为什么这个宇宙呢？一种新的计算提出我们的宇宙是典型的

2022-11-22 17:34阅读：

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为什么这个宇宙呢？一种新的计算提出我们的宇宙是典型的
两位物理学家已经计算这个宇宙有更高的熵------因此比替代的可能的宇宙更可能的。这个计算是“对一个还没有被完全理解的问题的一个答案”。
COSMOLOGY
按照一项新的计算，我们的宇宙的属性------光滑的、平坦的、刚好一撮暗能量------是我们应该期待来看的。

Kouzou Sakai for Quanta Magazine
ByCharlie Wood
Staff Writer
Nove

mber 17, 2022
宇宙学家花了几十年的时间努力理解为什么我们的宇宙是如此惊人的香草。据我们所知，它不仅光滑平坦而且还在以越来越缓慢的增长的速度膨胀，因为幼稚的计算表明从大爆炸中出来的空间应该被引力摧毁、被排斥的暗能量分解。
为了解释宇宙的平坦性，物理学家们为宇宙历史增加了一个戏剧性的开篇章节：他们提出空间在大爆炸开始时就像气球一样迅速膨胀消除了任何曲率。为了解释在最初的膨胀期之后空间的温和增长，一些人认为我们的宇宙只是一个巨大的多元宇宙中许多不太适宜居住的宇宙中的一个。
但现在，两位物理学家已经从头颠覆了传统的思考我们的香草宇宙。在追随一系列由斯蒂芬·霍金和加里·吉本斯于1977年开始的研究之后，这两人已经发表了一个新的提出宇宙的朴素性是预料到的而不是罕见的计算。按照爱丁堡大学的尼尔·图洛克和加拿大滑铁卢周边理论物理研究所的莱瑟姆·博伊尔，对空气均匀的扩散到整个一个房间的同一理由：更诡异的选择是可以想象的，但极端的不可能的。
比利时鲁汶天主教大学的宇宙学家托马斯·赫托格说，这个宇宙“可能似乎极端的被精细调整，极端的不可能，但他们正在说，‘等一下，这是最受欢迎的一个’” 。
不知怎的它给我们一扇探究或许看空时的微观结构的窗户。
Steffen Gielen, University of Sheffield
英国谢菲尔德大学的宇宙学家斯蒂芬·吉伦说，“与大多数人一直在做的相比，它是用不同的方法的一个新贡献” 。
这个挑拨的结论靠一个涉及切换到一个有虚数的时钟的数学技巧。正如霍金在70年代所做的那样，用这个虚构的时钟，图洛克和波义耳计算一个似乎与我们的宇宙相对应的叫熵的量。但虚数的时间技巧是一种计算熵的迂回方法，没有一个更严格的方法量的意义仍然被激烈的争论。虽然物理学家就计算的正确解释困惑，但许多人视它为通往空间和时间的基本的、量子本质的道路上的新导向标。
吉伦说“不知怎的，这正在给我们一扇也许探究空时的微观结构的窗户” 。
虚数的途径
频繁合作的人图洛克和博伊尔因设计关于宇宙学的创造性和非正统的想法闻名。去年为了研究我们的宇宙怎样可能是的，他们转向了物理学家理查德·费曼在20世纪40年代开发的一项技术。
旨在捕捉粒子的概率行为，费曼想象了一个粒子探索所有连接开始到结束的可能路径：一条直线，一条曲线，一个圆圈，一个无限的循环。他设计了一种方法来给每条路径一个与它的可能性相关的数字并把所有的数字加起来。这种“路径积分”技术变成了一个预测任何量子系统如何最可能行为的强大框架。
费曼一开始公开化这个路径积分，物理学家们就发现了一个与热力学的好奇的联系，热力学是一门古老的温度和能量的科学。正是量子理论和热力学之间的这个桥梁使托洛克和波伊尔的计算成为可能。

