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無邊界宇宙
在無邊界宇宙學(xué)這個(gè)理論中，宇宙中的一切在原則上都可以單獨(dú)地由物理定律預(yù)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(gè)理論建立在廣義相對(duì)論和量子理論的基礎(chǔ)之上，涉及到彎曲時(shí)空中的量子場(chǎng)論和量子引力論等多種高深知識(shí)。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?jiǎng)?chuàng)世上帝或者不存在第一推動(dòng)。
愛因斯坦逝世后到現(xiàn)在，理論物理學(xué)家們構(gòu)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(qiáng)力這四種宇宙中的基本相互作用。除了彎曲時(shí)空量子場(chǎng)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(dòng)態(tài)三角剖分理論和熵引力理論等等，把理論物理學(xué)攪得天翻地覆。
在廣義相對(duì)論中，時(shí)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(shí)空彎曲，如此時(shí)空本身就是引力場(chǎng)，也就是引力場(chǎng)背景無關(guān)，引力場(chǎng)就是時(shí)空本身因而不需要提供額外的時(shí)空背景。然而一些量子引力理論對(duì)此持有不同的看法，它們認(rèn)為時(shí)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(shí)空量子或粒子組成的，這些時(shí)空粒子不斷出現(xiàn)和消失，將編織成時(shí)空。
除了彎曲時(shí)空量子場(chǎng)論是在基礎(chǔ)上統(tǒng)一物理學(xué)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?yàn)楦鶕?jù)廣義相對(duì)論，引力的本質(zhì)為時(shí)空彎曲，所以引力量子化其實(shí)也就是時(shí)空量子化，把時(shí)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(dòng)態(tài)三角剖分理論和熵引力理論的時(shí)空都是人為引入的，所以其中的時(shí)空不等于引力場(chǎng)，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(shí)空之外，還因?yàn)楸举|(zhì)上與宇宙學(xué)常數(shù)無法自然兼容而導(dǎo)致了弦景觀或多重宇宙，這樣我們這個(gè)宇宙的存在就只是一種巧合而非物理決定；南非物理學(xué)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(gè)純粹的量子幾何學(xué)理論，物理學(xué)家無法從這個(gè)信息網(wǎng)絡(luò)中導(dǎo)出通常時(shí)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(shí)際上尚未解釋任何基本力或相互作用。其他幾個(gè)理論在面對(duì)現(xiàn)實(shí)宇宙時(shí)則更加麻煩，扭量理論、非交換幾何、因果集理論、因果動(dòng)態(tài)三角剖分理論和熵引力理論都無法導(dǎo)出通常時(shí)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(jià)于低一維度的邊界上的量子場(chǎng)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(jìn)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(xué)家胡安?馬爾達(dá)西那給出了一個(gè)猜想：10維IIB弦理論中的5維反德西特時(shí)空中的量子引力理論等價(jià)于其無限遠(yuǎn)處邊界（4維時(shí)空）上的量子共形場(chǎng)論；但加州大學(xué)物理學(xué)家約瑟夫?波爾欽斯基于2013年指出這個(gè)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(duì)論下的全息原理來否定廣義相對(duì)論。超弦及M理論在數(shù)學(xué)上取得了舉世矚目的成功，代表人物、普林斯頓的物理學(xué)家愛德華?威滕斬獲了1990年的菲爾茲獎(jiǎng)。
無論是天上的普朗克衛(wèi)星觀測(cè)還是地上的大強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)（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(shí)空理論。來自伽馬射線暴的光子波長(zhǎng)極短，因此按道理它們將可以和普朗克尺度大小的時(shí)空量子發(fā)生反應(yīng)，如果這種時(shí)空量子確實(shí)存在，那么伽馬射線暴光子在其長(zhǎng)途跋涉中其路徑應(yīng)當(dāng)會(huì)受到輕微影響，比如速度比長(zhǎng)波長(zhǎng)光子更慢等。但物理學(xué)家羅伯特?涅米洛夫等人2011年的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明，在量子引力論標(biāo)準(zhǔn)下，現(xiàn)實(shí)世界的最高能標(biāo)要比量子引力理論設(shè)定的量子化能標(biāo)即普朗克能量高至少525倍，也即在普朗克尺度引力遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有被量子化，所以不管上面的理論分析，單憑這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在時(shí)空或引力本質(zhì)問題上廣義相對(duì)論是完全正確的。
很多物理學(xué)家認(rèn)為，奇點(diǎn)意味著廣義相對(duì)論不完備，需要量子化引力或時(shí)空。但嚴(yán)格的廣義相對(duì)論場(chǎng)方程還含有宇宙學(xué)常數(shù)項(xiàng)，而具有排斥性“引力”的宇宙學(xué)常數(shù)項(xiàng)可避免奇點(diǎn)的出現(xiàn)。1998年發(fā)現(xiàn)的宇宙空間加速膨脹無疑確認(rèn)了宇宙學(xué)常數(shù)的存在。而且正是量子場(chǎng)論中的虛粒子組成了廣義相對(duì)論中的宇宙學(xué)常數(shù)項(xiàng)，其引力作用為排斥，使空間（加速）膨脹。
既然廣義相對(duì)論沒有問題，量子場(chǎng)論顯然也沒有缺陷，物理學(xué)家就要重新審視整個(gè)物理學(xué)了，從近代物理學(xué)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(gè)鐵球同時(shí)著地”的實(shí)驗(yàn)，不過伽利略的確做過類似的理想斜面實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)后來被物理學(xué)家艾薩克?牛頓在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)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(shí)，總保持靜止?fàn)顟B(tài)或者勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。雖然慣性參考系在牛頓物理體系中無法嚴(yán)格定義，但是這個(gè)定律卻對(duì)后世影響深遠(yuǎn)。
