史蒂芬霍金(几乎)最后一篇论文:结束宇宙的开端

史蒂芬霍金(几乎)最后一篇论文:结束宇宙的开端

在他关于宇宙学的最后一篇论文中,斯蒂芬霍金和一位年轻的同事攻击了宇宙膨胀及其不满。

Jason Bye /作家图片来自AP图片
史蒂芬霍金(几乎)最后一篇论文:结束宇宙的开端

当斯蒂芬霍金 ,这位着名的理论物理学家仍在撰写一些论文。 今天,“ 高能物理学报”发表的 - 关于宇宙是如何形成和进化的科学。 (关于黑洞的其他论文仍在准备中。)在新论文中,霍金和比利时鲁汶天主教大学(KU)的理论物理学家托马斯赫托格试图在一个叫做永恒膨胀的奇怪概念中坚持下去,根据一些物理学家的说法,这意味着 - 不可避免地 - 我们的宇宙只是多元宇宙中无数的宇宙中的一个。 借用弦理论中的一个概念,霍金和赫托格认为没有永恒的通货膨胀,只有一个宇宙。 但他们正在推动的是更为基本的东西:他们声称我们的宇宙从来没有一个独特的创造时刻。

论证如何运作? 跟随其缠绕线到结束。

让我们 从基础开始:什么是宇宙膨胀?

宇宙膨胀是一个巨大的增长突破,据说可以在第一个最小的一秒钟内拉伸婴儿宇宙。 美国理论家艾伦·古斯(Alan Guth)在1979年梦想,通货膨胀认为,在大爆炸之后,空间呈指数级增长,一次又一次地将宇宙的大小翻倍至少60倍,然后急剧减速。

为什么宇宙学家会相信某些奇怪的东西?

通货膨胀解决了一个难题:为什么宇宙如此均匀? 例如,空间充满了从大爆炸,宇宙微波背景(CMB)挥之不去的辐射。 它在天空中到处都有几乎完全相同的温度。 这是奇怪的,因为在宇宙已经存在的138亿年中,由于广泛分离的点乍一看似乎距离太远,因为任何影响都不会从一个到另一个。 通货膨胀通过暗示天空中的所有点开始足够接近相互作用来解决这个难题,然后被拉得很远。

所有通货膨胀都有吗?

具有讽刺意味的是,通货膨胀在解释宇宙不完全统一的原因方面也做得很好。 显然,太空充满了星系。 根据该理论,通货膨胀在最初的时刻延伸到河外大小的无限小量子波动。 然后波动产生了致密星系形成的基本粒子密集汤的变化。 通货膨胀预测了更长和更短波动的特定范围。 引人注目的是,对CMB和星系的研究证实了这种分布。

史蒂芬霍金(几乎)最后一篇论文:结束宇宙的开端

宇宙膨胀假定婴儿宇宙经历了令人难以置信的生长突增,瞬间将亚原子涟漪延伸到宇宙尺度。

WMAP科学小组/ NASA

那么 永恒的通货膨胀是什么?

这就是通货膨胀概念遇到问题的地方。 物理学家深深不喜欢通货膨胀会突然停止的想法,没有特别的理由。 他们更倾向于有一种机制来解释是什么驱使通货膨胀然后导致它停止。 这就是为什么他们假设某种量子场驱逐它,然后逐渐消失。 这个想法是,该领域开始于一个只有近似稳定,更高能量的“假真空”状态,其中空间呈指数级延伸。 然后它放松到其真正的最低能量状态,其中空间扩展得更慢。

然而,情景有点太好了。 指数膨胀的虚假真空产生了越来越多的自我,因此有更多的空间以极快的速度扩展。 我们的宇宙是一个经历了向低能真正真空状态过渡的补丁。 但是这种过渡应该是随机发生的,所以也应该有很多其他的宇宙。 事实上,这个过程应该产生越来越多的空间,这个空间以指数速度增长,充满了无限数量的“口袋宇宙”增长得更慢。

那是问题吗?

这取决于你问谁。 在最基本的层面上,所有这些其他宇宙的存在都不会影响我们的宇宙。 他们离我们太远了。 Hertog说,另一方面,永恒膨胀和多元宇宙的概念可能会阻碍宇宙学家整个企业解释为什么宇宙是这样的。 他说,像口袋宇宙中某些关键物理常数的值可能会随机变化,这样就无法解释为什么他们拥有他们在宇宙中所做的价值。 Hertog说,他们会被随机机会设定,这并不是很令人满意。

那么霍金 和赫托格 的论文如何解决这个问题呢?

霍金和赫托格认为,事实上,永恒的通货膨胀并不会发生。 为此,他们借用弦理论的概念,使他们能够将两种不同类型的理论等同于不同的维度。 1997年,阿根廷裔美国理论家胡安·马尔加塞纳(Juan Maldacena)考虑了重力作用的空间。 马尔加塞纳现在在新泽西州普林斯顿的高级研究所,然后证明了理论相当于在不包括引力的空间边界上更容易使用的量子理论。 这就像说一罐苏打水中的任何东西都可以用一种理论来捕捉,这种理论只能描述罐头表面上发生的事情。

永恒的通货膨胀是因为,在早期的宇宙中,推动通货膨胀的领域的量子波动与该领域的平均值一样大。 但霍金和赫托格认为,在这种情况下,人们不能简单地继续使用阿尔伯特爱因斯坦的广义相对论,而是必须使用像马尔加塞纳那样的机动来观察一个空间较小的空间中的整个情况。 他们声称,在那个替代空间中,事物更容易处理,物理学不会导致永恒的通货膨胀。 相反,一个表现良好的宇宙合并。

那么这与宇宙的起源有什么关系呢?

这就是事情变得有趣和棘手的地方。 理论物理学家将一个理论与一个理论等同于一个理论物理学家称为全息术的概念。 在他的作品中,马尔代萨娜将一种理论等同于一个空间维度较少的空间。 但是,赫托格认为,全息术的原理允许理论家放弃时间的维度。 所以在霍金和赫托格的理论中,通过全息原理,早期的宇宙应该用一个只有三个空间维度而没有时间的理论来描述。

但是你为什么要摆脱时间呢?

自从宇宙开始变得明显以来,它诞生的那一刻一直是理论家头痛的问题。 粗略地说,爱因斯坦的广义相对论在大爆炸之后很好地解释了事物,但却无法处理创造本身的瞬间。 那个时刻在时空中形成了一个“奇点” - 就像一个爆发到无穷大的数学函数 - 它推翻了理论。 所以理论家们长期以来一直在寻求避免这种奇点的方法 - 而失去时间将是一种方法。

Hertog说,这是一个令霍金整个职业生涯着迷的问题。 几十年前,他提出了另一种解决方案,推测在一开始,时间粗略地说是维度,这个想法与新作品不相符。

那么这是永恒通货膨胀和大爆炸奇点的结束吗?

可能不是。 其他人将审视霍金和赫托格对维度变化关系的调用。 Hertog承认,即使其他研究人员认为它是合理的,仍有一个重要的问题需要回答。 如果理论家从一个只有空间维度的理论开始,那么时间最终是如何从中产生的呢? “我们抛出了一个新的范例,”赫托格说,“但还有很多工作要做。”

*更正,5月3日,上午10点:此故事已更新,以更正高级研究所的名称。