霍金這篇讓劍橋官網崩潰的有關「宇宙起源」論文到底講了啥？

科技行者報道

來源：THE CONVERSATION

編譯整理：科技行者

這兩天，英國著名物理學家史蒂芬·霍金、前美國國家航空航天局艾姆斯研究中心主管Pete Worden、圖靈獎得主姚期智這三位大咖出現在第五屆騰訊WE大會，都談到了人類在地球之外建立家園的可能性。其中，霍金帶來了「突破攝星（Breakthrough Starshot）」計劃的最新進展，這或許依然與他的「AI威脅論」有一絲聯繫，他早前接受《連線》雜誌採訪時表示：「我擔心AI某天會完全取代人類」，倡導更多的人投身於科學事業，並補充說人類應該制定新的太空計劃，找到宇宙中合適的行星，作為人類另一個可以居住的地方。

事實上，霍金「攝星計劃」的初衷是為了更好地了解宇宙，以及給科學和太空探索帶來革命性的變化。關於如何更好地了解宇宙，霍金最近還公開自己1966年的博士論文《Properties of Expanding Universes（宇宙膨脹的屬性）》，放到劍橋大學開放獲取資料庫里，不到24小時就被下載了將近6萬次，甚至一度導致網站崩潰。而就在一個多星期前，人類首次探測到雙中子星系統併合引力波，及其伴隨的電磁信號，成為天文學的一項巨大發現。

無獨有偶，早在1988年出版的霍金著作《時代簡史》就囊括了近期新發現的引力波，最後一章為「奇點」，從物理學的角度探究宇宙本身的起源。《時代簡史》現在已被翻譯成 40 多種語言，全球銷量超過 1000 萬冊，成了迄今為止最成功的科普讀物之一。

本文將結合《宇宙膨脹的屬性》和《時代簡史》，解讀霍金關於宇宙起源的觀點。

宇宙起源的各學說

不僅是霍金的論文和引力波，事實上，現今人類對宇宙的了解很多都和「大爆炸宇宙論」（The Big Bang Theory）有關。

宇宙源於奇點所發生的大爆炸，這個爆炸過程被稱為宇宙大爆炸，對此進行描述的理論稱為宇宙大爆炸理論。這一理論認為，宇宙起源於大爆炸，而普通物質、暗物質和暗能量也都是在大爆炸中誕生。

事實上，宇宙大爆炸早已不是科幻描述。在哈勃定律和宇宙膨脹現象的指引下，比利時天文學家勒梅特於1927年最先提出宇宙起源一個緻密的「原點」，其爆炸產生了我們今天的宇宙。1948年，伽莫夫發表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容是：從奇點爆炸到其後的普朗克時間（時間量子間的最小間隔）內，物理規律失效，之後進入大統一階段，物質和能量可以互相交換， 電磁力、弱核力、強核力和引力四種作用力統一。隨著宇宙膨脹和溫度下降，出現夸克、反夸克和光子。而後進入核合成時代，逐步出現輕子、質子和中子，然後形成氦核，並且逐步演化出我們當今的宇宙。

大爆炸理論提出之初非但沒有得到科學界的支持，當時還遭受到諷刺。比如「大爆炸」一詞，就是霍伊爾為了說明伽莫夫理論的荒唐而取的帶有貶義色彩的詞語。甚至伽莫夫自己也對該理論也信心不足，最終放棄了對宇宙大爆炸理論的研究，轉而研究分子生物學。不過，經過近百年的發展，宇宙大爆炸理論獲得了許多證據的支持，成為了一個流行的理論。

這些證據主要包括宇宙的年齡，氫和氦的丰度和宇宙膨脹等。關於宇宙膨脹，開篇提到的《宇宙膨脹的屬性》是重量級的研究成果。論文第一章，霍金用了大量的方程來證明自己的宇宙擴張理論，挑戰了傳統上英國天文學家霍伊爾和加揚·納里卡的萬有引力理論（the Hoyle-Narlikar theory of gravitation ）；第二章中，霍金分析了宇宙膨脹的攝動（在一個膨脹的、同質而各向同性的宇宙中的擾動），並得出結論：星系的形成不可能是由於最初始的擾動積累而造成的，因為這些擾動過於微小，他同時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膨脹宇宙的引力輻射、宇宙模型的奇異現象，也就是說，引力輻射會在一個膨脹的宇宙中漸近展開，它源於一種「剝離」行為和漸近群組，此外，宇宙學起源的引力波，即宇宙大爆炸產生的引力波（或稱為原初引力波）也能證明該理論，但目前探測到的都是天體物理學引力波，比如黑洞和中子星合併產生的引力波，它們不能對該理論提供強有力的證明。霍金還用一組宇宙模型解釋了奇點的出現，並表示在大致條件可以滿足的前提下，奇點的出現是不可避免的。

