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標  題: [新聞] 霍金提新理論：宇宙或具超現實主義幾何特
發信站: 批踢踢實業 (2012/06/30 Sat 15:27:33)

霍金提新理論：宇宙或具超現實主義幾何特徵

http://big5.ce.cn/xwzx/gnsz/gdxw/201206/19/t20120619_23420231.shtml

著名的宇宙學家史蒂芬•霍金近期提出了一種新的理論用以描述我們所在的宇宙，這種理
論認為宇宙可能擁有類似藝術家埃斯特的畫作中那樣的幾何特徵。

　　藝術家埃斯特的作品《圓形極限IV》：蝙蝠和天使相互交織在一起，構成複雜的圖案
。儘管這些圖案是平面上的，但是卻可以通過投影方式錶現出「雙曲空間」的概念
圖：http://goo.gl/4QiJL

　　美國加州大學伯克利分校天體物理學家薩爾•波爾馬特，他通過對遙遠超新星的觀測
發現了宇宙正在加速膨脹。由於這一貢獻，他和美國物理學家布萊恩•施密特以及亞當•
裡斯共同分享了2011年度諾貝爾物理學獎 http://goo.gl/06GEU

　哈勃空間望遠鏡拍攝的遙遠星系。科學家確認宇宙正在加速膨脹，所有星系都將最終離
我們遠去，宇宙陷入一片冷寂。造成這種加速膨脹的動力來自暗能量，但是到目前為止，
科學界對究竟什麼是暗能量，它從何而來仍然一無所知 http://goo.gl/PA4yA

　新浪科技訊 北京時間6月18日消息，據美國《新科學家》雜誌網站報導，英國康橋大學
宇宙學家史蒂芬•霍金常常被譽為是全世界仍然健在的最著名的科學家，近期他提出了一
種新的理論，他認為宇宙或許具有某種超現實主義的幾何特徵，這一特徵和畫家埃舍爾的
作品中所體現的那種幾何特質非常類似。

　　這一消息對於這位荷蘭藝術家的粉絲們來說讓人喜悅，而霍金的團隊則指出，他們的
這項研究提供了一種方式來滿足弦理論的幾何要求。弦理論目前仍是一種假說，人們希望
這一理論有朝一日被證明是能夠描述我們所見宇宙中萬事萬物的「終極理論」。

　　霍金小組的計算採用了一種在此之前曾被認為是不可能完成的方法。而如果這一理論
得以被證明，那麼它將能夠解釋宇宙是如何從大爆炸中誕生的，並可以將引力和量子力學
統一起來。霍金的同事托馬斯•赫托格(Thomas Hertog)來自比利時天主教魯汶大學(KUL)
，他說：「我們自此將擁有構建關於我們所處的世界弦理論模型的新途徑。」

　　但是僅從表面上看，說藝術家埃斯特的畫作能描繪出宇宙的形狀，這一點似乎和我們
對於宇宙的瞭解相違背。埃斯特的畫作中表現了很多幾何特質：鑲嵌，排列，不斷重複的
形狀。如在他的作品《圓形極限IV》(Circle Limit IV)中所展現的那樣：蝙蝠和天使相
互交織在一起，構成複雜的圖案。儘管這些圖案是平面上的，但是卻可以通過投影方式錶
現出「雙曲空間」的概念，這很像地圖的表現手法：地球是圓球形的，但是卻仍然可以用
二維平面的地圖予以展示。比方說，儘管那些蝙蝠在靠近這張作品邊緣的地方呈現幾何級
的急劇縮小，在雙曲空間中，所有蝙蝠的大小其實卻是一樣大的。之所以會出現這些變形
，是因為雙曲空間是無法被完全展平的。這也非常類似於地圖上的變形，比如世界地圖上
南北兩極會出現較大的比例大小變形，這也是由於地球外形無法被完全展平的緣故。

　　然而這並非我們宇宙所具有的樣子。對於源自大爆炸的「回聲」宇宙微波背景輻射
(CMB)的測量以及對遙遠的超新星的觀測都表明，我們的宇宙是平坦的，而非扭曲變形的
。與此同時，由於一種神秘的暗能量的作用，我們的宇宙正處於加速膨脹過程之中。我們
並不瞭解究竟什麼是暗能量，以及它究竟從何而來，但是愛因斯坦提出的廣義相對論提供
了一種數學語言可以來描述這種膨脹。如果將宇宙常數代入廣義相對論方程中，我們將得
到一個永遠膨脹下去的宇宙，當然這個宇宙常數必須是正值。到目前為止，說「我們正處
於一個不斷膨脹的宇宙中」和說「我們的宇宙常數取的是一個正值」是具有同等含義的。

　　然而，還有一些明顯的問題。廣義相對論可以涵蓋宇宙膨脹的內容，但是它無法解釋
宇宙大爆炸，它也無法將主要描述宏觀尺度的引力和描述微觀尺度的量子力學統一起來。
赫托格說：「這就相當於說，你無法解釋我們為什麼會生活在我們所生活的這個宇宙中。
」

