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霍金的宇宙“无边界假设”受到质疑

发布时间:2019-06-20 发布者:亚洲时报

1981年,史蒂芬·霍金提出了一个开创性的理论,以解释宇宙如何从无到有。但是两年前的一篇论文对此提出了质疑,宇宙学家们纷纷”站队“,这场争论今天仍在继续。


(图源:《国家地理:旅行到宇宙边缘》)

 

一直以来科学家们对宇宙起源都疑惑不解,但他们都面临一个棘手的问题——“在那之前发生了什么?”根据比利时物理学家、天主教教士乔治·勒梅特(George Lemaitre)提出的大爆炸理论,宇宙膨胀之前是一团炽热、高密度的能量,不过对于这最初的能量又来自哪里,没有人能够给出具体的解释。

 

面对无休止的追问,霍金与他的合作伙伴詹姆斯·哈特尔(James Hartle)于1983年发表了一篇论文,提出了“无边界假设”(no-boundary proposal),将宇宙的形状比作羽毛球。羽毛球的最低点直径为零,然后越向上逐渐变宽;同样,根据无边界假设,宇宙从零尺度的一个点光滑膨胀而来。宇宙中的每一个时刻都成为了羽毛球的一个横截面,当我们感知到宇宙膨胀,从一个时刻变化到下一个时刻之间,时间恰恰描述了宇宙在每一个横截面的尺寸之间的关联,以及其他属性(尤其是熵,或者说无序性)之间的相关性。

 

为更好描述这个假设,哈特尔和霍金推导出一个方程,以描述整个“羽毛球”的形状,它被称为宇宙波函数(wave function of the universe),将宇宙的整个过去、未来和现在囊括其中,彻底排除了一切关于所谓种子、创造者或宇宙之前的时间的假设。

 

“在非常早期的宇宙中,我们没有鸟儿,后来才有了鸟儿……在早期宇宙中,我们也没有时间,但是后来就有了时间。” 时年79岁、加州大学教授的哈特尔对“无边界假设”解释道。


霍金与哈特尔,摄于2014年(图源:Cathy Page)

 

霍金和哈特尔的假设从根本上重新定义了时间。将近四十年来,无边界假设也吸引并启迪着物理学家们。但是就在两年前,一篇论文对哈特尔-霍金假设提出了质疑。论文由图罗克和圆周研究所的同事乔布·菲尔德布鲁格(Job Feldbrugge),以及德国马克思·普朗克引力物理学研究所(Max Planck Institute for Gravitational Physics)的让-卢克·莱纳斯(Jean-Luc Lehners)共同撰写,于2017年发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

 

据图罗克表示,根据量子力学理论,宇宙是不可能以他们所假想的方式开始。图罗克与合作者们用新的数学技巧检验了哈特尔和霍金的无边界假设——“宇宙波函数”,他们发现这个假设是失败的,“哈特尔-霍金假设是场灾难,这点似乎无法避免”。

 

该论文的发表随即引起了物理学家们的争议。捍卫“无边界假设”物理学家们声称,图罗克和他同事的推理逻辑是技术性论点;对立者则认为应该努力创造能与之一较高下的量子宇宙学模型,从而避开所谓的“初始陷阱”,同时保持其无边魅力。

 

图罗克团队论文驳斥“无边界假设”的论证点是基于解决路径积分问题的两种选择上。根据费曼方法和微型超空间计算法求解宇宙波函数,计算出不同的两种膨胀理论。这两种主要的膨胀历史理论代表着解决路径积分问题的两种选择。选择一种膨胀历史,积分围线(contour,逐段光滑的简单闭合曲线)面临着抉择。

 

捍卫“无边界假设”物理学家们认为围线不是基本的。他们论证在微型超空间中,只有能够找出好的膨胀历史的围线才有意义。“你能够用各种不同方式进行参数化,但它们在物理学上的意义完全是相同的,没有哪一个会比其他的更有物理意义,” 帝国理工学院(Imperial College London)的乔纳森·哈里维尔说。依据图罗克团队推导出的波动性宇宙,会受到无限性的干扰,也不被量子规律所允许。

 

不管选择哪一条路,宇宙的起源探索仍在继续。对于宇宙波函数的问题“是正确的问题”,著名理论物理学家马尔达西纳说道,“我们是否找到了正确的波函数,以及应该如何理解波函数,这一切都不那么明朗。”

 

责任编辑:杨颖 

亚洲时报 综合自科研圈



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