難以置信!宇宙是超幾何體? 霍金揭開宇宙真實形狀之秘

宇宙或許有著讓超現實主義畫家最難以置信的畫作一樣的幾何結構。這是當今世界上最著名的理論物理學家,來自英國劍橋大學的霍金所得出的最新研究結論。

大陸新聞中心/綜合報導

據國外媒體報導,我們的宇宙或許有著讓超現實主義畫家最難以置信的畫作一樣的幾何結構。這是當今世界上最著名的理論物理學家,來自英國劍橋大學的霍金所得出的最新研究結論。

根據搜狐IT報導,該發現或許使荷蘭畫家M.C.埃舍爾(M. C. Escher)的粉絲們感到高興。霍金的研究團隊聲稱他們的研究為超弦理論(superstring theory)所需要的空間幾何結構提供了道路。超弦理論是仍舊停留在假設階段的最有希望的『萬有理論』候選者。他們的計算基於一種數學扭曲(mathematical twist)理論,之前認為是不可能的。如果該結論成立,那麼它將能解釋宇宙是如何從大爆炸中產生的,同時也能使廣義相對論和量子力學得到統一(引力量子化)。霍金的一位同事托馬斯·赫托格(Thomas Hertog)說:『我們已經有了通向建立超弦理論的新途徑。』

 我們的宇宙正在加速膨脹,由一種人們還完全不了解的神秘
我們的宇宙正在加速膨脹,由一種人們還完全不了解的神秘”暗能量”所驅動。

霍金的新宇宙圖景是重複排列的形狀,正如埃舍爾的畫作『圓形極限IV』中的嵌套的蝙蝠和天使一樣。雖然這些是平面圖,但是它是作為雙曲面空間物體的投影圖像,很像地圖是地球儀的平面投影一樣。例如,雖然蝙蝠在平面投影中好像在邊緣區域以指數速率在收縮,但是在超空間中它們都還是相同的大小。這些在投影中顯得扭曲了的圖像是由於雙曲空間不能放置在平面中的緣故,因此它們看起來像是扭曲了的馬鞍形山地地形圖。這些不是我們的宇宙看起來的樣子。科學家通過(透過)對宇宙大爆炸的回聲—『宇宙背景微波輻射』的測量以及對超新星距離的測定,得出了我們宇宙是平坦的而非扭曲的結論。

我們的宇宙正在加速膨脹,由一種人們還完全不了解的神秘『暗能量』所驅動。我們不知道暗能量是什麼以及它來自哪裡,但愛因斯坦的廣義相對論能為我們提供解釋這種加速膨脹的數學語言。一種叫『宇宙學常數』的常數項進入愛因斯坦的引力場方程就能使宇宙永遠膨脹下去,但只有這個常數是正號(+)的情況下才行。現在,說我們生活在一個永遠膨脹的宇宙當中和說我們宇宙的宇宙學常數是正號是等價的描述。


霍金的新宇宙圖景是重複排列的形狀,正如埃舍爾的畫作”圓形極限IV”中的嵌套的蝙蝠和天使一樣。雖然這些是平面圖,但是它是作為雙曲面空間物體的投影圖像,很像地圖是地球儀的平面投影一樣。

 

然而,還有一些懸而未決的難題。廣義相對論描繪了當前宇宙的這個層面,但它還是不能描繪宇宙大爆炸本身。廣義相對論是在大尺度中起作用的理論,而量子力學則統治著微觀世界,這意味著你不能夠預測我們為什麼生活在這樣的宇宙中。另一方面,超弦理論提供了一幅宇宙歷史的完整圖像而且能把引力和量子力學統一起來,但是它所描繪的宇宙有一個負的宇宙學常數。這給理論物理學家留下一個非常難解的問題:一方面我們所觀測到的宇宙運行的很好,但缺乏一個完整的理論描述;另一方面有一個完整的理論,但不能描繪真實的宇宙。

現在,霍金、赫托格和哈特爾提供了一種解決問題的方法。他們發現了能夠利用負的宇宙學常數產生加速膨脹宇宙的方法。這意味著超弦理論或許能夠完整描繪我們所觀測到的宇宙。這項提議是從上世紀80年代霍金和哈特爾為了繞過廣義相對論的缺點尋求整個宇宙的量子圖像的理論中成長出來的。在量子力學中,一種稱為『波動方程』的方程描繪了微觀粒子所有可能的量子態,每一種量子態都賦予一定的概率。霍金和哈特爾尋找一種類似的波動方程,該方程能夠從宇宙大爆炸中產生出不同的宇宙,包括太陽系永遠也不能產生的宇宙或其中的生命以非常不同的方式演化的宇宙。

在過去的30年裡,霍金和哈特爾曾經試圖在他們的宇宙波動方程中強行插入正的宇宙學常數,因為這被認為是符合我們所觀測到的宇宙的。現在他們把負的宇宙學常數引入到波動方程中,看起來能夠描繪我們宇宙的產生,同時也為超弦理論的發展提供了幫助。


斯蒂芬·霍金