　　然後弦理論應運而生。這一理論提供了一種完整描述我們所在宇宙的美麗圖景，涵蓋
了它的整個歷史，並且將引力和量子力學統一起來。然而這一理論卻更傾向於一個具有負
曲率的宇宙：一個具有像埃斯特畫作中所體現的那種幾何特質的宇宙，一個宇宙常數為負
值的宇宙。這讓物理學家們陷入困惑：一方面是一個正常運行的宇宙，但是卻缺乏可以描
述它的理論；另一方面是一個看上去完美的理論，但是卻不能描述我們真實所觀察到的宇
宙。

　　現在，霍金，赫托格和來自美國加州大學聖巴巴拉分校的詹姆斯•哈特爾(James
Hartle)正嘗試建立起溝通兩者的橋樑。他們嘗試在一個具有負曲率的宇宙模型中產生出
加速膨脹。這或許將意味著弦理論最終仍將被證明是可以用來描述我們所觀察到的真實宇
宙的。這一想法最初源於上世紀80年代霍金與哈特爾兩人頭腦中的一個構思，即繞開廣義
相對論的缺陷並試圖尋找有關我們這個宇宙的量子圖景。

　　在量子力學中使用「波函數」的概念來描述一個量子物體所可能具有的所有狀態，並
賦予其中的每一個狀態一個概率值。霍金和哈特爾提出了一個相似的波函數概念來給出大
爆炸可能產生不同宇宙的概率值。它可以描述所有可能存在的宇宙，包括太陽系永遠無法
在其中形成的宇宙，或者在其中生命會按照完全不同的道路演化的宇宙。

　　在過去的30多年中，霍金和哈特爾一直在努力嘗試將一個具有正值的宇宙常數嵌入他
們構建的波函數中，因為這一過程被認為是必要的步驟。但是這樣做的代價是犧牲方程的
精確性：即便他們成功地做到了這一點，他們所獲得的宇宙中的一切也將只能是模糊的，
對於真實的近似。

　　艱難的平衡

　　與此同時，弦理論家們也一直在努力理解一個具有正值宇宙常數的宇宙，因為這樣一
個宇宙似乎傾向於不穩定。要想構建這樣一個宇宙有點像是讓一支削尖的鉛筆用它的尖頭
立起來放穩：或許它確實可以站立一會，但是對於這支鉛筆來說，這顯然不是它的最穩定
狀態，它的最穩定狀態應該是平躺在桌面上，如果一直這樣用筆尖站立，遲早它會失去穩
定性並倒下。因此相似的，對於弦理論而言，它最適合達成穩定的地方是在埃斯特的作品
所構建的那種宇宙中。赫托格說：「如果宇宙具有負曲率，那麼弦理論在其中就會舒服的
多。」

　　然而霍金的最新理論指出，弦理論這一看似缺陷的地方實質上可能是可以讓這一理論
貼近現實宇宙圖景的一種方式。在一篇線上發表的論文中，霍金和同事們描述了他們如何
運用他們提出的，採用取負值的宇宙常數的波函數方程得到了一系列不同的宇宙，其中有
一部分具備加速膨脹的性質。(論文地址：arxiv.org/abs/1205.3807)

　　赫托格表示：「其中有一些宇宙表現出加速膨脹，就像我們的宇宙。」他說：「這表
明量子態已經自動涵蓋了全部這兩種宇宙狀態。」對於特定的波函數來說，這些加速膨脹
的宇宙甚至可以成為產生幾率最大的類型。

　　這一理論的關鍵在於霍金團隊構建的波函數可以進一步演化，形成非常類似於弦理論
中一種特定方程的形式。這一方程最早是由普林斯頓高等學術研究所的朱安•馬爾達西那
(Juan Maldacena)在1997年提出的。赫托格說：「兩者之間存在某種聯繫，某種非常微妙
的聯繫。」當霍金的小組看到這兩者之間存在的內在聯繫之後，研究小組決定嘗試將兩者
統一起來並構建一個新的波函數，其中將採用負值的宇宙常數。他們相信這樣做的結果將
讓他們得以借鑑弦理論中所給出的關於宇宙的完美數學圖景，並且同樣可以獲得一個呈現
加速膨脹的宇宙。

　　但是在實際觀測中，我們獲得的印像是宇宙是平坦的，這又該如何面對呢？這一點可
以用牛頓的經典運動體系和愛因斯坦的相對論體系之間的關係來進行解釋。牛頓的運動定
律在日常生活中被證明是精確可靠的，而當所考慮的對像是宇宙尺度的宏觀運動時，它就
讓位於愛因斯坦的相對論。同樣的，霍金小組認為平坦宇宙模型可以很好的貼合我們所觀
察到的現實宇宙，但是最終它將讓位於一個具有埃斯特畫作中那種幾何特質的宇宙模型。

　　因此，現在就宣稱已經解決了有關宇宙本質的問題還為時過早。正如馬爾達西那所指
出的那樣，霍金團隊的理論捨棄了弦理論中很大一部分完整內容，如為瞭解釋某些粒子的
穩定性而給出的條件。他說：「要是我們只需要對付這些問題，那可真是太棒了。然而我
認為，這一理論顯然是被過度簡化了。我很難看到這一理論將如何被進行擴展，並最終成
為一個更加完整的理論體系。」

　　對此，赫托格也承認他們的理論並未完成，但是他認為採用取負值的宇宙常數這一做
法將最終將他們引導至一個可以描述我們所處宇宙的更加完整的理論。他說：「一條康莊
大道已經開啟，這是前所未有的。」(晨風)

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