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宇宙学是否唯一？

作者：Martin Bojowald 文, 葛韶锋 译
注释：From Nature, 受限阅读。

相关网址：http://www.nature.com/nature/journal/v442/n7106/full/442988a.htm ...

摘要/内容：

自从科学诞生以来，对于可以描述一切的单一理论的追求就一直没有停止过，而这正是量子宇宙学（Quantum Cosmology）家们孜孜以求的东西。但追求过程中的一些基本原则正在被推翻。

我们到底是应该默默地忍受厄运的打击，还是奋起反抗并最终把它们终结？——《哈姆雷特》第三幕第一场

哈姆雷特的存在主义苦恼（Existential Agony）总是以不同的形式存在于研究量子引力（Quantum Gravity）的物理学家的头脑中。在这个领域中，很大一部分人认为他们已经处于一个能够获得确定地描述宇宙演化理论的位置。这个理论不仅能够在单一的基础上描述所有形式的物质以及它们之间的相互作用，而且能够融合现代物理学中相互之间看起来并不和谐的两大支柱：描述引力的广义相对论和量子理论。对于这种包容一切的理论存在的信仰成为了过去几十年间发展出来的很多模型——比如统一在所谓的M理论之下的各种弦理论（String Theory）——的推动力量。

但是还存在着另外的一种概念。这就是“解”——而不是“模型”——是唯一的。解对于物理比起对于理论显得更为重要：观察到的现象总是和理论体现的性质而不是和理论的结构相比较。但是找到理论的物理解（Realistic Solution）——也就是能够反映出我们通过观测得到的宇宙性质的解——已经被证明比起构造理论来更为困难。

即使我们折衷地解释所谓的物理解——比如只是要求解能够具有描述宇宙晚期加速膨胀的能力——上述的分析依然是成立的。一旦这样的解能够找到[1]，在弦模型的各种情况下出现[2]。由于现在还没有一条在这些解中进行挑选的有效判据，声称某一种弦理论是唯一的就显得没有什么意义了。

Stephen Hawking和Thomas Hertog[3]在Physical Review D的文章中建议解决这些问题的方案。他们所提出的建议其实早就已经由别人提出过了，并不是他们的新发明，早在上世纪八十年代就由Hawking、James Hartle和其它一些人探讨过了。当时，出发点同样是解的唯一性：特别是，如果量子宇宙学模型能够解释我们看到的宇宙的性质，那么同样也能够解释为什么得到是这个解而不是其它的解。这样的模型就能够和观测相比较，从而使得整个框架可以被检验，也就更具有语言能力。

Hartle和Hawking把他们得到的确定唯一性的条件称为[4]“无边界建议”（No-Boundary Proposal），因为看起来这个条件把时空（Space-Time）的边界给去掉了。按照这种观点，宇宙是一个封闭的表面——就像膨胀的气球的表面——并且没有时间起点。在经典的广义相对论中这样的时空封闭是没有意义的，并由此导致必须引入量子理论的因素。而这反过来可以确定唯一性：虽然存在不止一个可能的封闭，与经典理论不同的是，量子理论可以把它们进行概率叠加（Probabilistic Superposition）而一并处理。类似于Hartle-Harking建议的还有Alexander Vilenkin的建议：宇宙最初是从一个时空都没有定义的量子态中通过隧穿效应产生的；而最近的模型则基于量子引力的新形式。

在他们最近的文章[3]中，Hawking和Hertog修改了他们的无边界建议，加入了新的考虑并且用了一个新的名字：从上而下的宇宙学（Top-Down Cosmology）。在时空图（Space-Time Diagram）中时间的流动方向是从下往上，研究宇宙学的经典模式是从下而上的（图1a）：从过去的初始条件开始，计算随着时间的流逝宇宙学的演化过程，从而得到目前看到的宇宙性质。这种研究的流程往往需要非常特殊的，微调的初始值。而从上而下的研究过程（图1b）中以现在观测到的宇宙性质作为出发点计算宇宙演化的历史，从而避免了这个问题。这个过程应用于不同末态的而不是初始的宇宙态（Universe State）的量子叠加，设定条件选择叠加中的一个与我们的观测相关的历史。这样，并不十分直观的量子叠加就退化到我们观测到的经典宇宙。

经典的从下而上的宇宙学理论同样受到困扰：无穷的能量从广义相对论方程解的一些点中产生出来的时候理论就不再可靠了。这些点就是所谓的奇点（Singularity），我们的宇宙就在大爆炸的时候经历过这样的一个奇点。从可以解释宇宙产生的一个简单初始状态开始，在演化到接近于目前观测到的宇宙状态前，就有可能碰到一个奇点。如果仅仅依赖从上而下这种方案也不能避免这种问题，因为这两种不同的方案中碰到奇点的概率是一样的。但是当与无边界建议结合在一起的时候，从上而下方案就比较安全了：在研究的宇宙演化到奇点之前，这两者结合的效应就能够将奇点关闭掉。在将奇点关闭的时候同样会引入量子理论的因素，并且导致引力的量子描述。

