Стабилизация состояния Хокинга-Хартла проливает свет на происхождение Вселенной

Одна идея о том, как возникла Вселенная, состоит в том, что Вселенная могла появиться из ничего из-за квантового эффекта, известного как квантовое туннелирование. В 1980-х годах Стивен Хокинг и Джеймс Хартл развили эту идею, предположив, что время не существовало до начала Вселенной, что привело их к заключению, что Вселенная не имеет начальных граничных условий ни во времени, ни в пространстве. Эта идея называется «безграничным предложением» или «состоянием Хокинга-Хартла».

Однако точное описание того, как физическая система может перейти от нулевого размера к конечному, было сложной задачей. Чтобы описать квантовые эффекты, физики используют формулировку интеграла по траектории, которая включает переписывание одной классической траектории в качестве интеграла по многим возможным траекториям, что приводит к квантовой амплитуде.

Хотя формулировка интеграла по траектории является успешной при описании того, как что-то может появиться из ничего, одной из основных проблем является то, что она предсказывает нестабильные возмущения, подразумевая, что Вселенная крайне неоднородна и неизотропна.

Поскольку известно, что Вселенная приблизительно гомогенная и изотропная (имеется в виду, что она выглядит одинаково во всех местах и ​​со всех сторон), как указано в космологическом принципе, формулировка интеграла по траектории не точно описывает наблюдаемую Вселенную. Это привело некоторых ученых к выводу, что безграничное предложение не может дать точного описания происхождения Вселенной.

И вот теперь в новой статье физики из Института им. Макса Планка, Германия, показали, что формула интеграла по траектории может использоваться таким образом, чтобы избежать нестабильностей, все еще обеспечивая последовательное определение безграничного предложения.

«Я думаю, что самое большое значение состоит в том, что наше новое определение не описывает возникновение вселенной из полного отсутствия пространства и времени», — сказал Жан-Люк Ленерс. «Скорее, новые математические условия, которые нам пришлось наложить, чтобы избежать нестабильностей, можно интерпретировать как высказывание о том, что уже существуют колебания пространства и времени. Это фактически то, чего можно ожидать от квантовой теории в любом случае, как квантовой принцип неопределенности подразумевает, что всегда должны быть колебания, предположительно даже пространства и времени».

Новое предложение объединяет несколько идей, которые ранее предлагались для преодоления проблемы с нестабильностью. Их работа существенно меняет геометрию пространства, по которому определяется интеграл по траекториям. Интеграл, который представляет состояние вселенной в определенное время, проходит через определенные критические точки, называемые «седловыми» точками, которые соответствуют возможным состояниям Хокинга-Хартла.

Однако большинство этих седловых точек нестабильны. Одним из наиболее важных изменений, сделанных физиками в новой статье, было изменение граничных условий для всей геометрии (с помощью граничных условий Робина) для удаления неустойчивых седловых точек с пути интеграла по траектории. В новой геометрии интеграл проходит только через одну седловую точку, которая является стабильной, что позволяет избежать проблемы с неустойчивостями. В этой устойчивой седловой точке существует состояние Хокинга-Хартла, которое удовлетворяет безграничному предложению.

Демонстрируя стабильный метод формулирования безграничного предложения, результаты могут привести к переосмыслению идеи как описания происхождения вселенной. Тем не менее, остается много вопросов.

«В будущем мы планируем увидеть, насколько надежным является наше новое определение при включении аспектов из теории струн, которая является наиболее продвинутой попыткой создания полной теории квантовой гравитации», — сказал Ленерс.

«Кроме того, мы планируем изучить вопрос о том, могут ли существовать другие устойчивые определения предложения без границ или наше в некотором смысле уникально. И остается большой вопрос, можем ли мы вывести какие-либо поддающиеся проверке / наблюдаемые последствия».

Alice Di Tucci and Jean-Luc Lehners. «No-Boundary Proposal as a Path Integral with Robin Boundary Conditions.» Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.201302