量子宇宙論

量子宇宙論

20世紀的天文觀測表明,宇宙正處於膨脹的演化過程中。在時間上往過去反推,人們估計在100多億年前宇宙是處於極其緊緻極其熾熱的所謂大爆炸奇性的狀態。宇宙的演化必須服從愛因斯坦引力場方程。但是不同的初始狀態會導致不同的演化。大爆炸奇性從何而來,或者宇宙從何而來的所謂\"第一推動\"問題就擺到了宇宙學家的面前。

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80年代初,科學家們提出了所謂的暴漲宇宙模型。在大統一破缺之後,宇宙有一個以指數形式膨脹的階段。由於這種暴漲,相當任意選取的初始條件都會導致和今天觀察到的宇宙大致相等的結果:宇宙是非常平坦的,均勻的,各向同性的,以及宇宙中物質分布的模式,如星系團星系恆星生命形成等等。
但是人們必須為暴漲理論本身選取一些合適的參數。這樣宇宙初始條件的選取被轉變為這些參數的選擇。人們仍然沒有徹底解決第一推動的問題,只不過是在一定程度上減弱了這個問題的尖銳性而已。

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有限但沒有邊界-封閉宇宙-模型圖有限但沒有邊界-封閉宇宙-模型圖

真正解決第一推動問題的是霍金提出的無邊界條件量子宇宙論。在他的理論中,宇宙的誕生是從一個歐氏空間向洛氏時空的量子轉變,這就實現了宇宙的無中生有的思想。這個歐氏空間是一個四維球。在四維球轉變成洛氏時空的最初階段,時空是可由德西特度規來近似描述的暴漲階段。然後膨脹減緩,再接著由大爆炸模型來描寫。這個宇宙模型中空間是有限的,但沒有邊界,被稱作封閉的宇宙模型。
從霍金1982年提出這個理論之後,幾乎所有的量子宇宙學研究都是圍繞著這個模型展開。這是因為它的理論框架只對封閉宇宙有效。
如果人們不特意對空間引入人為的拓撲結構,則宇宙空間究竟是有限無界的封閉型,還是無限無界的開放型,取決於當今宇宙中的物質密度產生的引力是否足以使宇宙的現有膨脹減緩,以至於使宇宙停止膨脹,最後再收縮回去。這是關係到宇宙是否會重新坍縮或者無限膨脹下去的生死攸關的問題。
可惜迄今的天文觀測,包括可見的物質以及由星系動力學推斷的不可見物質,其密度總和仍然不及使宇宙停止膨脹的1/10。不管將來進一步的努力是否能觀測到更多的物質,無限膨脹下去的開放宇宙的可能性仍然呈現在人們面前。
可以想像,許多人曾嘗試將霍金的封閉宇宙的量子論推廣到開放的情形,但始終未能成功。今年2月5日,霍金及圖魯克在他們的新論文“沒有假真空的開放暴漲”中才部分實現了這個願望。他仍然利用四維球的歐氏空間,由於四維球具有最高的對稱性,在進行解析開拓時,也可以得到以開放的三維雙曲面為空間截面的宇宙。這個三維雙曲面空間遵循愛因斯坦方程繼續演化下去,宇宙就不會重新收縮,這樣的演化是一種有始無終的過程。
霍金髮表了這論文之後立即得到了國際學術界的反響。
封閉宇宙的重新坍縮會把世上的一切再次帶回到極高溫的大擠壓狀態。而開放宇宙的無限膨脹的前景也不甚美妙,宇宙將無限冷卻下去。盡我所知,迄今沒有人構想過如何避免這兩種世界末日的來臨,因為它將發生於極其遙遠的將來。

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