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无边界条件:宇宙无边界  

2014-05-30 18:26:53|  分类: 统一场 |  标签: |举报 |字号 订阅

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剑桥大学著名理论物理学家霍金在1981年提出了一种既自洽又自足的无边界宇宙学。在这个理论中,宇宙中的一切在原则上都可以单独地由物理定律预言出来,而宇宙本身是从无中生有而来的(量子意义上)或者没有起源(经典意义上)。

无边界条件

    这个理论建立在广义相对论和量子理论的基础之上,涉及到弯曲时空中的量子场论和量子引力论等多种高深知识。其中给出了著名的无边界猜想或条件:宇宙的边界条件就是它没有边界。无边界条件如果成立,则宇宙自给自足,这意味着宇宙不需要创世上帝或者不存在第一推动。

   宇宙是一个从欧氏空间向洛氏时空的量子转变,从量子态宇宙或宇宙波函数的观点来看,欧氏空间来自绝对的无,这就实现了宇宙的无中生有的思想。这个欧氏空间是一个四维球面。在四维球面转变成洛氏时空的最初阶段,时空是可由德西特度规来描述的暴涨阶段。然后暴涨结束,再接着由大爆炸模型来描写。这个宇宙模型中空间是有限的,但没有边界,被称作闭合的宇宙空间模型。

从霍金提出这个理论之后,几乎所有的量子宇宙学研究都是围绕着这个模型展开。这是因为它的理论框架只对闭合宇宙空间有效。

如果人们不特意对空间引入人为的拓扑结构,则宇宙空间究竟是有限无界的闭合型,还是无限无界的平坦和开放型,取决于当今宇宙中的物质密度产生的引力是否足以使宇宙空间的现有膨胀减缓,以至于使空间停止膨胀,最后再收缩回去。这是关系到宇宙空间是否会重新坍缩或者无限膨胀下去的生死攸关的问题。

发展

1998年之前的宇宙学观测,包括可见的物质以及由星系动力学推断的不可见暗物质,其密度总和约为使宇宙空间停止膨胀的1/3。如此,无限膨胀下去的开放宇宙空间的可能性仍然呈现在人们面前。

可以想象,许多人曾尝试将霍金的封闭宇宙的量子论推广到开放的情形,但始终未能成功。1998年,霍金及剑桥大学理论宇宙学家图鲁克在他们的论文“没有假真空的开放暴涨”中才部分实现了这个愿望。他仍然利用四维球面的欧氏空间,由于四维球面具有最高的对称性,在进行解析延拓时,也可以得到以开放的三维双曲面为空间截面的宇宙。这个三维双曲面空间遵循爱因斯坦方程继续演化下去,宇宙空间就不会重新收缩,这样的演化是一种有始无终的过程。不过这个推广在数学自洽和实验观测上仍然不尽人意;而且从1998年起物理学家们发现宇宙能量成分中68.5%为宇宙学常数或暗能量(剩下的31.5%为普通可见物质和不可见的冷暗物质);无论空间是闭合、平坦还是开放的,空间都将无限膨胀下去,并且还是加速膨胀。

    直到2012年,剑桥大学理论物理学家陈中源严格证明了霍金的无边界猜想,出乎意料的是,不存在量子态宇宙或量子宇宙学,无边界条件在经典意义上成立,这样,宇宙没有边界,没有无中生有,没有创生和毁灭,它彻底自洽自足,仅仅是以有限四维球面的形式存在。由此,宇宙的起源确实是它没有起源,真正从物理上解决了第一推动问题。而且陈还发现了该有限的四维球面宇宙等价于一个无限的四维球体宇宙:整个宇宙本身只是个曲率半径极“小”的四维球面,但在其局部参考系诸如宇宙中所有事物看来,它却是个无限的四维球体,由三维球面空间大爆炸“之前”、过去、现在、未来和时间无限久时的所有空间和事物构成。

      至此,能完整自洽描述宇宙的理论物理学即无边界宇宙学大厦架构基本完毕,不但在数理上无懈可击而且与所有坚实的实验观测完美符合。在这个体系中,弯曲时空中的量子场论和宇宙学常数冷暗物质模型不再是近似的有效理论,而是严格成立。
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