南非物理学家和宇宙学家尼尔·图洛克是爱丁堡大学的教授。Gabriela Secara/Perimeter Institute
热力学利用统计学的力量，以便你能只用几个数字来描述一个由许多部分组成的系统，比如在一个房间里哒哒绕着的天文数字的空气分子。例如，温度------本质上是空气分子的平均速度------给房间的能量一个粗略的感觉。温度和压力等整体属特描述一个房间的 “宏观状态”。
但一种宏观状态是一个粗略的解释；空气分子能被以巨大量都对应于同一宏观状态的方式排列。把一个氧原子轻向左推一点温度不会稍微移动。每个独特的微观结构都被称为一个微观状态，而与一个给定的宏观状态对应的微观状态的数量决定它的熵。
熵给物理学家一种比较不同结果的概率的尖锐方法：一个宏观状态的熵越高，它是的可能性就越大。例如，空气分子在整个房间里来排列它们自己的方式要比它们被捆在一个角落里有广大的更多方式。因此，人们期望空气分子来扩散出去（并呆在扩散出去）。以物理学语言表达的可能结果的自证真相是可能的，变成为著名的热力学第二定律：一个系统的总熵趋于来增长。
我们用的是一个廉价的技巧不用知道理论是什么来得到答案。Neil Turok, University of Edinburgh
与路径积分的相似是无误的：在热力学中，你将一个系统的所有可能的结构加起来。用路径积分，你将系统可能采取的所有路径加起来。只有一个相当明显的区别：热力学处理概率，这些概率是直接一起相加的正数。但在路径积分中，分配给每条路径的数是复数的，这意味着它涉及虚数i，−1的平方根。复数当一起加时能增长或收缩------允许它们来捕捉到量子粒子的波一样性质，这能结合或抵消。
然而，物理学家们发现了一个简单的变换能把你从一个领域带到另一个领域。制造时间虚数（一种以意大利物理学家吉安·卡洛·维克的名字命名为维克旋转），一个第二个i进入扼杀掉第一个路径积分，把虚数变成实概率。用温度的逆替换时间变量，你得到一个著名的热力学方程。
1977年，维克技巧导致了被霍金和吉本斯发现的一个轰动的发现，最后关于空间和时间的旋风系列的理论发现。
空时的熵
几十年前，爱因斯坦的广义相对论已经揭示了空间和时间一起形成了一个统一的现实的织造------空时------而引力的力真的是物体在空时中跟随褶皱的趋势。在极端情况下，空时能足够陡峭弯曲创造一个不可逃脱的叫黑洞的恶魔岛。
1973年，雅各布·贝肯斯坦提出了黑洞是不完美的宇宙监狱的异说。他究因了深渊应该吸收它们食物的熵，而不是从宇宙删除这个熵并违反热力学第二定律。但是如果黑洞有熵，它们也必须有温度并且必须辐射热。
持怀疑态度的斯蒂芬·霍金试图来证明贝肯斯坦是错误的，他开始一个量子粒子怎样在一个黑洞的弯曲空时中行为的复杂的计算。令他惊讶的是，在1974年，他发现了黑洞确实真的辐射。另一个计算证实了贝肯斯坦的猜测：一个黑洞有等于它的事件地平线面积的四分之一的熵------一个掉进的物体不返回的点。

已故的英国物理学家史蒂芬·霍金，于1979年在新泽西州的普林斯顿拍摄。Santi Visalli/Getty Images
在接下来的几年里，英国物理学家吉本斯和马尔科姆·佩里以及后来的吉本斯和霍金从另一个方向得出了同样的结果。他们建立起一个路径积分，原则上把空时可能弯曲来制造一个黑洞的所有不同方式加起来。接下来，他们维克旋转了黑洞，用虚数标记时间的流，并仔细精查它的形状。他们发现了在虚数时间方向上，黑洞周期的恢复到它的初始状态。这种以虚数类似土拨鼠日的重复给黑洞一种允许他们来计算它的温度和熵的停滞状态。
如果答案没有与贝肯斯坦和霍金之前计算的结果精确匹配，他们可能不会信任这些结果。到这十年结束时，他们的集体工作已经产生了一个惊人的概念：黑洞的熵意味着空时本身被微小的、可重新排列的碎片组成，就像空气被分子组成一样。奇迹般地的甚至不知道这些“引力原子”是什么，物理学家能够通过观察在一个虚数时间中的黑洞来计算它们的排列。
霍托格说，“正是这个结果给霍金留下了一个深刻的印象” ，他是霍金的前研究生和长期的合作者。霍金立刻好奇了是否维克旋转不只是对黑洞会起作用的。赫托格说，“如果这种几何结构捕获一个黑洞的量子属特，那么对整个宇宙的宇宙学属特来做同样的事情是不可抗拒的”。

计算所有可能的宇宙
立即霍金和吉本斯维克旋转了最简单的虚数的宇宙之一------只包含构建在太空本身中的暗能量的。这个空的、扩张的宇宙被称为“德西特”空时，有一个时间地平线，超过这个空间膨胀的如此之快以致从那里从来没有信号到达一个在这个空间中心的观察者。1977年，吉本斯和霍金计算出了就像一个黑洞一样，一个德西特宇宙也有一个等于它的事件地平线面积的四分之一的熵。再一次，空时似乎有一个可数的微观状态数
但是实际宇宙的熵仍然是一个悬而未决的问题。我们的宇宙不是空的；它充满着辐射的光和星系和暗物质流。在宇宙的年轻时期光驱动一个空间的轻快的扩张，然后在宇宙的青春期物质的引力吸引缓慢了事物成一个爬行。现在，暗能量似乎已经接管了，驱动一场失控的扩张。赫尔托格说，“那个扩张的历史是一段坎坷的旅程。要得到一个明确的解决方案并不如此容易” 。
在过去一年左右的时间里，博伊尔和图鲁克已经建立了这样一个明确的解决方案。首先，在1月份，在他们在玩宇宙学玩具的同时，他们注意到向德西特空时添加辐射并不破坏维克旋转宇宙所需的简单性。
然后在整个夏天，他们发现了这项技术甚至经得住混乱的物质内含物。描述更复杂的膨胀历史的数学曲线仍然属于一组易于处理的特定函数，而热力学的世界仍然是可接近的。意大利比萨的宇宙学家吉勒尔姆·莱特·皮门特尔说，”这种维克旋转是当你从非常对称的空时移动离开时一件模糊的事情。但他们设法找到了它” 。
通过维克旋转一类更现实的宇宙的过山车扩张历史，他们得到了一个更通用的宇宙熵方程。对由辐射、物质、曲率和暗能量密度定义的宇宙宏观状态（就像温度和压力范围定义一个房间的不同可能环境），这个公式计算出对应的微观状态的数目。图洛克和博伊尔于10月初在网上公布了他们的研究结果。

