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埃舍尔的《圆形极限Ⅳ》

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  近日在国外许多官方媒体和科学家的个人主页上,讨论最多的一个新观点就是斯蒂芬·霍金提出的那种全新描述宇宙的方式。相比于该理论本身的匪夷所思,科学家们更关心的是:它真的有潜力打造出那“涵盖一切”的物理学终极理论吗?

  据英国《新科学家》在线版、美国《纽约时报》旗下About网站等文章称,当世最鼎鼎大名的物理学家、宇宙学家霍金和他的同事日前在公开的学术论文网ArXiv上登出了一个新理论模型,几乎瞬时就引起了人们的关注与好奇。该理论乍听之下令人迷惑不已——其指出:宇宙空间可能更倾向于是一种复杂的几何形状,扭曲纠缠的特征简直不亚于一幅超现实主义艺术作品,譬如说,荷兰艺术大师埃舍尔的笔下世界。

  但人们也已知道,对宇宙大爆炸残存的“回声”——宇宙背景微波辐射的测量以及对超新星的测定,能得出我们的宇宙是平坦的而非扭曲的这一结论。看似相悖的一切是怎么回事?

  科学家们的“艺术魂魄”

  霍金的观点一抛,先是让埃舍尔的拥趸十分喜悦。

  M·C·埃舍尔,已故荷兰图形艺术家,艺术作品独树一帜。尽管名字生僻,但很多人都对其画作有印象——在平面上循环成了永动机的瀑布、永远也走不到头的楼梯、错了位的建筑……以致经常被当做视觉幻象的典范:画面从各部分看无可挑剔,整体观摩却发现它把我们耳熟能详的物理规律放肆地蹂躏了——那是一个“不可能的世界”。

  矛盾而荒谬,高难度构成,在二维和三维中相互变换,就是埃舍尔最擅长创造的。这位和毕加索同时代的人在艺术国度里自成一派,却被一众科学家引为知己。他画作之魂是数学独有的匀称、精确、规则与循序。也有人认为,埃舍尔代表了非欧几何(广义上泛指一切和欧几里得几何学所不同的几何)的空间感知觉,其基本特征就是空间的弯曲。

  而此次霍金大师“瞄准”的,正是埃舍尔带有非欧几何意味的《圆形极限Ⅳ》这幅作品。

  宇宙形态之“不拘一格”

  自上世纪80年代开始,霍金和他来自加州大学的合作者詹姆斯·哈特尔一直致力于找寻一种描绘整个宇宙量子图景的方法。目前的研究成果,就是这些广受争论的图像,看上去都是由重复出现的碎片所组成的棋盘状花纹,恰似埃舍尔《圆形极限Ⅳ》中那些首尾相连的黑魔鬼蝙蝠和白天使一样。

  尽管《圆形极限Ⅳ》是张平面图形,但是却代表着一种少有被提及的、被称作“双曲空间”的非欧几何学。它就像我们的世界地图——虽然是一张二维平面,事实上却是在描述三维空间中的地球一样。

  有了以上的理解,再参照《圆形极限Ⅳ》来看,虽然图画边缘的蝙蝠,貌似是在按照一定的指数不断变小,但在双曲空间中,它们的大小都是一样的。之所以会呈现出大小不一的变化,在于双曲空间无法在二维平面中展开,只能够以这种扭曲、起伏的类似连绵山峦一样的形态出现。

  而这可能就是霍金给出的宇宙形态,勉强用人类语言描述的话,大概是:多重镶嵌,无限重复,环环相扣。

  哪一个才是真实的?

  但人们有疑惑:为什么这个宇宙并不是我们所知的宇宙的样子?

  我们所知的宇宙,正在不断的膨胀。广义相对论提供了一种数学语言来描述这种加速膨胀——宇宙常数,它今日以暗能量的面目出现在世人面前。当然,该常数是个正值。按《新科学家》的说法,如果你认同“正处于一个不断膨胀中的宇宙”,那就等于认同“宇宙常数为正”。

  但广义相对论也问题不小,它描绘不了宇宙大爆炸本身;也没有很好地解决引力;它和量子论对时间的度量并没有统一标准。

  这期间,弦理论横空出世——为了头脑清醒,我们暂且别理会它是怎么来的,只需知晓它目前的地位就行了——弦理论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论,且能提供一幅宇宙历史的完整图像。换句话说,是“终极理论”最有潜力的候选人。

  然而,弦理论所描绘的宇宙,却有一个负的宇宙常数!

  这才是真正让人头疼的:一方面,我们所能观测到的宇宙运行的还不错,并不需要多加操心,只不过缺乏一个完整的理论来描述它;另一方面,已经有了一个堪称完整的理论,但却不能描述我们看到的宇宙。

  而现在霍金的尝试,就是在一个具有负值宇宙常数的模型中产生出加速膨胀。按论文中所述,其已得到了一系列不同的宇宙,有一部分具备加速膨胀的性质,这或将意味着弦理论是可以用来描述人们所观测到的真实宇宙的。

  至于那个平坦的宇宙模型,霍金团队认为它终将“让位”于埃舍尔画中的奇特几何宇宙,就像从前,进行宇宙尺度的测量时牛顿运动定律渐渐“让位”于相对论一样。

  “终极理论”雏形初现?

  霍金的团队还发现,当使用制作的模型把一个负值的宇宙常数代入宇宙波动函数时,该模型会随着时间的推移而逐渐推演、进化,最终变得与马尔达西那1997年提出的方程非常相似——该方程能去除因额外维度所引起的理解上的复杂性,许多人认为它让弦理论变得更加简单、直观。

  至此,霍金的团队提出了富有见地的研究成果,不过工作尚不可告一段落,反之,更多的问题接踵而来,包括去应对质疑。

  类似于物理学家卢博斯·莫特在自己的博客中指出的,他并不认为霍金的研究与结论是多么地具有决定性。实际上,霍金的理论很有可能被他自己在论文中犯的函数上的错误所否定。

  为About.com撰写物理学指南的安德鲁·齐默尔曼·琼斯认为,许是霍金本人过高的威望影响了人们用公正、平和的态度去看待他的研究。事实上,霍金团队提出的那些模型通常并没有推演到世人所期待的程度。这些模型理论非常新颖,其学术价值还没有经历过整个学界的充分讨论。因而,除非霍金的团队公然宣称我们的宇宙无疑就是具有那种奇异且未经证实的几何结构,否则,不建议过多的口诛笔伐。

  当然,如果这一理论真能被实验结果所验证,进而提出一些在未来同样可被证明的猜想,那么它极有可能意味着人们已在寻找“终极理论”的道路上取得了巨大进步。或许那时,人们将再次发出感叹:宇宙确实不是我们所以为的那样呵……(记者张梦然)