穩(wěn)定無邊界提議揭示了宇宙的量子起源

關(guān)于宇宙如何開始的一個(gè)想法是，由于量子效應(yīng)，宇宙可能已經(jīng)出現(xiàn)了無中生存，例如量子隧穿。在20世紀(jì)80年代，斯蒂芬霍金和詹姆斯哈特爾通過暗示在宇宙開始之前不存在時(shí)間進(jìn)一步闡述了這一觀點(diǎn)，使他們得出結(jié)論宇宙在時(shí)間或空間上都沒有初始邊界條件。這個(gè)想法被稱為“無邊界提案”或“霍金 - 哈特爾狀態(tài)”。

然而，精確地描述物理系統(tǒng)如何從零尺寸過渡到有限尺寸一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。為了描述所涉及的量子效應(yīng)，物理學(xué)家使用路徑積分公式，其涉及將單個(gè)經(jīng)典軌跡重寫為許多可能軌跡上的積分，從而產(chǎn)生量子幅度。

盡管路徑積分公式成功地描述了某些東西是如何從無到有而出現(xiàn)的，但一個(gè)主要問題是它預(yù)測不穩(wěn)定的擾動(dòng)，暗示宇宙是高度非均勻的和非各向同性的。由于宇宙已知大致同質(zhì)和各向同性(意味著它在所有位置和所有方向看起來都相同)，如宇宙學(xué)原理所述，路徑積分公式并不能準(zhǔn)確描述觀測到的宇宙。這導(dǎo)致一些科學(xué)家得出結(jié)論，無邊界提議無法準(zhǔn)確描述宇宙的起源。

現(xiàn)在，在一篇新論文中，德國波茨坦馬克斯普朗克引力物理研究所(阿爾伯特愛因斯坦研究所)的物理學(xué)家Alice Di Tucci和Jean-Luc Lehners表明，路徑積分公式可以避免不穩(wěn)定的方式使用，同時(shí)仍然提供無邊界提案的一致定義。

“我認(rèn)為最重要的是，我們的新定義并沒有描述宇宙從完全沒有空間和時(shí)間的出現(xiàn)，”萊納斯告訴Phys.org。“相反，我們必須強(qiáng)加以避免不穩(wěn)定性的新數(shù)學(xué)條件可以被解釋為已經(jīng)存在已經(jīng)存在的空間和時(shí)間的波動(dòng)。這實(shí)際上是人們可能期望量子理論在任何情況下，作為量子不確定性原則意味著應(yīng)該總是存在波動(dòng)，甚至可能是空間和時(shí)間。“

新提案結(jié)合了以前建議用來克服不穩(wěn)定問題的幾個(gè)想法。他們的工作實(shí)質(zhì)上改變了定義路徑積分的空間的幾何形狀。表示某一時(shí)刻宇宙狀態(tài)的路徑積分經(jīng)過某些稱為鞍點(diǎn)的臨界點(diǎn)，這些點(diǎn)對應(yīng)于可能的霍金 - 哈特爾狀態(tài)。

但是，大多數(shù)這些鞍點(diǎn)都不穩(wěn)定。物理學(xué)家在新論文中做出的最重要的改變之一是修改整個(gè)幾何體的邊界條件(通過使用Robin邊界條件)從路徑積分的路徑中移除不穩(wěn)定的鞍點(diǎn)。在新幾何中，路徑積分僅通過一個(gè)鞍點(diǎn)，這是穩(wěn)定的，因此避免了不穩(wěn)定性的問題。在這個(gè)穩(wěn)定的鞍點(diǎn)處，存在滿足無邊界提議的Hawking-Hartle狀態(tài)。

通過展示制定無邊界提議的穩(wěn)定方法，結(jié)果可能導(dǎo)致重新思考該概念作為對宇宙起源的描述。盡管如此，仍有許多問題存在。

“在未來，我們計(jì)劃看到我們的新定義在結(jié)合弦理論方面是多么強(qiáng)大，這是對量子引力完整理論的最先進(jìn)嘗試，”Lehners說。“此外，我們計(jì)劃探討是否可能存在其他穩(wěn)定的無邊界提案定義，或者我們的新定義是否在某種意義上是獨(dú)一無二的。還有一個(gè)重要的問題是我們是否可以推斷出任何可測試/可觀察到的后果。”