量子理論提出「宇宙起源」新模型

宇宙是如何誕生的？

美國天文學家加莫夫和蘇聯物理學家亞歷山大弗里德曼接受並發展了「宇宙大爆炸」思想，於1948年正式提出了宇宙起源的大爆炸理論學說。該學說認為，在200億年以前，宇宙所有天體的物質都集中在了一起，就形成了一個密度極大，溫度高達10^8k的原始火球——奇點。

在奇點基礎，量子理論又給出宇宙「無中生有」的思想，認為宇宙是通過某種量子機制，比如量子隧穿效應，誕生於虛無之中。

上世紀80年代，物理學家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）和詹姆斯·哈特爾（James Hartle）進一步發展了這一思想，提出「無邊界方案」，或者叫做「霍金-哈特爾狀態」。

從廣義上講，時間和能量是有聯繫的，且當能量為零時時間也為零 ，將零代入值的表達式：a i【a代表實數，i代表虛數】，得i，能表達時間的只剩虛數，即虛時間。哈特爾和霍金髮現，如果你假設，宇宙在虛時間裡的過去歷史圖像是所有可能的、恰好和我們現在時刻宇宙相符的這類形狀，而你多多少少用傳統量子力學方式來解釋之，在原則上你會得到整個宇宙唯一的波函數。這樣，你就得到了一個沒有過去的美妙圖畫，宇宙根本不從任何東西產生出來。它是一個自洽的數學結構，所有你真正能說的是宇宙存在。

為了描述一個物理系統如何從尺度為0，轉變為某種有限尺度。物理學家們使用了路徑積分的表述方法。量子力學的路徑積分表述是一個從經典力學裡的作用原則延伸出來對量子物理的一種概括和公式化的方法。它以包括兩點間所有路徑的和或泛函積分而得到的量子幅來取代經典力學裡的單一路徑。

雖然路徑積分表述在描述如何讓宇宙從虛無當中「無中生有」方面比較成功，但按照其原理，它產生的結果中將會包含某種不穩定擾動，這表明宇宙將是高度異質化和各向異性的。然而，我們觀測到的宇宙卻大體是同質的，各向同性的，宇宙各個方向上觀察大體是相似的。這樣一來，根據量子力學路徑積分表述方法得到的結論就和實際觀測結果之間出現了偏差，它未能準確描述觀測到的宇宙。

現在，德國波茨坦的馬克斯普朗克引力物理學研究所的物理學家艾莉絲·迪·圖茨（Alice Di Tucci）以及讓·呂克·萊納斯（Jean-Luc Lehners）提出一項新的方案，新的數學框架下，我們可以避免出現此前的那種不穩定性。該方案給出了新的定義，不再將宇宙的誕生描述為是從時間與空間完全缺席的情況下出現的，認為在時間和空間中本來就存在著波動漲落。量子漲落或者震蕩時刻存在，即便在時間和空間本身之中也是如此。

這項新的方案改變了路徑積分方法所定義的空間中的幾何特性。路徑積分本質上表達的是宇宙在某一特定時刻的狀態，它會越過某些特定的點（稱作「鞍點」），其效果就對應於可能的霍金-哈特爾狀態。然而，這些鞍點中的大部分都是不穩定的。在這項最新研究中，研究者們做出的最大最重要的改變便是對整個幾何結構的邊界條件進行了改變，去除了路徑積分中存在的那些不穩定鞍點。在新的幾何結構中，路徑積分過程中只會經過一個鞍點，而這個鞍點是穩定的，從而避免了原先方案中的內在不穩定性。在這個穩定的鞍點上，應當存在著滿足無邊界方案所定義的霍金-哈特爾狀態。

通過展示構建無邊界方案的穩定方法，這項結果將有望引發對於宇宙誕生描述方式的重新思考。

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