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霍金新理論稱宇宙空間或是復雜幾何形狀
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作者:
soforlee
時間:
2012-6-29 07:59 AM
標題:
霍金新理論稱宇宙空間或是復雜幾何形狀
埃舍爾的《圓形極限Ⅳ》
今日視點
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近日在國外許多官方媒體和科學家的個人主頁上，討論最多的一個新觀點就是斯蒂芬•霍金提出的那種全新描述宇宙的方式。相比于該理論本身的匪夷所思，科學家們更關心的是︰它真的有潛力打造出那「涵蓋一切」的物理學終極理論嗎？
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據英國《新科學家》在線版、美國《紐約時報》旗下About網站等文章稱，當世最鼎鼎大名的物理學家、宇宙學家霍金和他的同事日前在公開的學術論文網ArXiv上登出了一個新理論模型，幾乎瞬時就引起了人們的關注與好奇。該理論乍听之下令人迷惑不已——其指出︰宇宙空間可能更傾向于是一種復雜的幾何形狀，扭曲糾纏的特征簡直不亞于一幅超現實主義藝術作品，譬如說，荷蘭藝術大師埃舍爾的筆下世界。
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但人們也已知道，對宇宙大爆炸殘存的「回聲」——宇宙背景微波輻射的測量以及對超新星的測定，能得出我們的宇宙是平坦的而非扭曲的這一結論。看似相悖的一切是怎麼回事？
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科學家們的「藝術魂魄」
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霍金的觀點一拋，先是讓埃舍爾的擁躉十分喜悅。
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M•C•埃舍爾，已故荷蘭圖形藝術家，藝術作品獨樹一幟。盡管名字生僻，但很多人都對其畫作有印象——在平面上循環成了永動機的瀑布、永遠也走不到頭的樓梯、錯了位的建築……以致經常被當做視覺幻象的典範︰畫面從各部分看無可挑剔，整體觀摩卻發現它把我們耳熟能詳的物理規律放肆地蹂躪了——那是一個「不可能的世界」。
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矛盾而荒謬，高難度構成，在二維和三維中相互變換，就是埃舍爾最擅長創造的。這位和畢加索同時代的人在藝術國度里自成一派，卻被一眾科學家引為知己。他畫作之魂是數學獨有的勻稱、精確、規則與循序。也有人認為，埃舍爾代表了非歐幾何（廣義上泛指一切和歐幾里得幾何學所不同的幾何）的空間感知覺，其基本特征就是空間的彎曲。
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而此次霍金大師「瞄準」的，正是埃舍爾帶有非歐幾何意味的《圓形極限Ⅳ》這幅作品。
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宇宙形態之「不拘一格」
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自上世紀80年代開始，霍金和他來自加州大學的合作者詹姆斯•哈特爾一直致力于找尋一種描繪整個宇宙量子圖景的方法。目前的研究成果，就是這些廣受爭論的圖像，看上去都是由重復出現的碎片所組成的棋盤狀花紋，恰似埃舍爾《圓形極限Ⅳ》中那些首尾相連的黑魔鬼蝙蝠和白天使一樣。
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盡管《圓形極限Ⅳ》是張平面圖形，但是卻代表著一種少有被提及的、被稱作「雙曲空間」的非歐幾何學。它就像我們的世界地圖——雖然是一張二維平面，事實上卻是在描述三維空間中的地球一樣。
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有了以上的理解，再參照《圓形極限Ⅳ》來看，雖然圖畫邊緣的蝙蝠，貌似是在按照一定的指數不斷變小，但在雙曲空間中，它們的大小都是一樣的。之所以會呈現出大小不一的變化，在于雙曲空間無法在二維平面中展開，只能夠以這種扭曲、起伏的類似連綿山巒一樣的形態出現。
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而這可能就是霍金給出的宇宙形態，勉強用人類語言描述的話，大概是︰多重瓖嵌，無限重復，環環相扣。
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哪一個才是真實的？
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但人們有疑惑︰為什麼這個宇宙並不是我們所知的宇宙的樣子？
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我們所知的宇宙，正在不斷的膨脹。廣義相對論提供了一種數學語言來描述這種加速膨脹——宇宙常數，它今日以暗能量的面目出現在世人面前。當然，該常數是個正值。按《新科學家》的說法，如果你認同「正處于一個不斷膨脹中的宇宙」，那就等于認同「宇宙常數為正」。
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但廣義相對論也問題不小，它描繪不了宇宙大爆炸本身；也沒有很好地解決引力；它和量子論對時間的度量並沒有統一標準。
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這期間，弦理論橫空出世——為了頭腦清醒，我們暫且別理會它是怎麼來的，只需知曉它目前的地位就行了——弦理論是現在最有希望將自然界的基本粒子和四種相互作用力統一起來的理論，且能提供一幅宇宙歷史的完整圖像。換句話說，是「終極理論」最有潛力的候選人。
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然而，弦理論所描繪的宇宙，卻有一個負的宇宙常數！
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這才是真正讓人頭疼的︰一方面，我們所能觀測到的宇宙運行的還不錯，並不需要多加操心，只不過缺乏一個完整的理論來描述它；另一方面，已經有了一個堪稱完整的理論，但卻不能描述我們看到的宇宙。
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而現在霍金的嘗試，就是在一個具有負值宇宙常數的模型中產生出加速膨脹。按論文中所述，其已得到了一系列不同的宇宙，有一部分具備加速膨脹的性質，這或將意味著弦理論是可以用來描述人們所觀測到的真實宇宙的。
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至于那個平坦的宇宙模型，霍金團隊認為它終將「讓位」于埃舍爾畫中的奇特幾何宇宙，就像從前，進行宇宙尺度的測量時牛頓運動定律漸漸「讓位」于相對論一樣。
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「終極理論」雛形初現？
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霍金的團隊還發現，當使用制作的模型把一個負值的宇宙常數代入宇宙波動函數時，該模型會隨著時間的推移而逐漸推演、進化，最終變得與馬爾達西那1997年提出的方程非常相似——該方程能去除因額外維度所引起的理解上的復雜性，許多人認為它讓弦理論變得更加簡單、直觀。
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至此，霍金的團隊提出了富有見地的研究成果，不過工作尚不可告一段落，反之，更多的問題接踵而來，包括去應對質疑。
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類似于物理學家盧博斯•莫特在自己的博客中指出的，他並不認為霍金的研究與結論是多麼地具有決定性。實際上，霍金的理論很有可能被他自己在論文中犯的函數上的錯誤所否定。
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為About.com撰寫物理學指南的安德魯•齊默爾曼•瓊斯認為，許是霍金本人過高的威望影響了人們用公正、平和的態度去看待他的研究。事實上，霍金團隊提出的那些模型通常並沒有推演到世人所期待的程度。這些模型理論非常新穎，其學術價值還沒有經歷過整個學界的充分討論。因而，除非霍金的團隊公然宣稱我們的宇宙無疑就是具有那種奇異且未經證實的幾何結構，否則，不建議過多的口誅筆伐。
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當然，如果這一理論真能被實驗結果所驗證，進而提出一些在未來同樣可被證明的猜想，那麼它極有可能意味著人們已在尋找「終極理論」的道路上取得了巨大進步。或許那時，人們將再次發出感嘆︰宇宙確實不是我們所以為的那樣呵……
作者:
kuoyufan
時間:
2012-6-29 04:26 PM
也有人說是 '生命之花' 或 '神聖幾何'
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