无边界宇宙

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  无边界宇宙学这个理论中,宇宙中的一切在原则上都可以单独地由物理定律预言出来,而宇宙本身是从无中生有而来的(量子意义上)或者没有起源(经典意义上)。

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  无边界宇宙

  爱因斯坦逝世后到现在,理论物理学家们构造了形态各异的理论来统一描述万事万物或者统一描述引力、电磁力、弱力和强力这四种宇宙中的基本相互作用。除了弯曲时空量子场论外,还有超弦及M理论、扭量理论、圈量子引力理论、非交换几何、全息原理、因果集理论、因果动态三角剖分理论和熵引力理论等等,把理论物理学搅得天翻地覆。

  在广义相对论中,时空本质上是光滑或连续的,物质的能量(质量属于能量)使得时空弯曲,如此时空本身就是引力场,也就是引力场背景无关,引力场就是时空本身因而不需要提供额外的时空背景。然而一些量子引力理论对此持有不同的看法,它们认为时空在微观上并不是连续的,而是由大量极其微小的普朗克尺度大小的时空量子或粒子组成的,这些时空粒子不断出现和消失,将编织成时空。

  除了弯曲时空量子场论是在基础上统一物理学之外,其他各种统一理论都无一例外地把引力量子化,从而试图得到无所不能的万物理论;因为根据广义相对论,引力的本质为时空弯曲,所以引力量子化其实也就是时空量子化,把时空量化为普朗克尺度大小的量子单元,这些理论通常被统称为量子引力。有些不足的是,超弦及M理论、扭量理论、圈量子引力理论、非交换几何、因果集理论、因果动态三角剖分理论和熵引力理论的时空都是人为引入的,所以其中的时空不等于引力场,也就是这些理论本质上不包含或解释不了引力。

  超弦及M理论除了人为引入时空之外,还因为本质上与宇宙学常数无法自然兼容而导致了弦景观或多重宇宙,这样我们这个宇宙的存在就只是一种巧合而非物理决定;南非物理学家乔治?埃利斯等人指出多重宇宙已经让超弦及M理论由Theory of Everything(万物理论)变成了Theory of Nothing(万无理论)。圈量子引力理论目前看来只是一个纯粹的量子几何学理论,物理学家无法从这个信息网络中导出通常时空或者万有引力,而且它也没有解释其他任何力,所以圈量子引力理论实际上尚未解释任何基本力或相互作用。其他几个理论在面对现实宇宙时则更加麻烦,扭量理论、非交换几何、因果集理论、因果动态三角剖分理论和熵引力理论都无法导出通常时空或者万有引力。

  来自霍金辐射的全息原理(描述客体的引力理论等价于低一维度的边界上的量子场论,比如黑洞的熵或者信息可用事件视界面积的1/4来记录和度量)是最吸引人的进展,超弦及M理论似乎出现了全息原理,1997年普林斯顿物理学家胡安?马尔达西那给出了一个猜想:10维IIB弦理论中的5维反德西特时空中的量子引力理论等价于其无限远处边界(4维时空)上的量子共形场论;但加州大学物理学家约瑟夫?波尔钦斯基于2013年指出这个猜想似乎完全不合逻辑。而基于全息原理的熵引力理论则在用广义相对论下的全息原理来否定广义相对论。超弦及M理论在数学上取得了举世瞩目的成功,代表人物、普林斯顿的物理学家爱德华?威滕斩获了1990年的菲尔兹奖。

  无论是天上的普朗克卫星观测还是地上的大强子对撞机实验(欧洲核子研究中心的LHC)都不支持上面这些万物理论或量子化时空理论。来自伽马射线暴的光子波长极短,因此按道理它们将可以和普朗克尺度大小的时空量子发生反应,如果这种时空量子确实存在,那么伽马射线暴光子在其长途跋涉中其路径应当会受到轻微影响,比如速度比长波长光子更慢等。但物理学家罗伯特?涅米洛夫等人2011年的实验观测表明,在量子引力论标准下,现实世界的最高能标要比量子引力理论设定的量子化能标即普朗克能量高至少525倍,也即在普朗克尺度引力远远没有被量子化,所以不管上面的理论分析,单凭这个实验结果,在时空或引力本质问题上广义相对论是完全正确的。

