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霍金提新理论 宇宙或具超现实主义几何特征(图)

http://www.kexue.com 2012-06-18 11:15:44 新浪科技  发表评论


霍金再出新理论

  北京时间6月18日消息,据美国《新科学家》杂志网站报道,英国剑桥大学宇宙学家史蒂芬·霍金常常被誉为是全世界仍然健在的最著名的科学家,近期他提出了一种新的理论,他认为宇宙或许具有某种超现实主义的几何特征,这一特征和画家埃舍尔的作品中所体现的那种几乎特质非常类似。

  这一消息对于这位荷兰艺术家的粉丝们来说让人喜悦,而霍金的团队则指出,他们的这项研究提供了一种方式来满足弦理论的几何要求。弦理论目前仍是一种假说,人们希望这一理论有朝一日被证明是能够描述我们所见宇宙中万事万物的“终极理论”。

  霍金小组的计算采用了一种在此之前曾被认为是不可能完成的方法。而如果这一理论得以被证明,那么它将能够解释宇宙是如何从大爆炸中诞生的,并可以将引力和量子力学统一起来。霍金的同事托马斯·赫托格(Thomas Hertog)来自比利时天主教鲁汶大学(KUL),他说:“我们自此将拥有构建关于我们所处的世界弦理论模型的新途径。”

  但是仅从表面上看,说艺术家埃斯特的画作能描绘出宇宙的形状,这一点似乎和我们对于宇宙的了解相违背。埃斯特的画作中表现了很多几何特质:镶嵌,排列,不断重复的形状。如在他的作品《圆形极限IV》(Circle Limit IV)中所展现的那样:蝙蝠和天使相互交织在一起,构成复杂的图案。尽管这些图案是平面上的,但是却可以通过投影方式表现出“双曲空间”的概念,这很像地图的表现手法:地球是圆球形的,但是却仍然可以用二维平面的地图予以展示。比方说,尽管那些蝙蝠在靠近这张作品边缘的地方呈现几何级的急剧缩小,在双曲空间中,所有蝙蝠的大小其实却是一样大的。之所以会出现这些变形,是因为双曲空间是无法被完全展平的。这也非常类似于地图上的变形,比如世界地图上南北两极会出现较大的比例大小变形,这也是由于地球外形无法被完全展平的缘故。

  然而这并非我们宇宙所具有的样子。对于源自大爆炸的“回声”宇宙微波背景辐射(CMB)的测量以及对遥远的超新星的观测都表明,我们的宇宙是平坦的,而非扭曲变形的。与此同时,由于一种神秘的暗能量的作用,我们的宇宙正处于加速膨胀过程之中。我们并不了解究竟什么是暗能量,以及它究竟从何而来,但是爱因斯坦提出的广义相对论提供了一种数学语言可以来描述这种膨胀。如果将宇宙常数代入广义相对论方程中,我们将得到一个永远膨胀下去的宇宙,当然这个宇宙常数必须是正值。到目前为止,说“我们正处于一个不断膨胀的宇宙中”和说“我们的宇宙常数取的是一个正值”是具有同等含义的。

  然而,还有一些明显的问题。广义相对论可以涵盖宇宙膨胀的内容,但是它无法解释宇宙大爆炸,它也无法将主要描述宏观尺度的引力和描述微观尺度的量子力学统一起来。赫托格说:“这就相当于说,你无法解释我们为什么会生活在我们所生活的这个宇宙中。”

  然后弦理论应运而生。这一理论提供了一种完整描述我们所在宇宙的美丽图景,涵盖了它的整个历史,并且将引力和量子力学统一起来。然而这一理论却更倾向于一个具有负曲率的宇宙:一个具有像埃斯特画作中所体现的那种几何特质的宇宙,一个宇宙常数为负值的宇宙。这让物理学家们陷入困惑:一方面是一个正常运行的宇宙,但是却缺乏可以描述它的理论;另一方面是一个看上去完美的理论,但是却不能描述我们真实所观察到的宇宙。

  现在,霍金,赫托格和来自美国加州大学圣巴巴拉分校的詹姆斯·哈特尔(James Hartle)正尝试建立起沟通两者的桥梁。他们尝试在一个具有负曲率的宇宙模型中产生出加速膨胀。这或许将意味着弦理论最终仍将被证明是可以用来描述我们所观察到的真实宇宙的。这一想法最初源于上世纪80年代霍金与哈特尔两人头脑中的一个构思,即绕开广义相对论的缺陷并试图寻找有关我们这个宇宙的量子图景。

