最后的論文：霍金沒(méi)有留下確定的答案

在最新的論文中，霍金和合作者基于弦理論對(duì)宇宙的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全新的預(yù)測(cè)。他們認(rèn)為，我們的宇宙不僅是有限的，而且結(jié)構(gòu)也要比目前很多涉及大爆炸的理論所預(yù)測(cè)的簡(jiǎn)單得多。同時(shí)霍金還對(duì)自己此前提出的理論進(jìn)行了修正，并提出思路去尋找多重宇宙存在的證據(jù)。

南方周末特約撰稿 鞠強(qiáng)

2018年3月14日，著名物理學(xué)家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在英國(guó)劍橋逝世，享年76歲。送別之后，我們突然發(fā)現(xiàn)，這位飽受疾病折磨長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)的科學(xué)大師，在生命的最后時(shí)刻仍然沒(méi)有停下對(duì)宇宙起源和命運(yùn)的思考。只是這一次，他并沒(méi)有給我們留下一個(gè)確定的答案。

5月2日，霍金生前完成的最后一篇論文在《高能物理學(xué)報(bào)》（Journal of High Energy Physics）上發(fā)表，合作者是比利時(shí)魯汶大學(xué)的教授托馬斯·赫托格（Thomas Hertog）。赫托格早年在劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)期間，正是在霍金的指導(dǎo)下獲得了博士學(xué)位，并在此后成為與霍金關(guān)系密切的合作者之一。

有限而簡(jiǎn)潔

在這篇論文中，霍金和赫托格基于弦理論，對(duì)宇宙的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全新的預(yù)測(cè)。他們認(rèn)為，我們的宇宙不僅是有限的，而且結(jié)構(gòu)也要比目前很多涉及大爆炸的理論所預(yù)測(cè)的簡(jiǎn)單得多。同時(shí)在論文中，霍金還對(duì)自己此前提出的理論進(jìn)行了修正，并提出思路去尋找多重宇宙存在的證據(jù)。

現(xiàn)代大爆炸理論目前是解釋宇宙起源的主流理論，它預(yù)測(cè)我們身處的這個(gè)宇宙來(lái)自于暴脹，即在宇宙大爆炸發(fā)生后的極短時(shí)間內(nèi)，宇宙以指數(shù)形式膨脹。宇宙學(xué)家普遍認(rèn)為，暴脹一旦開(kāi)始，在宇宙中的某些區(qū)域內(nèi)，它就永遠(yuǎn)不會(huì)停止。在這些區(qū)域內(nèi)，量子效應(yīng)會(huì)使暴脹永遠(yuǎn)進(jìn)行下去。所以從整個(gè)宇宙來(lái)看，暴脹的過(guò)程是沒(méi)有終點(diǎn)的。在這個(gè)被稱作“永恒暴脹”（eternal inflation）的理論中，我們的可觀測(cè)宇宙只是一個(gè)宜居的“口袋宇宙”（pocket universe），是一個(gè)暴脹已經(jīng)停止而恒星和星系得以形成、生命得以出現(xiàn)的局部區(qū)域而已。

在2017年秋天接受采訪時(shí)，霍金表示：“永恒暴脹理論通常預(yù)測(cè)我們的宇宙像是一個(gè)無(wú)限的分形，其中布滿被暴脹海洋分隔開(kāi)的不同的口袋宇宙。一個(gè)口袋宇宙中的物理和化學(xué)定律可能和另一個(gè)口袋宇宙中的定律完全不同，這樣就共同組成了一個(gè)多重宇宙?！痹诓稍L中，霍金表示他不是多重宇宙理論的支持者，“因?yàn)槿绻嘀赜钪嬷胁煌挠钪嫣笊踔潦菬o(wú)限大的話，這個(gè)理論不可能被檢驗(yàn)?！?/p>

在這篇新的論文中，霍金和赫托格指出，在大爆炸理論中這樣解釋永恒暴脹是錯(cuò)誤的，原因在于我們此前對(duì)廣義相對(duì)論和量子效應(yīng)的作用機(jī)制理解不當(dāng)。實(shí)際上，永恒暴脹的動(dòng)力學(xué)抹掉了量子物理和經(jīng)典物理之間的差別，愛(ài)因斯坦的理論會(huì)在永恒暴脹中失效。他們就此推測(cè)，我們的宇宙從整體上看，應(yīng)該是平滑且有限的，而不是一個(gè)分形結(jié)構(gòu)。

