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宇宙是如何诞生的?量子理论研究取得进展

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[科技前沿] 宇宙是如何诞生的?量子理论研究取得进展

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宇宙是如何诞生的?一种理论认为宇宙是通过某种量子机制,比如量子隧穿效应,诞生于虚无之中。在上世纪80年代,物理学家史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)和詹姆斯·哈特尔(James Hartle)进一步发展了这一思想,指出在宇宙诞生之前,时间不存在。这一基础引导他们得到结论,那就是不管是在时间还是空间方面,宇宙都并不存在什么初始边界条件。这一思想被称作“无边界方案”,或者叫做“霍金-哈特尔状态”。

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然而,要想精确描述一个物理系统如何可以实现从尺度为0,转变为某种有限尺度,将是一大挑战。为了描述其中所涉及的量子效应,物理学家们使用了路径积分表述。量子力学的路径积分表述是一个从经典力学里的作用原则延伸出来对量子物理的一种概括和公式化的方法。它以包括两点间所有路径的和或泛函积分而得到的量子幅来取代经典力学里的单一路径

但是尽管路径积分表述在描述如何让宇宙从虚无当中“无中生有”方面比较成功,但按照其原理,其产生的结果中将会包含某种不稳定扰动,这表明宇宙将是高度异质化和各向异性的。但是在实践中,我们观测到的宇宙却大体是同质的,各向同性的,也就是说,各个方向上观察大体是相似的。那这样一来,根据量子力学路径积分表述方法得到的结论就和实际观测结果之间出现了偏差,它未能准确描述观测到的宇宙。这让一部分科学家觉得,所谓的“无边界方案”并不能为我们提供一个精确描述宇宙起源的方案。

但是现在,在一项最新发表的研究中,德国波茨坦的马克斯普朗克引力物理学研究所(也叫“阿尔伯特·爱因斯坦研究所”)的物理学家艾莉丝··迪·图茨(Alice Di Tucci)以及让·吕克·莱纳斯(Jean-Luc Lehners)的工作表明,有办法做到在使用路径积分表述方法的同时,避免出现这种理论上预期的不稳定性,从而为无边界方案提供一个不矛盾的定义。

莱纳斯表示:“我想我们最大的突破是在于我们给出的新定义中,不再将宇宙的诞生描述为是从时间与空间完全缺席的情况下出现的。与此相反,在新的数学框架下,我们可以避免出现此前的那种不稳定性。简单的说,我们认为在时间和空间中本来就存在着波动涨落。这事实上也是任何人在研究量子理论时应当有所预期的现象,因为量子不确定原理要求这种涨落或者震荡时刻存在,即便在时间和空间本身之中也应该是如此。”

这项新的方案将数种此前提出,用于克服理论中的不稳定问题的想法结合在了一起,他们的工作基本上改变了路径积分方法所定义的空间中的几何特性。路径积分本质上表达的是宇宙在某一特定时刻的状态,它会越过某些特定的点(称作“鞍点”),其效果就对应于可能的霍金-哈特尔状态。

然而,这些鞍点中的大部分都是不稳定的。在这项最新研究中,研究者们做出的最大最重要的改变便是对整个几何结构的边界条件进行了改变,从而去除了路径积分中存在的那些不稳定鞍点。在新的几何结构中,路径积分过程中只会经过一个鞍点,而这个鞍点是稳定的,从而避免了原先方案中的内在不稳定性。在这个稳定的鞍点上,应当存在着满足无边界方案所定义的霍金-哈特尔状态。

通过展示构建无边界方案的稳定方法,这项结果将有望引发对于宇宙诞生描述方式的重新思考。但是,仍然有诸多问题有待解决。

莱纳斯表示:“未来,我们计划看看,当把弦理论融入进来之后,我们的这项新定义是否仍旧根基牢固。另外,我们还将探索,是否存在着其他形式的无边界方案稳定定义。而一个最大的问题仍然存在,那就是:我们的理论是否能够引出一个可以为观测所验证的结论。”

来源:新浪科技  作者:晨风

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