  在量子力学中使用“波函数”的概念来描述一个量子物体所可能具有的所有状态,并赋予其中的每一个状态一个概率值。霍金和哈特尔提出了一个相似的波函数概念来给出大爆炸可能产生不同宇宙的概率值。它可以描述所有可能存在的宇宙,包括太阳系永远无法在其中形成的宇宙,或者在其中生命会按照完全不同的道路演化的宇宙。

  在过去的30多年中,霍金和哈特尔一直在努力尝试将一个具有正值的宇宙常数嵌入他们构建的波函数中,因为这一过程被认为是必要的步骤。但是这样做的代价是牺牲方程的精确性:即便他们成功地做到了这一点,他们所获得的宇宙中的一切也将只能是模糊的,对于真实的近似。

  艰难的平衡

  与此同时,弦理论家们也一直在努力理解一个具有正值宇宙常数的宇宙,因为这样一个宇宙似乎倾向于不稳定。要想构建这样一个宇宙有点像是让一支削尖的铅笔用它的尖头立起来放稳:或许它确实可以站立一会,但是对于这支铅笔来说,这显然不是它的最稳定状态,它的最稳定状态应该是平躺在桌面上,如果一直这样用笔尖站立,迟早它会失去稳定性并倒下。因此相似的,对于弦理论而言,它最适合达成稳定的地方是在埃斯特的作品所构建的那种宇宙中。赫托格说:“如果宇宙具有负曲率,那么弦理论在其中就会舒服的多。”

  然而霍金的最新理论指出,弦理论这一看似缺陷的地方实质上可能是可以让这一理论贴近现实宇宙图景的一种方式。在一篇在线发表的论文中,霍金和同事们描述了他们如何运用他们提出的,采用取负值的宇宙常数的波函数方程得到了一系列不同的宇宙,其中有一部分具备加速膨胀的性质。(论文地址:arxiv.org/abs/1205.3807)

  赫托格表示:“其中有一些宇宙表现出加速膨胀,就像我们的宇宙。”他说:“这表明量子态已经自动涵盖了全部这两种宇宙状态。”对于特定的波函数来说,这些加速膨胀的宇宙甚至可以成为产生几率最大的类型。

  这一理论的关键在于霍金团队构建的波函数可以进一步演化,形成非常类似于弦理论中一种特定方程的形式。这一方程最早是由普林斯顿高等学术研究所的朱安·马尔达西那(Juan Maldacena)在1997年提出的。赫托格说:“两者之间存在某种联系,某种非常微妙的联系。”当霍金的小组看到这两者之间存在的内在联系之后,研究小组决定尝试将两者统一起来并构建一个新的波函数,其中将采用负值的宇宙常数。他们相信这样做的结果将让他们得以借鉴弦理论中所给出的关于宇宙的完美数学图景,并且同样可以获得一个呈现加速膨胀的宇宙。

  但是在实际观测中,我们获得的印象是宇宙是平坦的,这又该如何面对呢?这一点可以用牛顿的经典运动体系和爱因斯坦的相对论体系之间的关系来进行解释。牛顿的运动定律在日常生活中被证明是精确可靠的,而当所考虑的对象是宇宙尺度的宏观运动时,它就让位于爱因斯坦的相对论。同样的,霍金小组认为平坦宇宙模型可以很好的贴合我们所观察到的现实宇宙,但是最终它将让位于一个具有埃斯特画作中那种几何特质的宇宙模型。

  因此,现在就宣称已经解决了有关宇宙本质的问题还为时过早。正如马尔达西那所指出的那样,霍金团队的理论舍弃了弦理论中很大一部分完整内容,如为了解释某些粒子的稳定性而给出的条件。他说:“要是我们只需要对付这些问题,那可真是太棒了。然而我认为,这一理论显然是被过度简化了。我很难看到这一理论将如何被进行扩展,并最终成为一个更加完整的理论体系。”

  对此,赫托格也承认他们的理论并未完成,但是他认为采用取负值的宇宙常数这一做法将最终将他们引导至一个可以描述我们所处宇宙的更加完整的理论。他说:“一条康庄大道已经开启,这是前所未有的。”(晨风)

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