如果多重宇宙中宇宙的數(shù)量無(wú)限多，我們希望找到宇宙中普遍適用的物理定律的努力就是徒勞的，但是這篇論文使情況變得樂(lè)觀起來(lái)，正如赫托格所說(shuō)：“在我們的理論中，多重宇宙中宇宙的數(shù)量是有限的，而且彼此之間十分相似，這讓我們看到徹底驗(yàn)證宇宙框架的希望?！眲虼髮W(xué)的官網(wǎng)也引述了霍金此前對(duì)自己這個(gè)理論的看法：“我們不僅限于一個(gè)單一的宇宙，但是我們的發(fā)現(xiàn)意味著多重宇宙中宇宙的數(shù)量會(huì)少很多。”

這篇論文的理論基礎(chǔ)是弦理論。弦理論把構(gòu)成宇宙的基本元素描述為“振動(dòng)的弦”，試圖借此去調(diào)和廣義相對(duì)論和量子理論之間的沖突。而弦理論中的全息原理認(rèn)為，一個(gè)三維空間的所有性質(zhì)都可以投影到它的二維邊界上?；艚鸷秃崭裢袕娜⒃沓霭l(fā)，找到從永恒暴脹的宇宙中投射出時(shí)間維度的方法，從而不依賴廣義相對(duì)論就能解釋宇宙的永恒暴脹。

赫托格表示，當(dāng)我們沿著宇宙演化方向反向回溯的時(shí)候，在某一刻我們會(huì)到達(dá)永恒暴脹的閾值，這一刻之前我們現(xiàn)有的時(shí)間概念會(huì)完全失效?；艚饘?duì)于這個(gè)問(wèn)題的研究，可以追溯到三十多年前。

1983年，霍金和加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的物理學(xué)家詹姆斯·哈特爾（James Hartle）在《物理評(píng)論D》（Physical Review D）上發(fā)表了一篇名為《宇宙的波函數(shù)》（Wave function of the universe）的論文，共同提出了哈特爾-霍金理論，也被稱為“無(wú)邊界理論”（no-boundary theory）。這個(gè)理論主要是描述在普朗克時(shí)期（Planck epoch）之前宇宙的狀態(tài)，那是宇宙大爆炸發(fā)生后10-43秒內(nèi)的一個(gè)階段。

經(jīng)典大爆炸理論中存在一個(gè)任何物理規(guī)律都不適用的奇點(diǎn)。哈特爾和霍金的理論認(rèn)為，在大爆炸之前，時(shí)間并不存在，宇宙沒(méi)有誕生的那一刻，所以宇宙不僅在空間上沒(méi)有初始邊界，在時(shí)間上同樣沒(méi)有初始邊界。這有點(diǎn)類似我們站在北極點(diǎn)，在那里沒(méi)有限制我們往北走的邊界，我們卻不能再往北走，因?yàn)樗邢虮钡木€都相交并結(jié)束于這一點(diǎn)。但是在最新的論文中，霍金和赫托格則認(rèn)為，宇宙是有初始邊界的。

質(zhì)疑和堅(jiān)持

2017年7月，劍橋大學(xué)舉辦了一次會(huì)議，慶祝霍金的75歲生日。在這個(gè)會(huì)議上，赫托格第一次宣布了這篇論文中的新理論。隨后，他們把這篇論文上傳到預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上供同行討論。2018年3月4日，也就是霍金去世前10天，他們又對(duì)這篇論文進(jìn)行了修訂。

值得注意的是，這篇題為《永恒暴脹的平滑結(jié)束？》（A smooth exit from eternal inflation?）的論文最后以問(wèn)號(hào)結(jié)尾。這說(shuō)明霍金和赫托格在提出新的看法的同時(shí)，也認(rèn)為這還只是初步的探

討，目前還無(wú)法獲得確定的結(jié)論。

二人在這篇論文中還對(duì)宇宙的終極命運(yùn)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，即在所有恒星的能量都消失后，我們的宇宙將陷入無(wú)盡的黑暗。針對(duì)這個(gè)觀點(diǎn)，我們也聽(tīng)到了反對(duì)的聲音。加拿大圓周研究所主任、宇宙學(xué)家尼爾·圖羅克（Neil Turok）就對(duì)霍金為何覺(jué)得這個(gè)觀點(diǎn)有意義而感到困惑。圍繞宇宙的未來(lái)，物理學(xué)家確實(shí)還沒(méi)找到一個(gè)具有足夠說(shuō)服力的觀點(diǎn)。

