宇宙是如何誕生的？量子理論研究取得進(jìn)展

新浪科技訊 北京時(shí)間6月6日消息，宇宙是如何誕生的？一種理論認(rèn)為宇宙是通過(guò)某種量子機(jī)制，比如量子隧穿效應(yīng)，誕生于虛無(wú)之中。在上世紀(jì)80年代，物理學(xué)家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）和詹姆斯·哈特爾（James Hartle）進(jìn)一步發(fā)展了這一思想，指出在宇宙誕生之前，時(shí)間不存在。這一基礎(chǔ)引導(dǎo)他們得到結(jié)論，那就是不管是在時(shí)間還是空間方面，宇宙都并不存在什么初始邊界條件。這一思想被稱作“無(wú)邊界方案”，或者叫做“霍金-哈特爾狀態(tài)”。

然而，要想精確描述一個(gè)物理系統(tǒng)如何可以實(shí)現(xiàn)從尺度為0，轉(zhuǎn)變?yōu)槟撤N有限尺度，將是一大挑戰(zhàn)。為了描述其中所涉及的量子效應(yīng)，物理學(xué)家們使用了路徑積分表述。量子力學(xué)的路徑積分表述是一個(gè)從經(jīng)典力學(xué)里的作用原則延伸出來(lái)對(duì)量子物理的一種概括和公式化的方法。它以包括兩點(diǎn)間所有路徑的和或泛函積分而得到的量子幅來(lái)取代經(jīng)典力學(xué)里的單一路徑

但是盡管路徑積分表述在描述如何讓宇宙從虛無(wú)當(dāng)中“無(wú)中生有”方面比較成功，但按照其原理，其產(chǎn)生的結(jié)果中將會(huì)包含某種不穩(wěn)定擾動(dòng)，這表明宇宙將是高度異質(zhì)化和各向異性的。但是在實(shí)踐中，我們觀測(cè)到的宇宙卻大體是同質(zhì)的，各向同性的，也就是說(shuō)，各個(gè)方向上觀察大體是相似的。那這樣一來(lái)，根據(jù)量子力學(xué)路徑積分表述方法得到的結(jié)論就和實(shí)際觀測(cè)結(jié)果之間出現(xiàn)了偏差，它未能準(zhǔn)確描述觀測(cè)到的宇宙。這讓一部分科學(xué)家覺得，所謂的“無(wú)邊界方案”并不能為我們提供一個(gè)精確描述宇宙起源的方案。

但是現(xiàn)在，在一項(xiàng)最新發(fā)表的研究中，德國(guó)波茨坦的馬克斯普朗克引力物理學(xué)研究所（也叫“阿爾伯特·愛因斯坦研究所”）的物理學(xué)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(shí)，避免出現(xiàn)這種理論上預(yù)期的不穩(wěn)定性，從而為無(wú)邊界方案提供一個(gè)不矛盾的定義。

萊納斯表示：“我想我們最大的突破是在于我們給出的新定義中，不再將宇宙的誕生描述為是從時(shí)間與空間完全缺席的情況下出現(xiàn)的。與此相反，在新的數(shù)學(xué)框架下，我們可以避免出現(xiàn)此前的那種不穩(wěn)定性。簡(jiǎn)單的說(shuō)，我們認(rèn)為在時(shí)間和空間中本來(lái)就存在著波動(dòng)漲落。這事實(shí)上也是任何人在研究量子理論時(shí)應(yīng)當(dāng)有所預(yù)期的現(xiàn)象，因?yàn)榱孔硬淮_定原理要求這種漲落或者震蕩時(shí)刻存在，即便在時(shí)間和空間本身之中也應(yīng)該是如此?！?/p>

這項(xiàng)新的方案將數(shù)種此前提出，用于克服理論中的不穩(wěn)定問(wèn)題的想法結(jié)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(zhì)上表達(dá)的是宇宙在某一特定時(shí)刻的狀態(tài)，它會(huì)越過(guò)某些特定的點(diǎn)（稱作“鞍點(diǎn)”），其效果就對(duì)應(yīng)于可能的霍金-哈特爾狀態(tài)。

然而，這些鞍點(diǎn)中的大部分都是不穩(wěn)定的。在這項(xiàng)最新研究中，研究者們做出的最大最重要的改變便是對(duì)整個(gè)幾何結(jié)構(gòu)的邊界條件進(jìn)行了改變，從而去除了路徑積分中存在的那些不穩(wěn)定鞍點(diǎn)。在新的幾何結(jié)構(gòu)中，路徑積分過(guò)程中只會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)鞍點(diǎn)，而這個(gè)鞍點(diǎn)是穩(wěn)定的，從而避免了原先方案中的內(nèi)在不穩(wěn)定性。在這個(gè)穩(wěn)定的鞍點(diǎn)上，應(yīng)當(dāng)存在著滿足無(wú)邊界方案所定義的霍金-哈特爾狀態(tài)。

通過(guò)展示構(gòu)建無(wú)邊界方案的穩(wěn)定方法，這項(xiàng)結(jié)果將有望引發(fā)對(duì)于宇宙誕生描述方式的重新思考。但是，仍然有諸多問(wèn)題有待解決。

萊納斯表示：“未來(lái)，我們計(jì)劃看看，當(dāng)把弦理論融入進(jìn)來(lái)之后，我們的這項(xiàng)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(wú)邊界方案穩(wěn)定定義。而一個(gè)最大的問(wèn)題仍然存在，那就是：我們的理論是否能夠引出一個(gè)可以為觀測(cè)所驗(yàn)證的結(jié)論?！?/p>