Hawking和Hertog给出的论证并不是完备的，因为他们只是讨论“经典情形下的从下而上方案”与“量子情形下的从上而下方案”之间的区别。这就将奇点问题——这是经典与量子之间的问题——和预言性混合在一起了。第二点则是来自于我们在演化理论的时候使用什么样的前提：初始的或是末态的，这是从下而上和从上而下方案之间的分界线。而从物理上来看则很容易辨别哪一种方案更好：从下而上方案中依赖于实验的初始条件就可以预言末态的观测结果。但是这在宇宙学这个领域显然是不合适的，因为我们没有办法设定宇宙演化的初始条件。Hawking和Hertog的建议实际上是以下方案的激进表述：就是利于描述宇宙的演化过程，比起物理学中任何熟悉的东西而言更加类似于“宇宙历史”的全局方法（更糟的形式见Friedrich Schiller于1789年在德国Jena的就职演说中的阐述[6]）。

文章中还有其它不严密的地方：作者们有时将“从上而下”和“无边界”互换，虽然这两者是不同的概念。这就破坏了一些要求并且对于其它可能的解决方案视而不见：比如对于奇点问题存在更为普遍的解，这些解并不需要从上而下这种求解的过程；此外退相干（Decoherence）理论[7, 8, 9, 10]提供了量子和经典之间转换的更细致的描述，在这种物理过程中，量子叠加态演化成半经典的历史。

Hawking和Hertog展示了几个选定末态条件作为出发点计算宇宙演化历史的例子。目前这种选择是任意的，无法清楚地界定人类条件（Anthropic Condition）——为了我们能够看到人类的存在而必须设定的条件——和宇宙演化中偶然产生但是对于计算又是十分重要的条件之间的差别。存在的可能初始条件越少，理论的预言性就越好。是否被认为是随机的常常是理论上的偏见。不区分在决定末态条件中的随机和其它类型的条件会使得没有办法给出确定的预言，放弃深入地解释会破坏从上而下的求解方案。实际上，如果没有了任何末态条件，我们就回到了退相干的处理方案：这种处理方案试图通过可能产生意外事件但是不会影响整体理论的物理过程描述目前宇宙的产生。

无边界从上而下宇宙学真的会把弦理论变成物理预言的大金矿吗？Hawking和Hertog的文章主要是关于如何只须经过很少的计算就可以通过从上而下的方案解释物理，所以他们的回答仍然是不确定的。很明显地，如果允许在选择末态条件的时候允许太多的不确定性（作者提出，这些不确定性应该包括时空的维数，或是观测到的粒子物理标准模型的性质），那么物理就有可能陷入虚空的循环论证——一个在定义的时候就已经是正确的建议。但是，通过仔细的分析可以看到，宇宙学中从上而下的观点可以作为解释框架很好地检验理论，这会导致损失一部分的解释能力。

Hawking和Hertog的工作同时也展示了一个受欢迎的尝试：结合研究量子引力中不同方案的关键思想。这种交叉的方法很少出现，但是只会提高我们的整体理解。这种努力应该继续下去，正如哈姆雷特所说，这是一个“虔诚地期待着的成功”。


图示说明：(a)从下而上的描述方案：为了得到每一个与现在观测到的宇宙相近的状态，必须设定细微差别的初始状态。(b)从上而下的描述方案：可以通过以现在的宇宙性质作为出发点向前演化得到宇宙的演化历史，从而避免上一种方案所遇到的问题。

这两种方案都可以分别在经典和量子的框架之下进行，但是从上而下的方案更多的是受到了量子宇宙学的推动。在量子情形下从上而下的方案中，从所有可能历史的量子叠加态中挑出合适的导致现今宇宙的历史。于是在这种情形之下，具有唯一性的是理论的解而不是导致解的理论。

参考文献：
[1]Kachru, S. , Kallosh, R. , Linde, A. & Trivedi, S. P. Phys. Rev. D 68, 046005 (2003).
[2]Susskind, L. preprint available at, http://cn.arxiv.org/abs/hep-th/0302219
[3]Hawking, S. W. & Hertog, T. Phys. Rev. D 73, 123527 (2006).
[4]Hartle, J. B. & Hawking, S. W. Phys. Rev. D 28, 2960–2975 (1983).
[5]Vilenkin, A. Phys. Rev. D 30, 509–511 (1984).
[6]Schiller, F. reprinted in Hist. Theor. 11, 321–334 (1972).
[7]Griffiths, R. J. Stat. Phys. 36, 219–272 (1984).
[8]1.Omnès, R. J. Stat. Phys. 53, 893–932 (1988).
[9]Gell-Mann, M. & Hartle, J. B. Phys. Rev. D 47, 3345–3382 (1993).
[10]1.Joos, E. et al. Decoherence and the Appearance of a Classical World in Quantum Theory (Springer, Berlin, 2003).

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Bojowald是当今最天才的人之一，被誉为21世纪的爱因斯坦的候选人之一。

是loop(圈引力)宇宙学中“大爆炸”的创始人。目前好象才30多岁，年轻有为。