  很多物理学家认为,奇点意味着广义相对论不完备,需要量子化引力或时空。但严格的广义相对论场方程还含有宇宙学常数项,而具有排斥性“引力”的宇宙学常数项可避免奇点的出现。1998年发现的宇宙空间加速膨胀无疑确认了宇宙学常数的存在。而且正是量子场论中的虚粒子组成了广义相对论中的宇宙学常数项,其引力作用为排斥,使空间(加速)膨胀。

  既然广义相对论没有问题,量子场论显然也没有缺陷,物理学家就要重新审视整个物理学了,从近代物理学之父伽利略?伽利雷开始。相传伽利略1590年可能在比萨斜塔上做了“两个铁球同时着地”的实验,不过伽利略的确做过类似的理想斜面实验,这个实验后来被物理学家艾萨克?牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中总结成了惯性定律或者牛顿第一定律:物体在没有受到外力作用时,总保持静止状态或者匀速直线运动状态。虽然惯性参考系在牛顿物理体系中无法严格定义,但是这个定律却对后世影响深远。

  根据英国物理学家詹姆斯?麦克斯韦19世纪提出的麦克斯韦方程组中真空光速是个常数这一原理和相对性原理,爱因斯坦于1905年提出了狭义相对论;接着在1915发现了能解释万有引力本质的广义相对论:引力不是力而是物质的能量弯曲了时空,物质在弯曲时空中自然存在或直线运动就表现为引力了。后来规范场化的量子场论则是广义相对论在量子世界的推广:电磁力、弱力和强力本质上也不是力,而是规范场这种弯曲内空间,规范荷(比如电磁荷)使得内空间弯曲,如此带相对应规范荷的粒子或物体就自然地走弯曲内空间中的直线或短程线,这表现为强力、弱力或电磁力;规范场包括强场、弱场和电磁场这三种基本量子场,不同于引力场这种弯曲时空,它们都由相应的量子化规范玻色子组成,存在于弯曲时空这个大背景中,所以物理学家称规范场为内空间,量子场背景依赖。

  同样在剑桥,“牛顿第一定律”以不是定律的新面貌出现了:2012年物理学家陈中源发现了一个方程,有限的四维球面宇宙等于无限的四维球体宇宙,这在证明小曲率半径的无边界宇宙等于无限的大爆炸暴涨宇宙的同时也证明了经典宇宙无边界;接下来就可以重述弯曲时空量子场论了,宇宙无边界意味着宇宙中所有局域参考系都是平等的也即都是惯性参考系,如此宇宙中没有任何基本力,所有定律和定理都是弯曲时空和弯曲内空间中的不是定律的“牛顿第一定律”,或者说宇宙中不存在根本性的规律和限制,一切都是自然而然;这正是广义相对论、量子场论和热力学所要表达的。

  弯曲时空

  现在看来,广义相对论和量子场论都严格成立,都各自经历了各种实验与观测的严格验证,宇宙中的四种基本相互作用都是弯曲时空(广义相对论描述的引力场)和弯曲内空间(量子场论描述的电磁、弱和强三种量子规范场)中的自然而然,都是微分几何学,甚至热力学都在弯曲时空量子场论中作为微分几何无边界宇宙学自动出现(例如黑洞和德西特空间包含的熵或信息等于事件视界面积的1/4)。

  很明显不存在比自然而然更加基本的定律和定理了;宇宙和其中万事万物在根基上都自然而然,而这种自然而然就是物理。物理的本质不是限制而是根基上的自然而然。

  弯曲内空间

  自然界四种基本相互作用的本质都是力几何化,力不是力,只是规范场这种弯曲内空间要依赖于引力场或者弯曲时空背景、而且微观世界通常可以忽略或者不考虑引力场值(在通常情况下,微观世界的时空弯曲性微乎其微)。而广义相对论和量子场论之间的矛盾,可以用弯曲时空量子场论(在量子场论中不忽略引力场值或者时空弯曲性)来自然调和。

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