霍金最後的禮物
作為開創性的物理學家，史蒂芬·霍金在去世之前為世人留下了一筆閃爍著理性光輝的理論遺產：他與來自KU Leuven比利時魯汶大學的Thomas Hertog托馬斯·赫托格合著的最後一篇論文詳細地闡述了他關於宇宙起源的終極理論。
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前不久發表在《高能物理學雜誌》上的論文提出，宇宙的結構比現在流行的多重宇宙理論所暗示的還要複雜得多。
它基於一種名為永恆暴脹的概念，首先見於1979年，並於1981年整理成論文出版。
大爆炸後，宇宙經歷了指數級別的暴脹時期。然後它減緩了膨脹的速度，把能量轉化為物質和熱輻射。然而，根據永恆暴脹理論，一些空間泡沫的膨脹或減速膨脹停止了下來，從而形成了靜態空間的小分形死角。同時，在其他空間泡沫中，由於量子效應，暴脹從未結束——形成無限數量的多元宇宙。
根據這一理論，我們在可觀察到的宇宙中看到的一切都只存在於其中的一個時空泡沫中——暴脹已經停止的時空泡沫，其內部才能形成恆星和星系。
「一般的永恆暴脹理論預言說，我們的宇宙就像一個無限的分形，由不同的口袋宇宙鑲嵌在一起，被始終向外延伸的暴脹海洋所阻隔，」霍金解釋說，「從一個口袋宇宙到另一個口袋宇宙，局域的物理和化學規律可以有所不同，它們一起構成多元宇宙，但我從來不是多元宇宙的粉絲，如果多元宇宙中的不同宇宙的尺度過大或乃至達到無限，就會讓我們失去檢驗理論的能力。」
即使是永恆暴脹模型最早的提出者之一，近年來也開始反對他自己的模型。
普林斯頓大學的物理學家保羅·斯坦哈特公開發表學術意見，認為該理論只是接受了它本該要解決的問題，而沒有給出問題的答案——使宇宙與我們的觀測一致，所以我們最好找個新的模型來取代它。
霍金和赫托格現在都表示永恆暴脹模型是錯誤的。這是因為愛因斯坦的廣義相對論在量子尺度上被打破了。
「通常的暴脹理論的問題是，它假定現有的背景宇宙是根據愛因斯坦的廣義相對論發展而來的，並將量子效應看作是背景環境里的噪音。」赫托格解釋道。「然而，永恆暴脹的推動力打破了古典和量子物理學之間的藩籬，結果，愛因斯坦的理論在永恆暴脹中就不再使用了。」
新理論基於弦論，而弦論試圖通過用微小的振動的一維弦替換粒子物理中的點狀粒子來調和廣義相對論和量子理論的矛盾。
在弦論中，全息原理提出，可以通過佔據一定體積的空間的低維邊界上獲取空間內部的所有信息；所以宇宙就像一幅全息圖，其中三維空間中的物理現實在數學上和它們表面上的二維投影並無二致。
研究人員為全息原理開發出了一種變體，它刻畫了暴脹的時間維度，這使得他們能夠清晰地描述相關概念而不必依賴於廣義相對論。
這使得他們能夠在宇宙開始的時候，在數學上將永恆的暴脹降低到空間表面上恆定的狀態——永恆暴脹宇宙的全息圖。
赫托格說：「當我們追溯宇宙的演化時間表時，在某個時刻，我們到達了暴脹的門檻，我們熟悉的時間概念就不再有任何意義。」
1983年，霍金和另一位物理學家研究員詹姆斯·哈特勒提出了所謂的「無邊界理論」或「哈特爾-霍金狀態」。他們提出，在大爆炸之前，有空間，但沒時間。所以當宇宙開始時，它從一個點向外擴張，但沒有時間起點。
根據新理論，早期宇宙應該存在一個邊界，這使得霍金和赫托格得出了關於宇宙結構的更可靠的理論推斷。
霍金說：「我們預測我們的宇宙在最大尺度上是相當平滑和全局有限的，所以它不是分形結構。」
這一結果，與多元宇宙並無衝突，但將它們的規模降低到了一個更小的範圍——這意味著在未來可能更容易通過實驗來驗證多元宇宙理論的正誤，如果這項工作可以被其他物理學家重複和證實的話。
赫托格計劃通過尋找可能由永恆暴脹產生的引力波來對其進行測試。
這種引力波的漣漪規模過大而無法被LIGO探測到，但未來的引力波干涉儀，如天基LISA，以及未來宇宙微波背景的研究都可能發現它們存在的證據。
本文譯自 sciencealert，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。
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