上世紀80年代，科學家們發現一些問題無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。想像一下：你身體里的所有物質都曾經——以這樣或那樣的形式——同這個宇宙中的所有物質，被壓縮進同一個很小很小的點內。大約在140億年前，這個點快速膨脹，產生了空間和時間。而現在，這個點依然在膨脹。為了解決這類問題，物理學家林德、古斯等人提出宇宙暴脹模型（或暴漲模型）。這個理論模型其實只是改進版的大爆炸模型，只是在某些時間段把「爆炸」變成「暴脹」，暴脹比爆炸所描述的宇宙變大的速度更快，以指數函數形式發生。並且，暴脹理論中出現了由「假真空」進入「真真空」的事件，而在大爆炸理論中，宇宙直接進入真真空狀態，因此不存在這一階段。

事實上，「大爆炸」這一術語來自一個巧合：穩態理論的忠實擁護者弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）嘲弄般地創造了這個術語。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物理知識。

時空和奇點

二十世紀初期，阿爾伯特·愛因斯坦提出了廣義相對論，顛覆了我們對重力的認知。愛因斯坦的理論揭示了一個道理：由於物質或能量的存在，重力可以被視作時空的彎曲。

時空的概念有助於更好的思考宇宙，一個結合了三維空間和一維時間的宇宙。所有的物體和事件都在時空中的某一個點發生，但大多數人難以想像這一概念，原因是儘管我們可以自如地穿梭於三維空間，卻無法自由的在時空中旅行。有點像昆蟲困在了池塘表面。儘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。

廣義相對論揭示了時間和空間的關係。這一理論中，愛因斯坦提出了「場方程」，描述了時空彎曲與質量和能量密度的關係。

圖示：由於物體存在質量，而導致時空彎曲。來自ESA–C.Carreau。

這些場方程公開發表之後，其他科學家利用這些場方程探索不同物理條件下時空概況。某種情況下，所有物質被壓縮成某一點，場方程預示著一種奇特現象：時空彎曲有時會非常極端，極端到連光也無法逃逸。今天，我們知道這種情況以黑洞的形式存在，我們在太空中發現了黑洞的證據。

這場方程變得無限時的解決方案就是這些「奇點」。霍金博士論文的最終一章探究了奇點的概念。他的研究不是為了黑洞周圍的時空，而是為了整個宇宙。

從黑洞到「大爆炸」

宇宙學中，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，大尺度上，宇宙中的物質必須非常均勻，且各個方向上也是均衡分布的。

愛因斯坦的場方程，滿足所有條件的最簡單解法是「羅伯遜——沃爾克度規」，以推動了這一發展的兩位科學家的名字命名。這一度規只是用於描述時空中任意兩個事件的間隔。

尤為重要地是，羅伯遜——沃爾克度規解法允許度規中的時空部分可以隨時間的變化而變化。這意味著它可以描述一個正在擴張的宇宙。二十世紀二十年代，愛德文·哈勃證實了其它星系真的正在遠離我們，從而發現了宇宙膨脹的實例證據。

圖示：正在擴張的宇宙。來自NASA。

羅伯遜——沃爾克度規和場方程可用宇宙學家稱為「尺度因子」的單位描述膨脹，即從某一特定點到現在，太空已經膨脹或壓縮的程度。

如果宇宙正在膨脹，那麼，過去的宇宙理應更小、密度更大。如果把時鐘撥回到足夠遠的過去，尺度因子將變為零。宇宙中的所有物質和能量過去定然集中在某一點上，該點的密度將無窮大：該點便是宇宙學中的奇點。這是「大爆炸」理論模型的基礎，有一點類似於反過來看黑洞。

與穩態理論的對決

「穩態理論」模型試圖淘汰宇宙學中的奇點，而很多人認為這並無道理。奇點被視作廣義相對論預言中的缺陷，不符合已知的物理定律。

根據「穩態理論」模型，宇宙是永恆的，根本不存在開始。顯然，宇宙膨脹可以通過把一個「創造場」或者「C場」增加到愛因斯坦的場方程中，便可解釋這一現象；而這意味著，太空中星系彼此漸行漸遠的同時，星系之間依然不斷有物質產生。

但霍金博士論文的最後一章中，他提出，「C場」的概念自身也伴隨著一系列的問題，而根據羅伯遜——沃爾克度規得出的正確模型則描述了最初的奇點。

很多人看來，霍金之後所做的事情可謂是開天闢地。以英國物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）的成果為基礎，霍金從數學的角度證明了奇點並不是「大爆炸」理論的缺陷，而是自然的預期特徵。霍金有力地證明了證明當把廣義相對論應用於宇宙學時，就必然會出現「奇點」

半個世紀之後，「大爆炸」理論這一宇宙起源說的觀測證據占絕對優勢，「穩態理論」模型逐漸被廢棄。霍金在宇宙學和理論物理學方面做出了里程碑式的貢獻。

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