無限宇宙之海——霍金的最終論文

探索 05-11

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斯蒂芬·霍金的最後一篇宇宙學論文在他去世後才發表。這篇論文也許可以解釋宇宙的永恆暴脹問題，即說明我們的宇宙只是很多無限宇宙中的一個。

有很多證據足以說明，宇宙爆炸後不足幾分之一秒的時間內，初生宇宙經歷了一次爆發性的膨脹。儘管這一過程不足幾分之一秒，但是它這是我們今天看到的宇宙產生過程中的一環。甚至組成人體和恆星的粒子都來自大爆炸產生的能量。

問題在於，在大多數宇宙膨脹的理論中，宇宙膨脹從未停止過。儘管在我們稱為「宇宙」的這一部分時空，有可能會停止呈指數形式膨脹。整個宇宙從來沒停止膨脹。

現在，一篇由霍金和他比利時魯汶大學的同事Thomas Hertog 共同發表的一篇在高能物理周刊中的一篇論文指出，我們需要重新思考宇宙的起源。通過將量子和弦理論應用於簡化後的數學模型中，霍金和Hertog得出結論，宇宙的膨脹終究不是永恆的。

永恆暴脹理論

這張圖展示了過去的137億年間宇宙的演化。最左側描繪的是宇宙大爆炸，人類所能探測到的最早的時刻，此時極短時間內的「暴脹」使宇宙以指數形式擴張。在這張圖中，垂直方向的尺度被簡化了。

NASA / WMAP

為什麼大多數宇宙學家會認為宇宙暴脹是永恆的呢？暴脹背後設想是幾乎大爆炸剛發生之後，我們的整個宇宙進入了不完全穩定的能量狀態，叫做「假真空態」。這個術語有一些誤導性，因為這裡的「真空」實際指的是「基態」，因此「假真空態」只是另一種說明宇宙正處於激發的能量態的表達方式。這種狀態的負壓強導致所有宇宙都在呈指數形式膨脹。

很明顯，現在我們的宇宙並不處於這種狀態——否則我們就看不到我們鄰近的星系了，因為宇宙如此快速的膨脹早就會讓他們迅速脫離我們的視線。至少，我們自己的宇宙已經不處於這個階段。

就在Alan Guth系統地闡述暴脹理論後不久，賓夕法尼亞大學的Paul Steinhardt 和塔夫茨大學的Alexander Vilenkin發現量子漲落可以導致暴脹時代的終結。一個宇宙可以同時跳出暴脹階段，並進入一個暴脹中相對平靜的階段。但是由於量子漲落是隨機的，暴脹可以在此處或者另一處或者任意的地方突然停止。因此，在我們的觀測範圍之外，所有宇宙是呈指數形式膨脹的。儘管量子漲落可能使其中一個宇宙的暴脹停止，但是所有宇宙作為一個整體仍然會以指數形式暴脹，直到永遠。

如果膨脹真的是永恆的，那麼我們的宇宙會是無數宇宙中的一個，每一個宇宙都遵循著自己的一套物理定律，無數個宇宙就有無數套物理定律。

一個有限的宇宙

這是宇宙學家被相對論主宰的宇宙的大背景下，把量子理論當做小影響因素得出的結論。「但我從來不是多重宇宙的粉絲，」霍金在去年秋天的訪談中表示，「如果多重宇宙中的個別宇宙尺度是無限的，就說明這個理論本身是不能得到檢驗的。」