宇宙是如何诞生的？量子理论研究取得进展

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从虚无中诞生的，比如量子隧道效应。20世纪80年代，物理学家斯蒂芬·霍金和詹姆斯·哈特进一步发展了这一观点，指出时间在宇宙诞生之前并不存在。这个基础使他们得出结论，宇宙中没有初始边界条件，无论是在时间上还是空间上。这个想法被称为“无边界方案”或“霍金-哈特尔状态”。

然而，准确描述一个物理系统如何从0到有限尺度变化将是一个巨大的挑战。为了描述所涉及的量子效应，物理学家使用了路径积分的表达式。量子力学中的路径积分表达式是从经典力学的作用原理出发，对量子物理的推广和表述。它用两点之间所有路径之和或函数积分获得的量子振幅代替了经典力学中的单路径。

然而，尽管路径积分的表达式在描述如何使宇宙“从无到有”方面相对成功，但根据其原理，其结果将包含一些不稳定的扰动，这表明宇宙将是高度非均匀的和各向异性的。但是在实践中，我们观察的宇宙通常是同质的和各向同性的，也就是说，在所有方向上的观察通常是相似的。结果，根据量子力学的路径积分表达式方法得到的结论与实际观测结果存在偏差，无法准确描述观测到的宇宙。这让一些科学家觉得，所谓的“无边界方案”不能为我们提供一个准确描述宇宙起源的方案。

但是现在，在一项新发表的研究中，德国波茨坦的马克斯·普朗克引力物理研究所(也称为“阿尔伯特·爱因斯坦研究所”)的物理学家爱丽丝·迪·图茨和让-吕克·莱纳斯的工作表明，在使用路径积分表达式方法时，有一种方法可以避免这种理论上预期的不稳定性，从而为无边界方案提供了一个不一致的定义。

莱纳斯说:“我认为我们最大的突破在于我们给出的新定义，它不再把宇宙的诞生描述为完全没有时间和空间。相反，在新的数学框架下，我们可以避免以前的不稳定性。简而言之，我们认为时间和空间都有波动。事实上，这是任何人在研究量子理论时都应该预料到的，因为量子不确定性的原理要求这样的波动或振荡时刻存在，即使是在时间和空间本身中。”

这个新方案结合了几个先前提出的想法来克服理论上的不稳定性。他们的工作基本上改变了路径积分法定义的空间的几何特征。路径积分本质上表达了宇宙在某一时刻的状态。它会穿过一些特定的点(称为“鞍点”)，其效果对应于可能的霍金-哈特状态。

然而，大多数鞍点是不稳定的。在这项最新的研究中，研究人员做出的最大和最重要的改变是改变整个几何结构的边界条件，从而消除路径积分中那些不稳定的鞍点。在新的几何结构中，路径积分过程中只经过一个鞍点，这个鞍点是稳定的，从而避免了原方案固有的不稳定性。在这个稳定的鞍点上，应该存在满足无边界方案定义的霍金-哈特状态。

通过展示一种构建无边界方案的稳定方法，这一结果有望引发对宇宙诞生方式的反思。然而，仍然有许多问题需要解决。

莱纳斯说:“将来，当弦理论被纳入时，我们计划看看我们的新定义是否仍然有坚实的基础。此外，我们还将探讨无边界方案是否有其他形式的稳定性定义。然而，最大的问题仍然存在，那就是，我们的理论是否能够得出一个可以通过观察得到验证的结论。”(晨风)