無邊界宇宙

　　在無邊界宇宙學這個理論中，宇宙中的一切在原則上都可以單獨地由物理定律預言出來，而宇宙本身是從無中生有而來的（量子意義上）或者沒有起源（經(jīng)典意義上）。以下為小編整理的無邊界宇宙，歡迎閱讀。

　　無邊界宇宙

　　這個理論建立在廣義相對論和量子理論的基礎之上，涉及到彎曲時空中的量子場論和量子引力論等多種高深知識。其中給出了著名的無邊界猜想或條件：宇宙的邊界條件就是它沒有邊界。無邊界條件如果成立，則宇宙自給自足，這意味著宇宙不需要創(chuàng)世上帝或者不存在第一推動。

　　愛因斯坦逝世后到現(xiàn)在，理論物理學家們構造了形態(tài)各異的理論來統(tǒng)一描述萬事萬物或者統(tǒng)一描述引力、電磁力、弱力和強力這四種宇宙中的基本相互作用。除了彎曲時空量子場論外，還有超弦及M理論、扭量理論、圈量子引力理論、非交換幾何、全息原理、因果集理論、因果動態(tài)三角剖分理論和熵引力理論等等，把理論物理學攪得天翻地覆。

　　在廣義相對論中，時空本質(zhì)上是光滑或連續(xù)的，物質(zhì)的能量（質(zhì)量屬于能量）使得時空彎曲，如此時空本身就是引力場，也就是引力場背景無關，引力場就是時空本身因而不需要提供額外的時空背景。然而一些量子引力理論對此持有不同的看法，它們認為時空在微觀上并不是連續(xù)的，而是由大量極其微小的普朗克尺度大小的時空量子或粒子組成的，這些時空粒子不斷出現(xiàn)和消失，將編織成時空。

　　除了彎曲時空量子場論是在基礎上統(tǒng)一物理學之外，其他各種統(tǒng)一理論都無一例外地把引力量子化，從而試圖得到無所不能的萬物理論；因為根據(jù)廣義相對論，引力的本質(zhì)為時空彎曲，所以引力量子化其實也就是時空量子化，把時空量化為普朗克尺度大小的量子單元，這些理論通常被統(tǒng)稱為量子引力。有些不足的是，超弦及M理論、扭量理論、圈量子引力理論、非交換幾何、因果集理論、因果動態(tài)三角剖分理論和熵引力理論的時空都是人為引入的，所以其中的時空不等于引力場，也就是這些理論本質(zhì)上不包含或解釋不了引力。

　　超弦及M理論除了人為引入時空之外，還因為本質(zhì)上與宇宙學常數(shù)無法自然兼容而導致了弦景觀或多重宇宙，這樣我們這個宇宙的存在就只是一種巧合而非物理決定；南非物理學家喬治?埃利斯等人指出多重宇宙已經(jīng)讓超弦及M理論由Theory of Everything（萬物理論）變成了Theory of Nothing（萬無理論）。圈量子引力理論目前看來只是一個純粹的量子幾何學理論，物理學家無法從這個信息網(wǎng)絡中導出通常時空或者萬有引力，而且它也沒有解釋其他任何力，所以圈量子引力理論實際上尚未解釋任何基本力或相互作用。其他幾個理論在面對現(xiàn)實宇宙時則更加麻煩，扭量理論、非交換幾何、因果集理論、因果動態(tài)三角剖分理論和熵引力理論都無法導出通常時空或者萬有引力。

　　來自霍金輻射的全息原理（描述客體的引力理論等價于低一維度的邊界上的量子場論，比如黑洞的熵或者信息可用事件視界面積的1/4來記錄和度量）是最吸引人的進展，超弦及M理論似乎出現(xiàn)了全息原理，1997年普林斯頓物理學家胡安?馬爾達西那給出了一個猜想：10維IIB弦理論中的5維反德西特時空中的量子引力理論等價于其無限遠處邊界（4維時空）上的量子共形場論；但加州大學物理學家約瑟夫?波爾欽斯基于2013年指出這個猜想似乎完全不合邏輯。而基于全息原理的熵引力理論則在用廣義相對論下的全息原理來否定廣義相對論。超弦及M理論在數(shù)學上取得了舉世矚目的成功，代表人物、普林斯頓的物理學家愛德華?威滕斬獲了1990年的菲爾茲獎。

