宇宙是如何诞生的?一种理论认为宇宙是通过某种量子机制,比如量子隧穿效应,诞生于虚无之中。
上世纪80年代,物理学家史蒂芬·霍金和詹姆斯·哈特尔进一步发展了这一思想,指出在宇宙诞生之前,时间不存在。这一基础引导他们得到结论,那就是不管是在时间还是空间方面,宇宙都并不存在什么初始边界条件。
然而,要想精确描述一个物理系统如何可以实现从尺度为0,转变为某种有限尺度,将是一大挑战。为了描述其中所涉及的量子效应,物理学家们使用了路径积分表述。量子力学的路径积分表述是一个从经典力学里的作用原则延伸出来对量子物理的一种概括和公式化的方法。
但是,尽管路径积分表述在描述如何让宇宙从虚无当中“无中生有”方面比较成功,实际上,我们观测到的宇宙大体是同质的。这让一部分科学家觉得,所谓的“无边界方案”并不能为我们提供一个精确描述宇宙起源的方案。
在一项最新发表的研究中,德国波茨坦的马克斯普朗克引力物理学研究所的物理学家艾莉丝·迪·图茨以及让·吕克·莱纳斯的研究表明,有办法做到在使用路径积分表述方法的同时,避免出现这种理论上预期的不稳定性,从而为无边界方案提供一个不矛盾的定义。
这项新的方案将数种此前提出用于克服理论中的不稳定问题的想法结合在了一起,他们的工作基本上改变了路径积分方法所定义的空间中的几何特性。
在这项最新研究中,研究者们做出的最大最重要的改变便是对整个几何结构的边界条件进行了改变,从而去除了路径积分中存在的那些不稳定鞍点。
通过展示构建无边界方案的稳定方法,这项结果将有望引发对于宇宙诞生描述方式的重新思考。但是,仍然有诸多问题有待解决。
莱纳斯表示:“未来,我们计划看看,当把弦理论融入进来之后,我们的这项新定义是否仍旧根基牢固。另外,我们还将探索是否存在着其他形式的无边界方案稳定定义。而一个最大的问题仍然存在,那就是:我们的理论是否能够引出一个可以为观测所验证的结论。”(科文)