霍金的無邊界宇宙理論為宇宙起源與發展提供了新的研究思考方向

2020-12-26 宇宙與科學

1981年,史蒂芬·霍金展示了他一生中最關鍵的理論之一,這個理論來源於一個問題:宇宙是如何開始的。在演講之前,無論是科學家還是神學家都被問到一個問題,那就是在大爆炸之前發生了什麼?他們的理論我就不說了,因為太多太複雜了,我主要說一下當年霍金的理論,他說宇宙沒有開始也沒有結束。根據梵蒂岡會議的記錄,霍金說:「宇宙的邊界是一個非常特別的概念,還有什麼比沒有邊界的概念更特別的概念了?」

霍金和他經常合作的詹姆斯·哈特在1983年的一篇論文中提出了宇宙無邊界理論,設想宇宙是羽毛球的形狀,就像我的這張配圖。正如羽毛球在其最底部的直徑為零,並在上升的過程中逐漸變寬,根據無邊界的建議,宇宙從零大小的點之後一直在平穩地擴張。霍金和同事推導出了一個描述整個宇宙的公式,也就是宇宙波函數,這同時包含了過去、現在和未來的宇宙,霍金的理論甚至讓思考都變得毫無意義了。

霍金在2016年在教皇學院的另一次演講中說:「根據宇宙無邊界理論,詢問大爆炸之前發生了什麼是毫無意義的,因為沒有時間可供參考,這就像是在問你出生之前做了什麼事情。」也就是說宇宙中的每一個時刻都是一個橫截面,我們人類只是橫截面存在的那個橫截面,雖然我們認為宇宙從這一時刻到下一個時刻仍在膨脹和演化,但時間實際上是由宇宙在每個橫截面上的大小和其他屬性之間的關聯組成的,特別是它的熵。或者是在一開始的宇宙,時間不再存在,取而代之的是純粹的空間。

1915年,阿爾伯特·愛因斯坦發現物質或能量的集中會扭曲時空結構,20世紀60年代,霍金和牛津大學的物理學家羅傑·彭羅斯證明,當時引力結構足夠強大時,比如在黑洞內部,或者在大爆炸期間,它不可避免地會崩潰,成為一個奇點,在那裡愛因斯坦的方程會崩潰,需要一種新的量子引力理論。霍金的奇點定理意味著沒有辦法讓時空在某一點上平穩地開始,因此,霍金和哈特開始思考宇宙起源於純空間而不是動態時空的可能性。

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