宇宙是如何诞生的量子理论研究取得进展

宇宙诞生之谜，一直是科学家们的焦点。一种引人瞩目的理论提出，宇宙是从虚无中通过某种量子机制，如量子隧穿效应开始的。史蒂芬·霍金和詹姆斯·哈特尔进一步拓展这一思想，指出宇宙诞生前时间不存在，空间与时间的边界在宇宙起源时并无定义，这一思想被称之为“无边界方案”或“霍金-哈特尔状态”。

要描述一个物理系统如何从无到有，从尺度为0转变为有限尺度，是一项巨大的挑战。为此，物理学家们引入了路径积分表述这一量子力学方法，它源于经典力学的作用原则，通过对两点间所有路径的积分来概括和公式化量子效应。路径积分表述在描述宇宙如何从虚无中诞生的过程中，产生了包含不稳定扰动的结果，这意味着宇宙应是高度异质化和各向异性的。

尽管我们的观测显示宇宙大体是同质的、各向同性的，这意味着路径积分表述的理论预测与观测结果之间存在偏差。这让一些科学家质疑“无边界方案”的准确性。研究来自德国波茨坦的马克斯普朗克引力物理学研究所的物理学家艾莉丝迪图茨和让吕克莱纳斯的工作带来了新的希望。他们发现了一种使用路径积分表述时避免理论上的不稳定性的方法。

莱纳斯表示：“我们不再将宇宙的诞生描述为从时间与空间完全缺席的情况下出现。相反，在新数学框架下，我们可以避免之前的不稳定性。简单说，我们认为时间和空间中本就存在波动涨落。”在新的方案中，他们将之前提出的克服理论不稳定问题的想法结合起来，改变了路径积分方法所定义的空间中的几何特性。路径积分表达的是宇宙在特定时刻的状态，它会越过某些点（称为鞍点），这些鞍点中的大部分是不稳定的。研究者们通过对整个几何结构的边界条件进行改变，去除了路径积分中的不稳定鞍点。在新的几何结构中，路径积分只会经过一个稳定的鞍点，从而避免了原先方案中的内在不稳定性。

这项成果有望引发对宇宙诞生描述方式的重新思考。尽管仍有诸多问题待解决，但莱纳斯表示：“我们计划将弦理论融入新定义中，是否存在其他形式的无边界方案稳定定义。最大的问题仍然是：我们的理论是否能够引出一个可以被观测验证的结论。”这一切仍然充满未知，但科学家们不断，以期更接近宇宙的真相。