2019-05-30 21:40:02
稳定无边界提议揭示了宇宙的量子起源

关于宇宙如何开始的一个想法是,由于量子效应,宇宙可能已经出现了无中生存,例如量子隧穿。在20世纪80年代,斯蒂芬霍金和詹姆斯哈特尔通过暗示在宇宙开始之前不存在时间进一步阐述了这一观点,使他们得出结论宇宙在时间或空间上都没有初始边界条件。这个想法被称为“无边界提案”或“霍金 - 哈特尔状态”。

然而,精确地描述物理系统如何从零尺寸过渡到有限尺寸一直是一个挑战。为了描述所涉及的量子效应,物理学家使用路径积分公式,其涉及将单个经典轨迹重写为许多可能轨迹上的积分,从而产生量子幅度。

尽管路径积分公式成功地描述了某些东西是如何从无到有而出现的,但一个主要问题是它预测不稳定的扰动,暗示宇宙是高度非均匀的和非各向同性的。由于宇宙已知大致同质和各向同性(意味着它在所有位置和所有方向看起来都相同),如宇宙学原理所述,路径积分公式并不能准确描述观测到的宇宙。这导致一些科学家得出结论,无边界提议无法准确描述宇宙的起源。

现在,在一篇新论文中,德国波茨坦马克斯普朗克引力物理研究所(阿尔伯特爱因斯坦研究所)的物理学家Alice Di Tucci和Jean-Luc Lehners表明,路径积分公式可以避免不稳定的方式使用,同时仍然提供无边界提案的一致定义。

“我认为最重要的是,我们的新定义并没有描述宇宙从完全没有空间和时间的出现,”莱纳斯告诉Phys.org。 “相反,我们必须强加以避免不稳定性的新数学条件可以被解释为已经存在已经存在的空间和时间的波动。这实际上是人们可能期望量子理论在任何情况下,作为量子不确定性原则意味着应该总是存在波动,甚至可能是空间和时间。“

新提案结合了以前建议用来克服不稳定问题的几个想法。他们的工作实质上改变了定义路径积分的空间的几何形状。表示某一时刻宇宙状态的路径积分经过某些称为鞍点的临界点,这些点对应于可能的霍金 - 哈特尔状态。

但是,大多数这些鞍点都不稳定。物理学家在新论文中做出的最重要的改变之一是修改整个几何体的边界条件(通过使用Robin边界条件)从路径积分的路径中移除不稳定的鞍点。在新几何中,路径积分仅通过一个鞍点,这是稳定的,因此避免了不稳定性的问题。在这个稳定的鞍点处,存在满足无边界提议的Hawking-Hartle状态。

通过展示制定无边界提议的稳定方法,结果可能导致重新思考该概念作为对宇宙起源的描述。尽管如此,仍有许多问题存在。

“在未来,我们计划看到我们的新定义在结合弦理论方面是多么强大,这是对量子引力完整理论的最先进尝试,”Lehners说。 “此外,我们计划探讨是否可能存在其他稳定的无边界提案定义,或者我们的新定义是否在某种意义上是独一无二的。还有一个重要的问题是我们是否可以推断出任何可测试/可观察到的后果。”

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