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2019-10-28 投稿人 : dsqclr.com 围观 : 1974 次

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由于已知宇宙是近似均匀和各向同性的(意味着它在所有位置和方向上看起来都是一样的),路径积分公式不能如宇宙学原理中所述精确地描述观测到的宇宙。这导致一些科学家得出结论,无界条件理论不能准确描述宇宙的起源。

现在在一篇新的研究论文中,德国波茨坦马克斯普朗克重力物理研究所的物理学家爱丽丝迪图奇(Alice Di Tucci)和让-吕克莱纳(Jean-Luc Lehners)已经证明了路径积分公式可以在没有不稳定性的情况下使用,同时仍然提供了没有边界条件的一致定义。

路径积分代表宇宙在某一时刻的状态。它通过一些被称为鞍点的临界点,这些临界点对应于可能的霍金-哈特尔或“无边界”状态。然而,大多数鞍点是不稳定的。物理学家在这篇新论文中所做的最重要的改变之一是修改整个几何的边界条件(通过使用罗宾边界条件)以从路径积分的路径中去除不稳定的鞍点。

在新几何中,路径积分只通过一个稳定的鞍点,从而避免了不稳定。在这个稳定的鞍点,有一个霍金-哈特尔或“无边界条件”状态不满足边界条件。

这项研究证明,所有从零维宇宙的总和导致不稳定的鞍点几何。在重力是正宇宙常数的条件下,具有特定无界条件族的路径积分克服了这个问题。这些路径积分具有明显的收敛性,与稳定的哈特-霍金鞍点几何相似。非壳几何图形不是从零尺寸开始的。无边界条件可以解释为欧几里德动量的初始状态,初始量级和动量之间存在量子不确定性。

无边界条件理论是剑桥大学着名理论物理学家霍金提出的自洽自足的无边界宇宙学。关于宇宙起源的一种观点是,由于量子效应,例如量子隧道效应,宇宙可能会从头开始出现。20世纪80年代,斯蒂芬霍金和詹姆斯哈特进一步阐述了这一观点。他们提出时间在宇宙开始之前不存在,从而得出宇宙在时间和空间上没有初始边界条件的结论。

由于已知宇宙是近似均匀和各向同性的(意味着它在所有位置和方向上看起来都是一样的),路径积分公式不能如宇宙学原理中所述精确地描述观测到的宇宙。这导致一些科学家得出结论,无界条件理论不能准确描述宇宙的起源。

现在在一篇新研究论文中,德国波茨坦的马克斯普朗克引力物理研究所物理学家Alice Di Tucci和Jean-Luc Lehners已经证明,路径积分公式可以在避免不稳定性的情况下使用,同时仍然提供了无边界条件的一致定义。

(博科园-图示)橙色虚线表示,描述宇宙随时间变化状态的路径积分只经过一个鞍点,鞍点是稳定的。图片:Di Tucci and Lehners.2019 American Physical Society

物理学家Lehners说:我认为最重要的是,新定义没有描述宇宙从完全没有空间和时间的情况下出现。相反,我们为避免不稳定性而必须施加的新数学条件,可以被解释为空间和时间已经存在波动。这实际上是人们在任何情况下都可以从量子理论中期待的,因为量子不确定性原理意味着应该总是有波动,甚至可能是空间和时间的波动。新提议结合了先前提出克服不稳定性问题的几个想法。其研究本质上改变了定义路径积分的空间的几何形状。

路径积分表示宇宙在某一时刻的状态,它通过一些称为鞍点的临界点,鞍点对应于可能的霍金-哈特尔或“无边界条件”状态。然而,大多数鞍点是不稳定的。物理学家在这篇新论文中所做的最重要的改变之一是修改了整个几何上的边界条件(通过使用Robin边界条件),从路径积分的路径中去除不稳定的鞍点。

在新的几何中,路径积分只通过一个鞍点,鞍点是稳定的,从而避免了不稳定性问题。在这个稳定鞍点处,存在一个满足无边界条件的霍金-哈特尔或“无边界条件”状态。

通过证明一种稳定的方法来制定无边界条件理论,结果可能导致重新思考作为宇宙起源的描述的想法,然而,仍然有许多问题。在未来,Lehners等物理学家计划看看新定义在融合弦理论的各个方面时有多稳定。弦理论是对完整量子引力理论的最先进尝试。此外,计划探讨是否存在其他稳定的无边界理论定义,或新理论在某种意义上是否独特。剩下的一个大问题是,我们能否推断出任何可测试/可观察的结果?

本研究证明了从零尺寸开始的所有宇宙的和导致了不稳定的鞍点几何。在引力为正的宇宙常数的情况下,具有特定一族无边界条件的路径积分克服了这个问题。这些路径积分具有明显的收敛性,近似于稳定的哈特-霍金鞍点几何。非壳层几何结构不会以零尺寸开始。无边界条件可以解释为具有欧几里德动量的初始状态,初始大小与动量之间存在量子不确定性。

博科园|Copyright Science Advances/Lisa Zyga,Phys

参考期刊 《物理评论快报》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.

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