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霍金发现宇宙真实形态 超现实几何体似二维空间

http://www.kexue.com 2012-06-11 09:23:28 腾讯科学  发表评论


霍金证宇宙为几何体

  据国外媒体报道,英国著名的物理学家和宇宙学家斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)在剑桥大学表示,根据一项研究成果我们宇宙的形状可能是一种难以置信的几何图形,更接近于超现实主义的艺术,如同荷兰著名艺术家摩里茨·科奈里斯·埃舍尔(M.C. Escher)创作的图形一样匪夷所思,这一发现可能会让埃舍尔的艺术迷十分喜悦。但是霍金的研究团队认为关于宇宙形状的研究发现以弦理论为依据,而该理论目前仍然还处于假设之中,并未被完全验证。

  探索“宇宙形状”的研究小组使用了数学工具解决扭曲缠绕空间的计算问题,该方法在之前被认为是不可能进行的。如果这个模型成功建立起来,那么我们将可以用它解释宇宙是如何从大爆炸中“撑”起来,并将统一了引力和量子力学。根据位于比利时的天主教鲁汶大学理论物理研究所科学家、霍金研究小组的成员托马斯·埃尔托格(Thomas Hertog)介绍:“我们通过弦理论模型搭建出宇宙的外形,这是一种新的途径。”至于该如何描述这样的形状,我们可以通过观察科奈里斯·埃舍尔艺术家的几何图像来知晓,复杂纠缠的几何模型似乎与我们之前认为的宇宙外形大相径庭。

  如果要用语言来形容宇宙的形状,那么应该是整体呈现多重镶嵌模式,具有无限重复出现的扭曲面,曲面间环环相扣,如同科奈里斯·埃舍尔创作的“圆形极限IV”图案,同时也与美国工程师P.H. Smith(P.H. 史密斯)创作的“史密斯圆图”类似,这些艺术作品都使用了周期性的图形反复镶嵌,使得我们可以在一个有限面积的单位圆中产生无限延展和递增的感觉。尽管这些几何艺术作品都是在以二维空间进行描绘,但是却体现出双曲空间的概念,是一种非欧几何的空间形态。

  从弦理论推出的宇宙外形与我们平时看到的宇宙空间似乎不太一样,而且天文学家在此之前通过精确测量宇宙微波背景辐射和超新星距离,发现我们的宇宙却是平坦的,并没有出现扭曲的迹象。为什么弦理论预测的宇宙外形与实际观测的宇宙空间并不符合呢?科学家认为这可能是因为宇宙中还存在一个神秘的因素在其中扮演着未知作用,它就是暗能量。在暗能量的介入下,宇宙的膨胀速度不断加快,我们目前还不清楚暗能量是什么,以及它是从何而来,但是根据爱因斯坦的广义相对论的数学表达,我们知道其可用于描述宇宙膨胀。

  对此,爱因斯坦他的方程中加入一个常数,其被称为宇宙常数,在哈勃发现红移现象后,相对论方程中的宇宙常数似乎成为了多余,但如果将暗能量引入宇宙加速膨胀的进程中,我们会发现该宇宙常数可能扮演着积极的意义。广义相对论方程能用于解释宇宙,适用范围为大尺度宇宙,但是不能描述宇宙大爆炸,而量子论却只能用于解释粒子级的问题,在没有量子引力论尚未完备之前,这些问题的存在也意味着我们无法预测人类为什么会出现并存在于当前的宇宙中。现阶段的量子引力论的主流观点为弦理论,该理论将量子力学与引力整合到一起。

  我们所掌握仅是一个扭曲的时空、如同科奈里斯·埃舍尔的几何图片般不可思议的宇宙形状解释、还有一个与暗能量有关的宇宙常数。这个局面使得宇宙物理学家颇为为难,一边是我们的宇宙在正常运转着,但是却缺乏完整的理论解释;另一边则是我们提出的理论却不能描述当前的宇宙。现在,史蒂芬霍金、埃尔托格(Hertog)以及加州大学圣巴巴拉分校的宇宙学家詹姆斯·哈特尔(James Hartle)为此搭建了一座桥梁,他们已经通过使用宇宙常数发现了通往解释宇宙加速膨胀的道路,这意味着弦理论可能可以描述我们现在看到的宇宙。从上个世纪八十年代开始,史蒂芬霍金与埃尔托格试图通过寻找量子宇宙的拼图来绕开广义相对论的缺陷。

  史蒂芬霍金与埃尔托格研究的弦理论并非具有统领作用,与宇宙常数为正值的宇宙之间还存在争议,后者被认为是不稳定的。建立这样的宇宙如同将铅笔竖立起来,在铅笔处于最大稳定状态之前可以保持竖立的姿态,但最终还是会倒掉。因此,最成功的弦理论宇宙外形应该如同科奈里斯·埃舍尔的抽象几何,并且与为负数的宇宙常数能互相自洽。而史蒂芬霍金最新的研究表明广义相对论的缺陷可能与弦理论有关。这篇论文由霍金和他的同事埃尔托格进行的关于宇宙“波函数”与负宇宙常数的研究,其中涉及了宇宙加速膨胀之谜。

  一旦他们认为这样的联系被证明是正确的,那么霍金的研究小组则开始尝试将宇宙波函数与负宇宙常数整合到一起,他们有成分的理由认为可以借用由弦理论提供的关于宇宙的数学图形。然而,在以往的观测中,我们的宇宙似乎是平坦的。对于这个疑问,霍金的研究团队认为这就如同牛顿定律可以用来解决我们日常生活遇到的运动问题,但是在宇宙大尺度结构上就需要用到爱因斯坦的方程。

  同理,在我们平常的观测中,都是接触到平坦的宇宙,看到平坦的空间,但最终还是要以类似科奈里斯·埃舍尔的超现实几何形状为准。当然,现在将这份研究成果进行发表显得为时过早,霍金研究小组的科学家希望能提出更为完善的弦理论宇宙模型,现阶段的研究显得过于简化,而接下来的细化扩展将是该理论能否成功的关键。(Everett/编译)

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