獲得了許多證據(jù)的支持，成為了一個(gè)流行的理論。
這些證據(jù)主要包括宇宙的年齡，氫和氦的豐度和宇宙膨脹等。關(guān)于宇宙膨脹，開(kāi)篇提到的《宇宙膨脹的屬性》是重量級(jí)的研究成果。論文第一章，霍金用了大量的方程來(lái)證明自己的宇宙擴(kuò)張理論，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)上英國(guó)天文學(xué)家霍伊爾和加揚(yáng)·納里卡的萬(wàn)有引力理論（the Hoyle-Narlikar theory of gravitation ）；第二章中，霍金分析了宇宙膨脹的攝動(dòng)（在一個(gè)膨脹的、同質(zhì)而各向同性的宇宙中的擾動(dòng)），并得出結(jié)論：星系的形成不可能是由于最初始的擾動(dòng)積累而造成的，因?yàn)?span style="font-size: 14px;letter-spacing: 2px;text-align: justify;">這些擾動(dòng)過(guò)于微小，他同時(shí)還證明了引力輻射的傳播與吸收；在第三和第四章，霍金分別介紹了檢測(cè)膨脹宇宙的引力輻射、宇宙模型的奇異現(xiàn)象，也就是說(shuō)，引力輻射會(huì)在一個(gè)膨脹的宇宙中漸近展開(kāi)，它源于一種“剝離”行為和漸近群組，此外，宇宙學(xué)起源的引力波，即宇宙大爆炸產(chǎn)生的引力波（或稱為原初引力波）也能證明該理論，但目前探測(cè)到的都是天體物理學(xué)引力波，比如黑洞和中子星合并產(chǎn)生的引力波，它們不能對(duì)該理論提供強(qiáng)有力的證明。霍金還用一組宇宙模型解釋了奇點(diǎn)的出現(xiàn)，并表示在大致條件可以滿足的前提下，奇點(diǎn)的出現(xiàn)是不可避免的。
上世紀(jì)80年代，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題無(wú)法用宇宙大爆炸理論解釋，比如視界疑難、平直性疑難和磁單極等等。想象一下：你身體里的所有物質(zhì)都曾經(jīng)——以這樣或那樣的形式——同這個(gè)宇宙中的所有物質(zhì)，被壓縮進(jìn)同一個(gè)很小很小的點(diǎn)內(nèi)。大約在140億年前，這個(gè)點(diǎn)快速膨脹，產(chǎn)生了空間和時(shí)間。而現(xiàn)在，這個(gè)點(diǎn)依然在膨脹。為了解決這類問(wèn)題，物理學(xué)家林德、古斯等人提出宇宙暴脹模型（或暴漲模型）。這個(gè)理論模型其實(shí)只是改進(jìn)版的大爆炸模型，只是在某些時(shí)間段把“爆炸”變成“暴脹”，暴脹比爆炸所描述的宇宙變大的速度更快，以指數(shù)函數(shù)形式發(fā)生。并且，暴脹理論中出現(xiàn)了由“假真空”進(jìn)入“真真空”的事件，而在大爆炸理論中，宇宙直接進(jìn)入真真空狀態(tài)，因此不存在這一階段。
事實(shí)上，“大爆炸”這一術(shù)語(yǔ)來(lái)自一個(gè)巧合：穩(wěn)態(tài)理論的忠實(shí)擁護(hù)者弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）嘲弄般地創(chuàng)造了這個(gè)術(shù)語(yǔ)。要理解霍金是如何揭示這樣起源的可能性，我們還需了解一些基礎(chǔ)物理知識(shí)。
時(shí)空和奇點(diǎn)
二十世紀(jì)初期，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦提出了廣義相對(duì)論，顛覆了我們對(duì)重力的認(rèn)知。愛(ài)因斯坦的理論揭示了一個(gè)道理：由于物質(zhì)或能量的存在，重力可以被視作時(shí)空的彎曲。
時(shí)空的概念有助于更好的思考宇宙，一個(gè)結(jié)合了三維空間和一維時(shí)間的宇宙。所有的物體和事件都在時(shí)空中的某一個(gè)點(diǎn)發(fā)生，但大多數(shù)人難以想象這一概念，原因是盡管我們可以自如地穿梭于三維空間，卻無(wú)法自由的在時(shí)空中旅行。有點(diǎn)像昆蟲困在了池塘表面。盡管存在其它空間維度，昆蟲卻只能在池塘表面這一二維空間移動(dòng)。
廣義相對(duì)論揭示了時(shí)間和空間的關(guān)系。這一理論中，愛(ài)因斯坦提出了“場(chǎng)方程”，描述了時(shí)空彎曲與質(zhì)量和能量密度的關(guān)系。
圖示：由于物體存在質(zhì)量，而導(dǎo)致時(shí)空彎曲。來(lái)自ESA–C.Carreau。
