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霍金揭开宇宙真实形状:难以置信的超几何体
霍金揭开宇宙真实形状:难以置信的超几何体
作者:编译/双螺旋 | 2012/6/13 11:51:22 | 浏览:2354 | 评论:0

  我们的宇宙或许有着让超现实主义画家最难以置信的画作一样的几何结构。这是当今世界上最著名的理论物理学家,来自英国剑桥大学的霍金所得出的最新研究结论。

霍金揭开宇宙真实形状:难以置信的超几何体
我们的宇宙正在加速膨胀,由一种人们还完全不了解的神秘“暗能量”所驱动。

霍金揭开宇宙真实形状:难以置信的超几何体
霍金的新宇宙图景是重复排列的形状,正如埃舍尔的画作"圆形极限IV"中的嵌套的蝙蝠和天使一样。虽然这些是平面图,但是它是作为双曲面空间物体的投影图像,很像地图是地球仪的平面投影一样。

霍金揭开宇宙真实形状:难以置信的超几何体
斯蒂芬·霍金

  该发现或许使荷兰画家M.C.埃舍尔(M. C. Escher)的粉丝们感到高兴。霍金的研究团队声称他们的研究为超弦理论(superstring theory)所需要的空间几何结构提供了道路。超弦理论是仍旧停留在假设阶段的最有希望的“万有理论”候选者。他们的计算基于一种数学扭曲(mathematical twist)理论,之前认为是不可能的。如果该结论成立,那么它将能解释宇宙是如何从大爆炸中产生的,同时也能使广义相对论和量子力学得到统一(引力量子化)。

  霍金的一位同事托马斯·赫托格(Thomas Hertog)说:“我们已经有了通向建立超弦理论的新途径。”

  霍金的新宇宙图景是重复排列的形状,正如埃舍尔的画作“圆形极限IV”中的嵌套的蝙蝠和天使一样。虽然这些是平面图,但是它是作为双曲面空间物体的投影图像,很像地图是地球仪的平面投影一样。例如,虽然蝙蝠在平面投影中好像在边缘区域以指数速率在收缩,但是在超空间中它们都还是相同的大小。这些在投影中显得扭曲了的图像是由于双曲空间不能放置在平面中的缘故,因此它们看起来像是扭曲了的马鞍形山地地形图。这些不是我们的宇宙看起来的样子。科学家通过对宇宙大爆炸的回声—“宇宙背景微波辐射”的测量以及对超新星距离的测定,得出了我们宇宙是平坦的而非扭曲的结论。

  我们的宇宙正在加速膨胀,由一种人们还完全不了解的神秘“暗能量”所驱动。我们不知道暗能量是什么以及它来自哪里,但爱因斯坦的广义相对论能为我们提供解释这种加速膨胀的数学语言。一种叫“宇宙学常数”的常数项进入爱因斯坦的引力场方程就能使宇宙永远膨胀下去,但只有这个常数是正号(+)的情况下才行。现在,说我们生活在一个永远膨胀的宇宙当中和说我们宇宙的宇宙学常数是正号是等价的描述。
然而,还有一些悬而未决的难题。广义相对论描绘了当前宇宙的这个层面,但它还是不能描绘宇宙大爆炸本身。广义相对论是在大尺度中起作用的理论,而量子力学则统治着微观世界,这意味着你不能够预测我们为什么生活在这样的宇宙中。

  另一方面,超弦理论提供了一幅宇宙历史的完整图像而且能把引力和量子力学统一起来,但是它所描绘的宇宙有一个负的宇宙学常数。这给理论物理学家留下一个非常难解的问题:一方面我们所观测到的宇宙运行的很好,但缺乏一个完整的理论描述;另一方面有一个完整的理论,但不能描绘真实的宇宙。

  现在,霍金、赫托格和哈特尔提供了一种解决问题的方法。他们发现了能够利用负的宇宙学常数产生加速膨胀宇宙的方法。这意味着超弦理论或许能够完整描绘我们所观测到的宇宙。这项提议是从上世纪80年代霍金和哈特尔为了绕过广义相对论的缺点寻求整个宇宙的量子图像的理论中成长出来的。

  在量子力学中,一种称为“波动方程”的方程描绘了微观粒子所有可能的量子态,每一种量子态都赋予一定的概率。霍金和哈特尔寻找一种类似的波动方程,该方程能够从宇宙大爆炸中产生出不同的宇宙,包括太阳系永远也不能产生的宇宙或其中的生命以非常不同的方式演化的宇宙。

  在过去的30年里,霍金和哈特尔曾经试图在他们的宇宙波动方程中强行插入正的宇宙学常数,因为这被认为是符合我们所观测到的宇宙的。现在他们把负的宇宙学常数引入到波动方程中,看起来能够描绘我们宇宙的产生,同时也为超弦理论的发展提供了帮助。

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