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間進一步闡述了這一觀點，使他們得出結(jié)論宇宙在時間或空間上都沒有初始邊界條件。這個想法被稱為“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挑戰(zhàn)。為了描述所涉及的量子效應(yīng)，物理學家使用路徑積分公式，其涉及將單個經(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，但一個主要問題是它預(yù)測不穩(wěn)定的擾動，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)，如宇宙學原理所述，路徑積分公式并不能準確描述觀測到的宇宙。這導致一些科學家得出結(jié)論，無邊界提議無法準確描述宇宙的起源。

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，同時仍然提供無邊界提案的一致定義。

“我認為最重要的是，我們的新定義并沒有描述宇宙從完全沒有空間和時間的出現(xiàn)，”萊納斯告訴Phys.org。“相反，我們必須強加以避免不穩(wěn)定性的新數(shù)學條件可以被解釋為已經(jīng)存在已經(jīng)存在的空間和時間的波動。這實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，甚至可能是空間和時間。“

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

但是，大多數(shù)這些鞍點都不穩(wěn)定。物理學家在新論文中做出的最重要的改變之一是修改整個幾何體的邊界條件(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。在新幾何中，路徑積分僅通過一個鞍點，這是穩(wěn)定的，因此避免了不穩(wěn)定性的問題。在這個穩(wěn)定的鞍點處，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，我們計劃看到我們的新定義在結(jié)合弦理論方面是多么強大，這是對量子引力完整理論的最先進嘗試，”Lehners說。“此外，我們計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一無二的。還有一個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。”