量子理論是現代新興的先進學科,對「宇宙起源」提出了新模型

2020-12-05 晶瑩蘭花力達

美國天文學家加莫夫和蘇聯物理學家亞歷山大弗裡德曼接受並發展了「宇宙大爆炸」思想,於1948年正式提出了宇宙大爆炸理論學說。該學說認為,在200億年以前,宇宙所有天體的物質都集中在了一起,就形成了一個密度極大,溫度高達10^8k的原始火球——奇點。這被認為是宇宙的最原始狀態,在宇宙大爆炸理論之後,量子理論改正了宇宙大爆炸一些缺陷給出宇宙「無中生有」的思想,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。

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,提出「無邊界方案」,或者叫做「霍金-哈特爾狀態」。無邊界方案將時間和能量聯繫在了一起,認為能量為零時,時間也為零 ,將零代入值的表達式:a+i【a代表實數,i代表虛數】,得i,能表達時間的只剩虛數,即虛時間。哈特爾和霍金髮現,如果你假設,宇宙在虛時間裡的過去歷史圖像是所有可能的、恰好和我們現在時刻宇宙相符的這類形狀,而你多多少少用傳統量子力學方式來解釋之,在原則上你會得到整個宇宙唯一的波函數。這樣,你就得到了一個沒有過去的美妙圖畫,宇宙根本不從任何東西產生出來。它是一個自洽的數學結構,所有你真正能說的是宇宙存在。關於宇宙的原始是沒有答案的。

宇宙是如何從尺度為0,轉變為某種有限尺度。物理學家們想了很多辦法,認為最好使用了路徑積分的表述方法。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。解釋宇宙沒有最好的,只有更合適的。

雖然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,但是還是宇宙的虛無狀態,我們人類一無所知,按照其原理,它產生的結果中將會包含某種不穩定擾動,宇宙是不穩定的,這表明宇宙將是高度異質化和各向異性的。這和我們觀測到的宇宙大體是同質的,各向同性的結果有差異,宇宙各個方向上觀察大體是相似的。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。不知道量子理論是否符合我們的宇宙嗎?

為了使量子理論更加適合宇宙的起源,德國波茨坦的馬克斯普朗克引力物理學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)提出一項新的方案,新的數學框架下,我們可以避免出現此前的那種不穩定性。該方案給出了新的定義,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,認為在時間和空間中本來就存在著波動漲落。量子漲落或者震蕩時刻存在,即便在時間和空間本身之中也是如此。

這項新的方案改變了路徑積分方法所定義的空間中的幾何特性。避免了得出的宇宙的不穩定性,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,糾正後的量子「宇宙起源」新模型還是不是很完美,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,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。這是目前為止最合適的宇宙起源模型,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。也許這套方案終有一天會被取代,宇宙的起源很多理論都能解釋,但都不知道那個是對的,遺憾的是宇宙在我們之前誕生,因而我們看不到宇宙起源的演變過程。

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    無邊界條件理論是由劍橋大學著名理論物理學家霍金提出,一種既自洽又自足的無邊界宇宙學。關於宇宙起源的一種觀點是,由於量子效應,如量子隧道效應,宇宙可能從無到有地出現。20世紀80年代,史蒂芬·霍金和詹姆斯·哈特爾進一步闡述了這一觀點,他們提出,在宇宙開始之前,時間並不存在,從而得出結論,宇宙在時間和空間上都沒有初始邊界條件。這個想法被稱為「無邊界條件」或「霍金-哈特爾州」。然而,精確描述物理系統如何從零尺寸過渡到有限尺寸一直是一個挑戰。
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    當然了,並沒有近多少並不意味著我們跟他們一樣,因為在現代科技的幫助下,人類取得的研究成果是看得見、摸得著的。比如說「宇宙大爆炸理論」就是最好的證明。    到今天,我們通過科學的觀察研究,已經知道了古人的判斷是錯誤的,但是要知道古人親身經歷的事情都會判斷錯誤,那麼也就意味著「大爆炸理論」或許也並沒有那麼的正確。    普通人都能夠想明白的問題,科學家們當然也能夠明白。所以隨著科技的不斷進步、觀測和研究宇宙手段的不斷進步,有許多科學家對宇宙起源也提出了不同的看法和理論。
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