根據(jù)英國物理學(xué)家詹姆斯?麥克斯韋19世紀(jì)提出的麥克斯韋方程組中真空光速是個(gè)常數(shù)這一原理和相對(duì)性原理，愛因斯坦于1905年提出了狹義相對(duì)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(duì)論：引力不是力而是物質(zhì)的能量彎曲了時(shí)空，物質(zhì)在彎曲時(shí)空中自然存在或直線運(yùn)動(dòng)就表現(xiàn)為引力了。后來規(guī)范場(chǎng)化的量子場(chǎng)論則是廣義相對(duì)論在量子世界的推廣：電磁力、弱力和強(qiáng)力本質(zhì)上也不是力，而是規(guī)范場(chǎng)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(duì)應(yīng)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(qiáng)力、弱力或電磁力；規(guī)范場(chǎng)包括強(qiáng)場(chǎng)、弱場(chǎng)和電磁場(chǎng)這三種基本量子場(chǎng)，不同于引力場(chǎng)這種彎曲時(shí)空，它們都由相應(yīng)的量子化規(guī)范玻色子組成，存在于彎曲時(shí)空這個(gè)大背景中，所以物理學(xué)家稱規(guī)范場(chǎng)為內(nèi)空間，量子場(chǎng)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(xué)家陳中源發(fā)現(xiàn)了一個(gè)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(shí)也證明了經(jīng)典宇宙無邊界；接下來就可以重述彎曲時(shí)空量子場(chǎng)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(shí)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(duì)論、量子場(chǎng)論和熱力學(xué)所要表達(dá)的。
簡(jiǎn)介
宇宙是一個(gè)從歐氏空間向洛氏時(shí)空的量子轉(zhuǎn)變，從量子態(tài)宇宙或宇宙波函數(shù)的觀點(diǎn)來看，歐氏空間來自絕對(duì)的無，這就實(shí)現(xiàn)了宇宙的無中生有的思想。這個(gè)歐氏空間是一個(gè)四維球面。在四維球面轉(zhuǎn)變成洛氏時(shí)空的最初階段，時(shí)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(gè)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(gè)理論之后，幾乎所有的量子宇宙學(xué)研究都是圍繞著這個(gè)模型展開。這是因?yàn)樗睦碚摽蚣苤粚?duì)閉合宇宙空間有效。
如果人們不特意對(duì)空間引入人為的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(dāng)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(guān)系到宇宙空間是否會(huì)重新坍縮或者無限膨脹下去的生死攸關(guān)的問題。
發(fā)展
1998年之前的宇宙學(xué)觀測(cè)，包括可見的物質(zhì)以及由星系動(dòng)力學(xué)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(xué)理論宇宙學(xué)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(shí)現(xiàn)了這個(gè)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(duì)稱性，在進(jìn)行解析延拓時(shí)，也可以得到以開放的三維雙曲面為空間截面的宇宙。這個(gè)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(huì)重新收縮，這樣的演化是一種有始無終的過程。不過這個(gè)推廣在數(shù)學(xué)自洽和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)上仍然不盡人意；而且從1998年起物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)宇宙能量成分中68.5%為宇宙學(xué)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(xué)理論物理學(xué)家陳中源通過一個(gè)方程嚴(yán)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(xué)，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(shí)是它沒有起源，真正從物理上解決了第一推動(dòng)問題。而且陳還發(fā)現(xiàn)了該有限的四維球面宇宙等價(jià)于一個(gè)無限的四維球體宇宙：整個(gè)宇宙本身只是個(gè)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(gè)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(shí)間無限久時(shí)的所有空間和事物構(gòu)成。
至此，能完整自洽描述宇宙的理論物理學(xué)即無邊界宇宙學(xué)大廈架構(gòu)基本完畢，不但在數(shù)理上無懈可擊而且與所有堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)符合。在這個(gè)體系中，彎曲時(shí)空中的量子場(chǎng)論和宇宙學(xué)常數(shù)冷暗物質(zhì)模型不再是近似的有效理論，而是嚴(yán)格成立。
彎曲時(shí)空
現(xiàn)在看來，廣義相對(duì)論和量子場(chǎng)論都嚴(yán)格成立，都各自經(jīng)歷了各種實(shí)驗(yàn)與觀測(cè)的嚴(yán)格驗(yàn)證，宇宙中的四種基本相互作用都是彎曲時(shí)空（廣義相對(duì)論描述的引力場(chǎng)）和彎曲內(nèi)空間（量子場(chǎng)論描述的電磁、弱和強(qiáng)三種量子規(guī)范場(chǎng)）中的自然而然，都是微分幾何學(xué)，甚至熱力學(xué)都在彎曲時(shí)空量子場(chǎng)論中作為微分幾何無邊界宇宙學(xué)自動(dòng)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(chǎng)這種彎曲內(nèi)空間要依賴于引力場(chǎng)或者彎曲時(shí)空背景、而且微觀世界通常可以忽略或者不考慮引力場(chǎng)值（在通常情況下，微觀世界的時(shí)空彎曲性微乎其微）。而廣義相對(duì)論和量子場(chǎng)論之間的矛盾，可以用彎曲時(shí)空量子場(chǎng)論（在量子場(chǎng)論中不忽略引力場(chǎng)值或者時(shí)空彎曲性）來自然調(diào)和。
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