Stabilisering af forslaget uden grænser kaster lys over universets kvanteoprindelse

En idé til, hvordan universet begyndte, er, at universet kan være opstået ud af ingenting på grund af en eller anden kvanteeffekt, såsom kvantetunnelering. I 1980'erne, Stephen Hawking og James Hartle uddybede denne idé yderligere ved at antyde, at tiden ikke eksisterede før universets begyndelse, får dem til at konkludere, at universet ikke har nogen indledende grænsebetingelser for hverken tid eller rum. Idéen kaldes "no-boundary-forslaget" eller "Hawking-Hartle-staten."

Imidlertid, præcist at beskrive, hvordan et fysisk system kan gå over fra nul størrelse til en endelig størrelse, har været udfordrende. For at beskrive de involverede kvanteeffekter, fysikere bruger stiintegralformuleringen, som involverer omskrivning af en enkelt klassisk bane som et integral over mange mulige baner, resulterer i en kvanteamplitude.

Selvom stiintegralformuleringen er vellykket til at beskrive, hvordan noget kan opstå fra ingenting, et stort problem er, at det forudsiger ustabile forstyrrelser, antyder, at universet er meget ikke-homogent og ikke-isotropisk. Da universet er kendt for at være omtrent både homogent og isotropisk (hvilket betyder, at det ser ens ud alle steder og fra alle retninger), som anført af det kosmologiske princip, sti-integralformuleringen beskriver ikke nøjagtigt det observerede univers. Dette har fået nogle videnskabsmænd til at konkludere, at forslaget uden grænser ikke kan give en nøjagtig beskrivelse af universets oprindelse.

Nu i et nyt blad, fysikerne Alice Di Tucci og Jean-Luc Lehners ved Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute) i Potsdam, Tyskland, har vist, at stiintegralformuleringen kan bruges på en måde, der undgår ustabilitet, samtidig med at det giver en konsekvent definition af forslaget uden grænser.

"Jeg tror, ​​at den største betydning er, at vores nye definition ikke beskriver universets opståen fra et fuldstændigt fravær af rum og tid, " fortalte Lehners Phys.org . "Hellere, de nye matematiske betingelser, som vi var nødt til at pålægge for at undgå ustabilitet, kan tolkes som, at der allerede eksisterede udsving i rum og tid. Dette er i virkeligheden, hvad man kan forvente af kvanteteori under alle omstændigheder, da kvanteusikkerhedsprincippet indebærer, at der altid skal være udsving, formentlig endda af rum og tid."

Det nye forslag kombinerer flere ideer, der tidligere er blevet foreslået for at overvinde problemet med ustabilitet. Deres arbejde ændrer i det væsentlige geometrien af ​​det rum, over hvilket stiintegralet er defineret. Vejintegralen, som repræsenterer universets tilstand på et bestemt tidspunkt, passerer gennem visse kritiske punkter kaldet sadelpunkter, som svarer til mulige Hawking-Hartle-stater.

Imidlertid, de fleste af disse sadelpunkter er ustabile. En af de vigtigste ændringer, fysikerne lavede i det nye papir, var at ændre grænsebetingelserne på hele geometrien (ved at bruge Robin-grænsebetingelser) for at fjerne de ustabile sadelpunkter fra stientegralets vej. I den nye geometri, stiintegralet passerer kun gennem ét sadelpunkt, som er stabil, undgå derfor problemet med ustabilitet. På dette stabile sadelpunkt, der eksisterer en Hawking-Hartle-stat, der opfylder forslaget uden grænser.

Ved at demonstrere en stabil metode til at formulere forslaget uden grænser, resultaterne kan føre til en gentænkning af ideen som en beskrivelse af universets oprindelse. Stadig, der er mange spørgsmål tilbage.

"I fremtiden planlægger vi at se, hvor robust vores nye definition er, når vi inkorporerer aspekter fra strengteori, som er det mest avancerede forsøg på en fuldstændig teori om kvantetyngdekraften, " sagde Lehners. "Også, vi planlægger at undersøge, om andre stabile definitioner af forslaget uden grænser kan eksistere, eller om vores nye i en eller anden forstand er unik. Og et stort spørgsmål, der er tilbage, er, om vi kunne udlede nogen testbare/observerbare konsekvenser."

© 2019 Science X Network