　　無論是天上的普朗克衛(wèi)星觀測還是地上的大強子對撞機實驗（歐洲核子研究中心的LHC）都不支持上面這些萬物理論或量子化時空理論。來自伽馬射線暴的光子波長極短，因此按道理它們將可以和普朗克尺度大小的時空量子發(fā)生反應，如果這種時空量子確實存在，那么伽馬射線暴光子在其長途跋涉中其路徑應當會受到輕微影響，比如速度比長波長光子更慢等。但物理學家羅伯特?涅米洛夫等人2011年的實驗觀測表明，在量子引力論標準下，現(xiàn)實世界的最高能標要比量子引力理論設定的量子化能標即普朗克能量高至少525倍，也即在普朗克尺度引力遠遠沒有被量子化，所以不管上面的理論分析，單憑這個實驗結(jié)果，在時空或引力本質(zhì)問題上廣義相對論是完全正確的。

　　很多物理學家認為，奇點意味著廣義相對論不完備，需要量子化引力或時空。但嚴格的廣義相對論場方程還含有宇宙學常數(shù)項，而具有排斥性“引力”的宇宙學常數(shù)項可避免奇點的出現(xiàn)。1998年發(fā)現(xiàn)的宇宙空間加速膨脹無疑確認了宇宙學常數(shù)的存在。而且正是量子場論中的虛粒子組成了廣義相對論中的宇宙學常數(shù)項，其引力作用為排斥，使空間（加速）膨脹。

　　既然廣義相對論沒有問題，量子場論顯然也沒有缺陷，物理學家就要重新審視整個物理學了，從近代物理學之父伽利略?伽利雷開始。相傳伽利略1590年可能在比薩斜塔上做了“兩個鐵球同時著地”的實驗，不過伽利略的確做過類似的理想斜面實驗，這個實驗后來被物理學家艾薩克?牛頓在1687年出版的《自然哲學的數(shù)學原理》中總結(jié)成了慣性定律或者牛頓第一定律：物體在沒有受到外力作用時，總保持靜止狀態(tài)或者勻速直線運動狀態(tài)。雖然慣性參考系在牛頓物理體系中無法嚴格定義，但是這個定律卻對后世影響深遠。

　　根據(jù)英國物理學家詹姆斯?麥克斯韋19世紀提出的麥克斯韋方程組中真空光速是個常數(shù)這一原理和相對性原理，愛因斯坦于1905年提出了狹義相對論；接著在1915發(fā)現(xiàn)了能解釋萬有引力本質(zhì)的廣義相對論：引力不是力而是物質(zhì)的能量彎曲了時空，物質(zhì)在彎曲時空中自然存在或直線運動就表現(xiàn)為引力了。后來規(guī)范場化的量子場論則是廣義相對論在量子世界的推廣：電磁力、弱力和強力本質(zhì)上也不是力，而是規(guī)范場這種彎曲內(nèi)空間，規(guī)范荷（比如電磁荷）使得內(nèi)空間彎曲，如此帶相對應規(guī)范荷的粒子或物體就自然地走彎曲內(nèi)空間中的直線或短程線，這表現(xiàn)為強力、弱力或電磁力；規(guī)范場包括強場、弱場和電磁場這三種基本量子場，不同于引力場這種彎曲時空，它們都由相應的量子化規(guī)范玻色子組成，存在于彎曲時空這個大背景中，所以物理學家稱規(guī)范場為內(nèi)空間，量子場背景依賴。

　　同樣在劍橋，“牛頓第一定律”以不是定律的新面貌出現(xiàn)了：2012年物理學家陳中源發(fā)現(xiàn)了一個方程，有限的四維球面宇宙等于無限的四維球體宇宙，這在證明小曲率半徑的無邊界宇宙等于無限的大爆炸暴漲宇宙的同時也證明了經(jīng)典宇宙無邊界；接下來就可以重述彎曲時空量子場論了，宇宙無邊界意味著宇宙中所有局域參考系都是平等的也即都是慣性參考系，如此宇宙中沒有任何基本力，所有定律和定理都是彎曲時空和彎曲內(nèi)空間中的不是定律的“牛頓第一定律”，或者說宇宙中不存在根本性的規(guī)律和限制，一切都是自然而然；這正是廣義相對論、量子場論和熱力學所要表達的。

　　簡介

　　宇宙是一個從歐氏空間向洛氏時空的量子轉(zhuǎn)變，從量子態(tài)宇宙或宇宙波函數(shù)的觀點來看，歐氏空間來自絕對的無，這就實現(xiàn)了宇宙的無中生有的思想。這個歐氏空間是一個四維球面。在四維球面轉(zhuǎn)變成洛氏時空的最初階段，時空是可由德西特度規(guī)來描述的暴漲階段。然后暴漲結(jié)束，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，被稱作閉合的宇宙空間模型。

