宇宙大爆炸理论（霍金最终的宇宙大爆炸理论）

史蒂芬·霍金被认为是我们这个时代最有影响力的科学家之一。在这个星球上，这位著名的物理学家、科学传播者、作家和名人成了家喻户晓的名字，与爱因斯坦、牛顿和伽利略等人一样。更让人印象深刻的是，尽管他患有慢性退行性疾病，但他仍然坚持科学、教育和人道主义而不断努力。

为了纪念斯蒂芬·霍金，创造迄今为止宇宙中最详尽的三维测绘成果。图片：BBC, Illus.: T.Reyes

虽然霍金去世了，但他的影响仍然存在而且非常重要！在霍金去世前不久，霍金提交了一篇论文，提出他关于宇宙起源的最终理论，5月2日发表了这篇论文，提出了一种新的大爆炸理论，它将彻底改变我们对宇宙的看法：宇宙是如何被创造出来的，以及宇宙是如何演化的。

这篇题为“从永恒的宇宙膨胀中平稳退出”的论文，发表在《高能物理》期刊上。该理论于去年7月在剑桥大学(University of Cambridge)的一次会议上首次宣布。在该会议上，Thomas Hertog教授(一名来自KU Leuven大学的比利时物理学家)在他75岁生日的时候分享了霍金的论文(Hertog合著)。

斯蒂芬·霍金在去世前不久提出关于宇宙大爆炸的最终理论。图片：University of Cambridge

根据目前的科学共识，宇宙中所有当前和过去的物质都同时存在——大约在138亿年前。这时所有的物质都被压缩成一个非常小的奇点，密度和热量都是无限。突然奇点开始以指数速度膨胀，而我们所知道的宇宙就开始了。然而，人们普遍认为，自从宇宙膨胀开始，量子效应将使它在宇宙的某些区域永远持续下去。

这意味着，在范围内，宇宙的膨胀是永恒的。在这方面，宇宙中可观测到的部分(以任何方向测量138亿光年)只是一个区域，在这个区域内，膨胀结束，恒星和星系形成。正如霍金去年秋天在剑桥大学的一次采访中所解释的：

“永恒膨胀理论”预测，在范围内，我们的宇宙就像一个无限的分形，由不同的口袋宇宙组成，由一个膨胀的“海洋”隔开。物理和化学规律可以从一个口袋宇宙到另一个口袋宇宙，它们共同构成一个多元宇宙。但我从来都不喜欢多元宇宙。如果多元宇宙中不同宇宙尺度是巨大的或无限，那么这个理论就不能被检验。

在他们的新论文中，霍金和Hertog提出了一种新理论，该理论预测宇宙并不是一个无限的，不规则的多元宇宙，而是有限且相当平滑的。简而言之，他们认为：作为大爆炸理论的一部分，永恒宇宙膨胀是错误的。Hertog解释说：关于永恒膨胀通常解释的问题是：它假定了一个现有的背景宇宙，并根据爱因斯坦的广义相对论发展，并把量子效应看作是围绕着它的小波动。

然而永恒宇宙膨胀的动态消除了古典和量子物理之间的分离。因此，爱因斯坦的理论在永恒宇宙膨胀中失效了。与此形成对比的是，霍金和Hertog提出了一种基于弦理论的解释，弦理论是理论物理学的一个分支，试图将广义相对论与量子物理学统一起来。

这一理论被用来解释引力如何与宇宙其他三种基本力相互作用(弱和强的核力和电磁)，从而产生万物理论。简单地说，这个理论把宇宙的基本成分描述为微小的一维振动弦。霍金和Hertog方法使用了弦理论的全息概念，它假定宇宙是一个大而复杂的全息图。在这个理论中，某些三维空间中的物理现实可以从数学上简化为平面上的二维投影。

这幅图展示了宇宙的演变，从左边的大爆炸到现代的右边。图片：NASA

霍金和Hertog共同开发了这一概念的变体，以揭示永恒膨胀中的时间维度。这使得他们能够描述永恒的宇宙膨胀，而不必依赖广义相对论，从而将宇宙膨胀降低到在时间开始时空间表面上定义的永恒状态。在这方面，新理论代表了霍金之前关于“无边界理论”研究的改变。

这一理论也被称为“Hartle”和“霍金”，并没有提出任何有价值的建议。这一理论把宇宙看作是一个量子粒子，它赋予它一个描述所有可能宇宙的波函数。这个理论还预言，如果你回到宇宙的起点，它会像一个球体一样收缩和闭合。最后，它预测宇宙最终会停止膨胀并自行坍塌。正如Hertog解释的那样，这个新理论与之前的工作背道而驰：

当我们回溯宇宙的演化时，在某个时刻到达了永恒宇宙膨胀的门槛，我们熟悉的时间概念不再有任何意义，现在我们说我们的过去有一个界限。利用这一理论，霍金和Hertog能够对宇宙的全结构做出更可靠的预测。此外，在过去的边界上预测出宇宙永恒膨胀也是有限的，而且要简单得多。最后，但并非最不重要的是，这个理论比古老永恒宇宙膨胀理论所预言的无限多元宇宙更具有预测性和可测试性。

双黑洞合并的概念图，图片：LIGO/A. Simonnet.

霍金说：我们并不是一个单一、独一无二的宇宙，但我们的发现意味着宇宙的多元宇宙将会显著减少，而宇宙可能会更小。理论上，一个有限而平滑的宇宙是我们可以观察到的(至少是局部)，并且将受我们已经熟悉的物理定律支配。与不同物理定律所支配无限数量的宇宙相比，它确实简化了数学！

展望未来，Hertog计划利用太空望远镜获取的关于本宇宙的数据，研究这一理论对较小尺度的影响。此外，他希望利用最近有关引力波(GWs)和许多已被发现事件的研究。从本质上讲，Hertog认为从永恒的通货膨胀中产生的原始引力波(GWs)是测试该模型最有希望的方法。

由于宇宙大爆炸后宇宙的膨胀，这些引力波(GWs)会有很长的波长，这些波长超出了激光干涉引力波天文台(LIGO)或室女座探测器的正常测量范围。然而，激光干涉测量空间天线(LISA)：一种基于太空引力波天文台的ESA-led计划——以及其他未来的实验可能能够测量它们。

尽管霍金与我们相处的时间更长，但他的最终理论可能是他对科学的深远贡献。如果未来的研究证明他是正确的，那么霍金将解决现代天体物理学和宇宙学中最令人畏惧的问题之一。这只是一个人的一项成就，但他的一生改变了人们对宇宙看法和认知！