宇宙是如何誕生的?量子理論研究取得進展

2020-11-30 驅動之家

北京時間6月6日消息，宇宙是如何誕生的？一種理論認為宇宙是通過某種量子機制，比如量子隧穿效應，誕生於虛無之中。在上世紀80年代，物理學家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）和詹姆斯·哈特爾（James Hartle）進一步發展了這一思想，指出在宇宙誕生之前，時間不存在。這一基礎引導他們得到結論，那就是不管是在時間還是空間方面，宇宙都並不存在什麼初始邊界條件。這一思想被稱作「無邊界方案」，或者叫做「霍金-哈特爾狀態」。

然而，要想精確描述一個物理系統如何可以實現從尺度為0，轉變為某種有限尺度，將是一大挑戰。為了描述其中所涉及的量子效應，物理學家們使用了路徑積分表述。量子力學的路徑積分表述是一個從經典力學裡的作用原則延伸出來對量子物理的一種概括和公式化的方法。它以包括兩點間所有路徑的和或泛函積分而得到的量子幅來取代經典力學裡的單一路徑

但是儘管路徑積分表述在描述如何讓宇宙從虛無當中「無中生有」方面比較成功，但按照其原理，其產生的結果中將會包含某種不穩定擾動，這表明宇宙將是高度異質化和各向異性的。但是在實踐中，我們觀測到的宇宙卻大體是同質的，各向同性的，也就是說，各個方向上觀察大體是相似的。那這樣一來，根據量子力學路徑積分表述方法得到的結論就和實際觀測結果之間出現了偏差，它未能準確描述觀測到的宇宙。這讓一部分科學家覺得，所謂的「無邊界方案」並不能為我們提供一個精確描述宇宙起源的方案。

但是現在，在一項最新發表的研究中，德國波茨坦的馬克斯普朗克引力物理學研究所（也叫「阿爾伯特·愛因斯坦研究所」）的物理學家艾莉絲··迪·圖茨（Alice Di Tucci）以及讓·呂克·萊納斯（Jean-Luc Lehners）的工作表明，有辦法做到在使用路徑積分表述方法的同時，避免出現這種理論上預期的不穩定性，從而為無邊界方案提供一個不矛盾的定義。

萊納斯表示：「我想我們最大的突破是在於我們給出的新定義中，不再將宇宙的誕生描述為是從時間與空間完全缺席的情況下出現的。與此相反，在新的數學框架下，我們可以避免出現此前的那種不穩定性。簡單的說，我們認為在時間和空間中本來就存在著波動漲落。這事實上也是任何人在研究量子理論時應當有所預期的現象，因為量子不確定原理要求這種漲落或者震蕩時刻存在，即便在時間和空間本身之中也應該是如此。」

這項新的方案將數種此前提出，用於克服理論中的不穩定問題的想法結合在了一起，他們的工作基本上改變了路徑積分方法所定義的空間中的幾何特性。路徑積分本質上表達的是宇宙在某一特定時刻的狀態，它會越過某些特定的點（稱作「鞍點」），其效果就對應於可能的霍金-哈特爾狀態。

然而，這些鞍點中的大部分都是不穩定的。在這項最新研究中，研究者們做出的最大最重要的改變便是對整個幾何結構的邊界條件進行了改變，從而去除了路徑積分中存在的那些不穩定鞍點。在新的幾何結構中，路徑積分過程中只會經過一個鞍點，而這個鞍點是穩定的，從而避免了原先方案中的內在不穩定性。在這個穩定的鞍點上，應當存在著滿足無邊界方案所定義的霍金-哈特爾狀態。

通過展示構建無邊界方案的穩定方法，這項結果將有望引發對於宇宙誕生描述方式的重新思考。但是，仍然有諸多問題有待解決。

萊納斯表示：「未來，我們計劃看看，當把弦理論融入進來之後，我們的這項新定義是否仍舊根基牢固。另外，我們還將探索，是否存在著其他形式的無邊界方案穩定定義。而一個最大的問題仍然存在，那就是：我們的理論是否能夠引出一個可以為觀測所驗證的結論。」

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#宇宙#量子力學

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