　　從霍金提出這個理論之后，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閉合宇宙空間有效。

　　如果人們不特意對空間引入人為的拓撲結(jié)構，則宇宙空間究竟是有限無界的閉合型，還是無限無界的平坦和開放型，取決于當今宇宙中的物質(zhì)密度產(chǎn)生的引力是否足以使宇宙空間的現(xiàn)有膨脹減緩，以至于使空間停止膨脹，最后再收縮回去。這是關系到宇宙空間是否會重新坍縮或者無限膨脹下去的生死攸關的問題。

　　發(fā)展

　　1998年之前的宇宙學觀測，包括可見的物質(zhì)以及由星系動力學推斷的不可見暗物質(zhì)，其密度總和約為使宇宙空間停止膨脹的1/3。如此，無限膨脹下去的開放宇宙空間的可能性仍然呈現(xiàn)在人們面前。

　　可以想象，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。1998年，霍金及劍橋大學理論宇宙學家圖魯克在他們的論文“沒有假真空的開放暴漲”中才部分實現(xiàn)了這個愿望。他仍然利用四維球面的歐氏空間，由于四維球面具有最高的對稱性，在進行解析延拓時，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(xù)演化下去，宇宙空間就不會重新收縮，這樣的演化是一種有始無終的過程。不過這個推廣在數(shù)學自洽和實驗觀測上仍然不盡人意；而且從1998年起物理學家們發(fā)現(xiàn)宇宙能量成分中68.5%為宇宙學常數(shù)或暗能量（剩下的31.5%為普通可見物質(zhì)和不可見的冷暗物質(zhì)）； 無論空間是閉合、平坦還是開放的，空間都將無限膨脹下去，并且還是加速膨脹。

　　直到2012年，劍橋大學理論物理學家陳中源通過一個方程嚴格證明了霍金的無邊界猜想，出乎意料的是，不存在量子態(tài)宇宙或量子宇宙學，無邊界條件在經(jīng)典意義上成立，這樣，宇宙沒有邊界，沒有無中生有，沒有創(chuàng)生和毀滅，它徹底自洽自足，僅僅是以有限四維球面的形式存在。由此，宇宙的起源確實是它沒有起源，真正從物理上解決了第一推動問題。而且陳還發(fā)現(xiàn)了該有限的四維球面宇宙等價于一個無限的四維球體宇宙：整個宇宙本身只是個曲率半徑極“小”的四維球面，但在其局部參考系諸如宇宙中所有事物看來，它卻是個無限的四維球體，由三維球面空間大爆炸“之前”、過去、現(xiàn)在、未來和時間無限久時的所有空間和事物構成。

　　至此，能完整自洽描述宇宙的理論物理學即無邊界宇宙學大廈架構基本完畢，不但在數(shù)理上無懈可擊而且與所有堅實的實驗觀測符合。在這個體系中，彎曲時空中的量子場論和宇宙學常數(shù)冷暗物質(zhì)模型不再是近似的有效理論，而是嚴格成立。

　　彎曲時空

　　現(xiàn)在看來，廣義相對論和量子場論都嚴格成立，都各自經(jīng)歷了各種實驗與觀測的嚴格驗證，宇宙中的四種基本相互作用都是彎曲時空（廣義相對論描述的引力場）和彎曲內(nèi)空間（量子場論描述的電磁、弱和強三種量子規(guī)范場）中的自然而然，都是微分幾何學，甚至熱力學都在彎曲時空量子場論中作為微分幾何無邊界宇宙學自動出現(xiàn)（例如黑洞和德西特空間包含的熵或信息等于事件視界面積的1/4）。

　　很明顯不存在比自然而然更加基本的定律和定理了；宇宙和其中萬事萬物在根基上都自然而然，而這種自然而然就是物理。物理的本質(zhì)不是限制而是根基上的自然而然。

　　彎曲內(nèi)空間

　　自然界四種基本相互作用的本質(zhì)都是力幾何化，力不是力，只是規(guī)范場這種彎曲內(nèi)空間要依賴于引力場或者彎曲時空背景、而且微觀世界通�？梢院雎曰蛘卟豢紤]引力場值（在通常情況下，微觀世界的時空彎曲性微乎其微）。而廣義相對論和量子場論之間的矛盾，可以用彎曲時空量子場論（在量子場論中不忽略引力場值或者時空彎曲性）來自然調(diào)和。

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