最后的论文：霍金没有留下确定的答案

在最新的论文中，霍金和合作者基于弦理论对宇宙的结构进行了全新的预测。他们认为，我们的宇宙不仅是有限的，而且结构也要比目前很多涉及大爆炸的理论所预测的简单得多。同时霍金还对自己此前提出的理论进行了修正，并提出思路去寻找多重宇宙存在的证据。

南方周末特约撰稿 鞠强

2018年3月14日，著名物理学家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在英国剑桥逝世，享年76岁。送别之后，我们突然发现，这位饱受疾病折磨长达半个世纪的科学大师，在生命的最后时刻仍然没有停下对宇宙起源和命运的思考。只是这一次，他并没有给我们留下一个确定的答案。

5月2日，霍金生前完成的最后一篇论文在《高能物理学报》（Journal of High Energy Physics）上发表，合作者是比利时鲁汶大学的教授托马斯·赫托格（Thomas Hertog）。赫托格早年在剑桥大学学习期间，正是在霍金的指导下获得了博士学位，并在此后成为与霍金关系密切的合作者之一。

有限而简洁

在这篇论文中，霍金和赫托格基于弦理论，对宇宙的结构进行了全新的预测。他们认为，我们的宇宙不仅是有限的，而且结构也要比目前很多涉及大爆炸的理论所预测的简单得多。同时在论文中，霍金还对自己此前提出的理论进行了修正，并提出思路去寻找多重宇宙存在的证据。

现代大爆炸理论目前是解释宇宙起源的主流理论，它预测我们身处的这个宇宙来自于暴胀，即在宇宙大爆炸发生后的极短时间内，宇宙以指数形式膨胀。宇宙学家普遍认为，暴胀一旦开始，在宇宙中的某些区域内，它就永远不会停止。在这些区域内，量子效应会使暴胀永远进行下去。所以从整个宇宙来看，暴胀的过程是没有终点的。在这个被称作“永恒暴胀”（eternal inflation）的理论中，我们的可观测宇宙只是一个宜居的“口袋宇宙”（pocket universe），是一个暴胀已经停止而恒星和星系得以形成、生命得以出现的局部区域而已。

在2017年秋天接受采访时，霍金表示：“永恒暴胀理论通常预测我们的宇宙像是一个无限的分形，其中布满被暴胀海洋分隔开的不同的口袋宇宙。一个口袋宇宙中的物理和化学定律可能和另一个口袋宇宙中的定律完全不同，这样就共同组成了一个多重宇宙。”在采访中，霍金表示他不是多重宇宙理论的支持者，“因为如果多重宇宙中不同的宇宙太大甚至是无限大的话，这个理论不可能被检验。”

在这篇新的论文中，霍金和赫托格指出，在大爆炸理论中这样解释永恒暴胀是错误的，原因在于我们此前对广义相对论和量子效应的作用机制理解不当。实际上，永恒暴胀的动力学抹掉了量子物理和经典物理之间的差别，爱因斯坦的理论会在永恒暴胀中失效。他们就此推测，我们的宇宙从整体上看，应该是平滑且有限的，而不是一个分形结构。

如果多重宇宙中宇宙的数量无限多，我们希望找到宇宙中普遍适用的物理定律的努力就是徒劳的，但是这篇论文使情况变得乐观起来，正如赫托格所说：“在我们的理论中，多重宇宙中宇宙的数量是有限的，而且彼此之间十分相似，这让我们看到彻底验证宇宙框架的希望。”剑桥大学的官网也引述了霍金此前对自己这个理论的看法：“我们不仅限于一个单一的宇宙，但是我们的发现意味着多重宇宙中宇宙的数量会少很多。”

这篇论文的理论基础是弦理论。弦理论把构成宇宙的基本元素描述为“振动的弦”，试图借此去调和广义相对论和量子理论之间的冲突。而弦理论中的全息原理认为，一个三维空间的所有性质都可以投影到它的二维边界上。霍金和赫格托从全息原理出发，找到从永恒暴胀的宇宙中投射出时间维度的方法，从而不依赖广义相对论就能解释宇宙的永恒暴胀。

赫托格表示，当我们沿着宇宙演化方向反向回溯的时候，在某一刻我们会到达永恒暴胀的阈值，这一刻之前我们现有的时间概念会完全失效。霍金对于这个问题的研究，可以追溯到三十多年前。

1983年，霍金和加州大学圣塔芭芭拉分校的物理学家詹姆斯·哈特尔（James Hartle）在《物理评论D》（Physical Review D）上发表了一篇名为《宇宙的波函数》（Wave function of the universe）的论文，共同提出了哈特尔-霍金理论，也被称为“无边界理论”（no-boundary theory）。这个理论主要是描述在普朗克时期（Planck epoch）之前宇宙的状态，那是宇宙大爆炸发生后10-43秒内的一个阶段。