多重宇宙理論預(yù)言，不同宇宙在誕生和消亡的時(shí)候可能會(huì)發(fā)生相互作用并在彼此留下印記?；艚鸷秃胀懈竦倪@篇論文指出我們也許可以通過(guò)尋找這些深藏于宇宙中的印記來(lái)驗(yàn)證其他宇宙的存在。雖然一些宇宙學(xué)家認(rèn)為我們沒(méi)辦法把論文中的觀點(diǎn)付諸觀測(cè)，但也有不少宇宙學(xué)支持這一觀點(diǎn)。英國(guó)杜倫大學(xué)宇宙學(xué)教授卡洛斯·弗蘭克（Carlos Frenk）認(rèn)為：“在此之前我們不可能去測(cè)量其他的宇宙。在霍金的論文中，最吸引人的觀點(diǎn)就是多重宇宙在宇宙的微波背景輻射中留下了印記，而我們可以用空間探測(cè)器去測(cè)量這種印記?！备ヌm克相信，霍金和赫托格的工作是測(cè)量多重宇宙的開(kāi)端。

哈佛大學(xué)的天體物理學(xué)家阿維·羅布（Avi Loeb）也認(rèn)為這篇論文具有顛覆性的意義，其中的觀點(diǎn)將會(huì)在研究早期宇宙的物理學(xué)家中引發(fā)關(guān)注。他有些持懷疑態(tài)度的是，霍金和赫托格在論文中使用了一些并不為物理學(xué)界廣泛接受的假設(shè)，因此他覺(jué)得還需要關(guān)于這個(gè)理論的更多細(xì)節(jié)。北卡羅來(lái)納大學(xué)的宇宙學(xué)家凱蒂·麥克（Katie Mack）也表示，我們需要在對(duì)量子引力有更加深刻的理解之后，才能審視論文中的思路是否有效。

在赫托格看來(lái)，他和霍金的觀點(diǎn)不一定正確，但是我們有可能獲得支持或者推翻這個(gè)理論的證據(jù)。除了宇宙微波背景輻射，在宇宙誕生之初就出現(xiàn)的原初引力波最有可能被用來(lái)驗(yàn)證這個(gè)模型。原初引力波的波長(zhǎng)超出了目前LIGO探測(cè)器的探測(cè)范圍，所以這種宇宙的漣漪也許可以被歐洲空間局正在研制的引力波天文臺(tái)LISA聽(tīng)到。不過(guò)，由于LISA計(jì)劃要到2034年才能發(fā)射升空，所以我們可能需要很多年才能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)霍金在生命的最后時(shí)刻所做的努力。

如果科學(xué)家在霍金有生之年發(fā)現(xiàn)證明論文中的觀點(diǎn)的證據(jù)，霍金很有可能獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。正如赫托格所說(shuō)：“他經(jīng)常被提名而且應(yīng)該得獎(jiǎng)，但是他已經(jīng)永遠(yuǎn)不可能得獎(jiǎng)?！敝Z貝爾獎(jiǎng)是一項(xiàng)重要的榮譽(yù)，但是霍金的影響力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了諾貝爾獎(jiǎng)本身。在我們這個(gè)時(shí)代，幾乎沒(méi)有哪位諾貝爾獎(jiǎng)得主獲得如霍金般巨大的聲譽(yù)。

弗蘭克表示：“如果我們真的能夠發(fā)現(xiàn)多重宇宙的證據(jù)的話，那么我們對(duì)自己在宇宙中的位置的認(rèn)識(shí)將會(huì)被徹底改寫(xiě)。”哥倫布第一次到達(dá)新大陸，新舊大陸的人們都仿佛發(fā)現(xiàn)了新世界；開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)的類地行星，我們似乎看到了“另一個(gè)地球”；如果一個(gè)新的宇宙在我們面前露出蛛絲馬跡的話，帶給人類的震撼實(shí)在是遠(yuǎn)非前二者所能及。當(dāng)然，我們現(xiàn)在還只是處于理論研究初期，離發(fā)現(xiàn)多重宇宙（如果真的存在的話）還非常遙遠(yuǎn)，我們所處的位置或許只相當(dāng)于哥倫布的船隊(duì)從巴羅斯港起錨，或者四百年前伽利略第一次用望遠(yuǎn)鏡觀察木星。

霍金和牛頓都是英國(guó)人，都曾擔(dān)任劍橋大學(xué)盧卡斯數(shù)學(xué)教席，都在死后安葬于倫敦威斯敏斯特大教堂，都窮盡一生去理解宇宙并嘗試找到背后的物理法則。雖然霍金的成就不及牛頓，但是我們?nèi)匀粦c幸我們的時(shí)代擁有霍金。在最后一篇論文中，霍金留給我們的不是一個(gè)答案，而是一束理性的光芒，照耀可能最終歸于無(wú)盡黑暗的宇宙。這就是他存在過(guò)的意義。