這些場(chǎng)方程公開(kāi)發(fā)表之后，其他科學(xué)家利用這些場(chǎng)方程探索不同物理?xiàng)l件下時(shí)空概況。某種情況下，所有物質(zhì)被壓縮成某一點(diǎn)，場(chǎng)方程預(yù)示著一種奇特現(xiàn)象：時(shí)空彎曲有時(shí)會(huì)非常極端，極端到連光也無(wú)法逃逸。今天，我們知道這種情況以黑洞的形式存在，我們?cè)谔罩邪l(fā)現(xiàn)了黑洞的證據(jù)。
這場(chǎng)方程變得無(wú)限時(shí)的解決方案就是這些“奇點(diǎn)”?；艚鸩┦空撐牡淖罱K一章探究了奇點(diǎn)的概念。他的研究不是為了黑洞周圍的時(shí)空，而是為了整個(gè)宇宙。
從黑洞到“大爆炸”
宇宙學(xué)中，有一條核心法則，一般而言，太空必須具備均勻性和各向同性。換句話說(shuō)，大尺度上，宇宙中的物質(zhì)必須非常均勻，且各個(gè)方向上也是均衡分布的。
愛(ài)因斯坦的場(chǎng)方程，滿足所有條件的最簡(jiǎn)單解法是“羅伯遜——沃爾克度規(guī)”，以推動(dòng)了這一發(fā)展的兩位科學(xué)家的名字命名。這一度規(guī)只是用于描述時(shí)空中任意兩個(gè)事件的間隔。
尤為重要地是，羅伯遜——沃爾克度規(guī)解法允許度規(guī)中的時(shí)空部分可以隨時(shí)間的變化而變化。這意味著它可以描述一個(gè)正在擴(kuò)張的宇宙。二十世紀(jì)二十年代，愛(ài)德文·哈勃證實(shí)了其它星系真的正在遠(yuǎn)離我們，從而發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹的實(shí)例證據(jù)。
圖示：正在擴(kuò)張的宇宙。來(lái)自NASA。
羅伯遜——沃爾克度規(guī)和場(chǎng)方程可用宇宙學(xué)家稱為“尺度因子”的單位描述膨脹，即從某一特定點(diǎn)到現(xiàn)在，太空已經(jīng)膨脹或壓縮的程度。
如果宇宙正在膨脹，那么，過(guò)去的宇宙理應(yīng)更小、密度更大。如果把時(shí)鐘撥回到足夠遠(yuǎn)的過(guò)去，尺度因子將變?yōu)榱?。宇宙中的所有物質(zhì)和能量過(guò)去定然集中在某一點(diǎn)上，該點(diǎn)的密度將無(wú)窮大：該點(diǎn)便是宇宙學(xué)中的奇點(diǎn)。這是“大爆炸”理論模型的基礎(chǔ)，有一點(diǎn)類似于反過(guò)來(lái)看黑洞。
與穩(wěn)態(tài)理論的對(duì)決
“穩(wěn)態(tài)理論”模型試圖淘汰宇宙學(xué)中的奇點(diǎn)，而很多人認(rèn)為這并無(wú)道理。奇點(diǎn)被視作廣義相對(duì)論預(yù)言中的缺陷，不符合已知的物理定律。
根據(jù)“穩(wěn)態(tài)理論”模型，宇宙是永恒的，根本不存在開(kāi)始。顯然，宇宙膨脹可以通過(guò)把一個(gè)“創(chuàng)造場(chǎng)”或者“C場(chǎng)”增加到愛(ài)因斯坦的場(chǎng)方程中，便可解釋這一現(xiàn)象；而這意味著，太空中星系彼此漸行漸遠(yuǎn)的同時(shí)，星系之間依然不斷有物質(zhì)產(chǎn)生。
但霍金博士論文的最后一章中，他提出，“C場(chǎng)”的概念自身也伴隨著一系列的問(wèn)題，而根據(jù)羅伯遜——沃爾克度規(guī)得出的正確模型則描述了最初的奇點(diǎn)。
很多人看來(lái)，霍金之后所做的事情可謂是開(kāi)天辟地。以英國(guó)物理學(xué)家羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）的成果為基礎(chǔ)，霍金從數(shù)學(xué)的角度證明了奇點(diǎn)并不是“大爆炸”理論的缺陷，而是自然的預(yù)期特征?；艚鹩辛Φ刈C明了證明當(dāng)把廣義相對(duì)論應(yīng)用于宇宙學(xué)時(shí)，就必然會(huì)出現(xiàn)“奇點(diǎn)”
半個(gè)世紀(jì)之后，“大爆炸”理論這一宇宙起源說(shuō)的觀測(cè)證據(jù)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，“穩(wěn)態(tài)理論”模型逐漸被廢棄?；艚鹪谟钪鎸W(xué)和理論物理學(xué)方面做出了里程碑式的貢獻(xiàn)。
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