经典大爆炸理论中存在一个任何物理规律都不适用的奇点。哈特尔和霍金的理论认为，在大爆炸之前，时间并不存在，宇宙没有诞生的那一刻，所以宇宙不仅在空间上没有初始边界，在时间上同样没有初始边界。这有点类似我们站在北极点，在那里没有限制我们往北走的边界，我们却不能再往北走，因为所有向北的线都相交并结束于这一点。但是在最新的论文中，霍金和赫托格则认为，宇宙是有初始边界的。

质疑和坚持

2017年7月，剑桥大学举办了一次会议，庆祝霍金的75岁生日。在这个会议上，赫托格第一次宣布了这篇论文中的新理论。随后，他们把这篇论文上传到预印本网站arXiv上供同行讨论。2018年3月4日，也就是霍金去世前10天，他们又对这篇论文进行了修订。

值得注意的是，这篇题为《永恒暴胀的平滑结束？》（A smooth exit from eternal inflation?）的论文最后以问号结尾。这说明霍金和赫托格在提出新的看法的同时，也认为这还只是初步的探

讨，目前还无法获得确定的结论。

二人在这篇论文中还对宇宙的终极命运进行了预测，即在所有恒星的能量都消失后，我们的宇宙将陷入无尽的黑暗。针对这个观点，我们也听到了反对的声音。加拿大圆周研究所主任、宇宙学家尼尔·图罗克（Neil Turok）就对霍金为何觉得这个观点有意义而感到困惑。围绕宇宙的未来，物理学家确实还没找到一个具有足够说服力的观点。

多重宇宙理论预言，不同宇宙在诞生和消亡的时候可能会发生相互作用并在彼此留下印记。霍金和赫托格的这篇论文指出我们也许可以通过寻找这些深藏于宇宙中的印记来验证其他宇宙的存在。虽然一些宇宙学家认为我们没办法把论文中的观点付诸观测，但也有不少宇宙学支持这一观点。英国杜伦大学宇宙学教授卡洛斯·弗兰克（Carlos Frenk）认为：“在此之前我们不可能去测量其他的宇宙。在霍金的论文中，最吸引人的观点就是多重宇宙在宇宙的微波背景辐射中留下了印记，而我们可以用空间探测器去测量这种印记。”弗兰克相信，霍金和赫托格的工作是测量多重宇宙的开端。

哈佛大学的天体物理学家阿维·罗布（Avi Loeb）也认为这篇论文具有颠覆性的意义，其中的观点将会在研究早期宇宙的物理学家中引发关注。他有些持怀疑态度的是，霍金和赫托格在论文中使用了一些并不为物理学界广泛接受的假设，因此他觉得还需要关于这个理论的更多细节。北卡罗来纳大学的宇宙学家凯蒂·麦克（Katie Mack）也表示，我们需要在对量子引力有更加深刻的理解之后，才能审视论文中的思路是否有效。

在赫托格看来，他和霍金的观点不一定正确，但是我们有可能获得支持或者推翻这个理论的证据。除了宇宙微波背景辐射，在宇宙诞生之初就出现的原初引力波最有可能被用来验证这个模型。原初引力波的波长超出了目前LIGO探测器的探测范围，所以这种宇宙的涟漪也许可以被欧洲空间局正在研制的引力波天文台LISA听到。不过，由于LISA计划要到2034年才能发射升空，所以我们可能需要很多年才能准确评价霍金在生命的最后时刻所做的努力。

如果科学家在霍金有生之年发现证明论文中的观点的证据，霍金很有可能获得诺贝尔物理学奖。正如赫托格所说：“他经常被提名而且应该得奖，但是他已经永远不可能得奖。”诺贝尔奖是一项重要的荣誉，但是霍金的影响力已经远远超越了诺贝尔奖本身。在我们这个时代，几乎没有哪位诺贝尔奖得主获得如霍金般巨大的声誉。

弗兰克表示：“如果我们真的能够发现多重宇宙的证据的话，那么我们对自己在宇宙中的位置的认识将会被彻底改写。”哥伦布第一次到达新大陆，新旧大陆的人们都仿佛发现了新世界；开普勒太空望远镜发现遥远的类地行星，我们似乎看到了“另一个地球”；如果一个新的宇宙在我们面前露出蛛丝马迹的话，带给人类的震撼实在是远非前二者所能及。当然，我们现在还只是处于理论研究初期，离发现多重宇宙（如果真的存在的话）还非常遥远，我们所处的位置或许只相当于哥伦布的船队从巴罗斯港起锚，或者四百年前伽利略第一次用望远镜观察木星。

霍金和牛顿都是英国人，都曾担任剑桥大学卢卡斯数学教席，都在死后安葬于伦敦威斯敏斯特大教堂，都穷尽一生去理解宇宙并尝试找到背后的物理法则。虽然霍金的成就不及牛顿，但是我们仍然庆幸我们的时代拥有霍金。在最后一篇论文中，霍金留给我们的不是一个答案，而是一束理性的光芒，照耀可能最终归于无尽黑暗的宇宙。这就是他存在过的意义。