“一年前，他跟我說：‘讓我們來搞定多重宇宙吧。’于是，我們著手創(chuàng)建一套方法，將多重宇宙的觀點(diǎn)發(fā)展成一個(gè)清晰、可驗(yàn)證的科學(xué)框架?！钡@個(gè)模型并不完全嚴(yán)謹(jǐn)，也不完整。他們也承認(rèn)還需要做出更多的努力。
就在物理學(xué)家史蒂芬·霍金逝世前數(shù)月，他發(fā)表了一篇論文，一些媒體聲稱這將最終證實(shí)（或否定）平行宇宙的存在。然而，數(shù)位沒有參與這項(xiàng)研究的物理學(xué)家則表示，這種說法有些“宇宙級(jí)別的夸大其詞（cosmic inflation）”。
法蘭克福高等研究學(xué)院的物理學(xué)家薩賓·霍森菲爾德（Sabine Hossenfelder）評(píng)論道：“這篇論文沒有提供觀測(cè)檢驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容。雖然研究并非不有趣，但這只是上千個(gè)關(guān)于早期宇宙可能情形的觀點(diǎn)之一，而且那上千個(gè)觀點(diǎn)中有很多都涉及平行宇宙?！?/div>
這項(xiàng)研究由霍金和比利時(shí)魯汶大學(xué)（KU Leuven）的物理學(xué)家托馬期·赫托格（Thomas Hertog）共同完成，并于 2017 年 7 月首先發(fā)布在 arXiv 上。之后在霍金逝世前一周，論文進(jìn)行了更新。該研究試圖找出霍金的“無邊界”模型所預(yù)言的宇宙類型，來解釋宇宙大爆炸。
然而，MIT 理論物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）認(rèn)為，這項(xiàng)研究依賴于一些推測(cè)性的、未經(jīng)證實(shí)的理論，并且大膽地利用這些理論得出了不夠明確的結(jié)論。
宇宙是無邊界的
這篇論文的根基是霍金最知名、但尚未被證實(shí)的理論：用于解釋宇宙大爆炸的“無邊界假設(shè)”。愛因斯坦的廣義相對(duì)論認(rèn)為，在大爆炸發(fā)生之前，一定存在一個(gè)奇點(diǎn)。在那里，物質(zhì)密度無限大，而且極其炙熱，所有的物理定律都不再適用。無邊界假設(shè)是霍金和加利福尼亞大學(xué)物理學(xué)家詹姆斯·哈特爾（James Hartle）一起提出的，在這一概念中，奇點(diǎn)不僅是空間的奇點(diǎn)，也是時(shí)間的奇點(diǎn)。也就是說，在大爆炸之前，我們所知道的時(shí)間并不存在。想象一下那時(shí)的宇宙，它就好像是沒有邊界的——就像一個(gè)球，無論環(huán)繞多少圈都到達(dá)不了邊界。
在科學(xué)家們分析這個(gè)觀點(diǎn)的時(shí)候，他們意識(shí)到，霍金的無邊界理論預(yù)言嬰兒宇宙在迅速膨脹時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生其他宇宙，最終形成多重宇宙。事實(shí)上，霍金的理論假設(shè)我們的宇宙僅僅是無限多平行宇宙中的一個(gè)，這些平行宇宙都存在于一個(gè)無限、分形的多重宇宙中。但這個(gè)多重宇宙會(huì)帶來一個(gè)悖論：因?yàn)橛钪娴臄?shù)量是無限多，所以沒有人能夠?qū)τ谖覀兩畹倪@個(gè)宇宙作出可檢驗(yàn)的預(yù)言。赫托格在一封郵件中這樣告訴我們。（由于存在無限多的可能性，那么任何情況都變得可能，因此無法確定某一個(gè)宇宙的特征。）
“霍金對(duì)這種情況并不滿意。” 赫托格在郵件中表示，“一年前，他跟我說：‘讓我們來搞定多重宇宙吧。’于是，我們著手創(chuàng)建一套方法，將多重宇宙的觀點(diǎn)發(fā)展成一個(gè)清晰、可驗(yàn)證的科學(xué)框架?！?/div>
為了減少平行宇宙的數(shù)量，研究人員不得不在量子物理和經(jīng)典物理定律之間架起橋梁，前者主宰著胎兒宇宙中的微小奇點(diǎn)，而后者統(tǒng)治著我們生活的龐大宇宙。在這項(xiàng)新研究中，霍金和赫托格使用全息的方法將兩者統(tǒng)一起來。這樣，他們成功地將多重宇宙之林中的無限成員縮減到有限。一旦能夠研究這些有限數(shù)量的宇宙，他們就能做出關(guān)于這些宇宙的理論預(yù)言。
霍森菲爾德解釋說：“比如，他們發(fā)現(xiàn)，跟我們宇宙相似的平滑宇宙是可能存在的。”
在大爆炸之后，宇宙經(jīng)歷過一段爆發(fā)式膨脹時(shí)期，稱為“暴脹”，它會(huì)放大宇宙大爆炸產(chǎn)生的原初引力波。這種宇宙誕生初期的古老回聲被記錄在微弱的微波輻射中，稱為宇宙微波背景輻射（CMB）。這種輻射滲透在我們宇宙的每個(gè)角落。如果未來的衛(wèi)星確認(rèn) CMB 數(shù)據(jù)中的能量信號(hào)符合霍金模型預(yù)測(cè)的暴脹理論，那么這就會(huì)是證明多重宇宙存在的強(qiáng)有力證據(jù)。赫托格提到。
證據(jù)真的強(qiáng)有力嗎？
但是其他科學(xué)家對(duì)此有所質(zhì)疑。大部分其他的暴脹模型也預(yù)言了原初引力波——北卡羅來納大學(xué)的宇宙學(xué)家凱蒂·麥克（Katie Mack）說道?！斑@篇論文提出的觀點(diǎn)沒有給出區(qū)別于其他暴脹模型的新特征?！?/div>
換言之，CMB 數(shù)據(jù)無法判斷到底是霍金的理論，還是其他上千種理論中的一種是正確的。
另外，維爾切克還補(bǔ)充道，如果 CMB 信號(hào)不符合霍金和赫托格的預(yù)測(cè)，那就證偽了這篇論文中使用的特定假設(shè)和近似。在這種意義上，理論是可以進(jìn)行檢驗(yàn)的。
理論家的“玩具”
除此之外，霍金和赫托格依靠一個(gè)數(shù)學(xué)框架來連接量子理論和引力，但是這個(gè)框架卻建立在一些未經(jīng)證實(shí)、實(shí)際上還不完整的猜想之上。
“他們應(yīng)用‘玩具模型’完成了這項(xiàng)研究，但這個(gè)模型并不完全嚴(yán)謹(jǐn)，也不完整。他們也承認(rèn)還需要做出更多的努力。” 麥克說道。
相關(guān)論文信息
【標(biāo)題】A Smooth Exit from Eternal Inflation?
【作者】S. W. Hawking, Thomas Hertog
【日期】2017.7.24
【摘要】The usual theory of inflation breaks down in eternal inflation. We derive a dual description of eternal inflation in terms of a deformed CFT located at the threshold of eternal inflation. The partition function gives the amplitude of different geometries of the threshold surface in the no-boundary state. Its local and global behavior in dual toy models shows that the amplitude is low for surfaces which are not nearly conformal to the round three-sphere and essentially zero for surfaces with negative curvature. Based on this we conjecture that the exit from eternal inflation does not produce an infinite fractal-like multiverse, but is finite and reasonably smooth.
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