莱瑟姆·博伊尔是周边理论物理研究所的物理学家和宇宙学家，他合著了一篇关于不同宇宙相对可能性的新计算书。Gabriela Secara/Perimeter Institute
专家们已经赞扬了这个明确的、定量的结果。但从他们的熵方程，波伊尔和托洛克已经得出了一个关于我们宇宙本质的非传统的结论。赫托格说，“这是让它变得更有趣也更有争议的地方” 。
波义耳和图洛克相信这个方程式对所有可以想象的宇宙历史进行一次普查。就像一个房间的熵数数所有一个给定的温度安排空气分子的方式一样，他们怀疑他们的熵数全是可能混乱起空时的原子并最终与一个给定的整体历史、曲率和暗能量密度宇宙终结。
波伊尔把这个过程比作来测量一袋巨大的大理石，每个大理石都是一个不同的宇宙。那些有负曲率的可能是绿色的。那些拥有大量暗能量的可能是猫眼等等。他们的普查揭示绝大多数大理石只有一种颜色------比如蓝色------对应于一种宇宙：一种大致像我们自己的的宇宙，没有可评估的曲率，只有一点暗能量。更诡异的宇宙类型是消失般的罕见的。换句话说，我们宇宙中奇怪的香草特征已经动机了几十年来关于宇宙膨胀和多元宇宙的理论化毕竟一点也不奇怪。
赫尔托格说，“这是一个非常有趣的结果” ，但“它提出比它回答的更多的问题” 。
计数混淆
波义耳和图洛克已经计算出了一个计数宇宙的方程。他们已经做了惊人的观察，像我们这样的宇宙似乎占可以想象的宇宙选择的最大部分。但这是确定性结束的地方。
这对搭档没有试图来解释量子引力理论和宇宙学可能使某些宇宙常见的或罕见的。他们也没有解释我们的宇宙怎样以它的特殊的微观部分的结构成这个样子的。最终，他们视他们的计算为更像对哪种宇宙是偏好的的一个线索，而不是任何一个接近完整的宇宙学理论的线索。图洛克说，“我们已经用的是不用知道理论是什么来获得答案” 。
他们的工作也重新激活一个自吉本斯和霍金首次开启了空时熵的整个业务以来一直没有得到解答的问题：到底廉价伎俩正在计算的微观状态是什么？
斯坦福大学研究量子引力理论的物理学家亨利麦克斯菲尔德说，“这里关键的事情是来说我们不知道这个熵意味着什么” 。
在它的心脏，熵包含无知。例如，对于一种由分子组成的气体，物理学家知道温度------粒子的平均速度------但不是每个粒子都正在做的；气体的熵反映选项的数量。
在几十年的理论工作后，物理学家们正聚焦在一个黑洞的类似的图片上。许多理论家现在相信地平线的面积描述他们的下落进的物质的无知------所有在内部安排黑洞的构建块来匹配它的外观的方式。（研究人员仍然不知道微观状态到底是什么；想法包括被称为引力子的粒子的结构或弦理论）。

最近由马里兰大学的泰德·雅各布森和巴图尔·巴尼哈什米的计算为德西特空间的熵提供一个可能的解释。(top) Courtesy of Ted Jacobson; Courtesy of Batoul Banihashemi
但当到宇宙的熵时，物理学家们不太确定关于他们的无知甚至在的地方。
今年4月，两位理论家试图将宇宙学熵放在一个更坚实的数学脚跟上。泰德·雅各布森是马里兰大学的物理学家，以从黑洞热力学推导爱因斯坦的引力理论而闻名，他的研究生巴图尔·巴尼哈什米明确的定义了一个（空的、扩张的）德西特宇宙的熵。他们采用了一个处于中心位置的观察者的视角。他们的技术其中涉及在中心观测者和地平线之间添加一个虚构的表面，然后缩小这个表面直到它到达中心观测者并消失，恢复了吉本斯和霍金的答案，即熵等于地平线面积的四分之一。他们得出德西特熵计数地平线内所有可能的微观状态的结论。
图罗克和波伊尔计算了一个空的宇宙与雅各布森和巴尼哈什米相同的熵。但在他们的对一个充满物质和辐射的现实宇宙的新计算中，他们得到了更多数目的微观状态------与体积成正比而不是与面积。面对这种明显的冲突，他们推测不同的熵回答不同的问题：更小的德西特熵计数被一个地平线绑定的纯空时的微观状态，而他们怀疑更大的熵计数一个充满物质和能量的空时的微观状态，地平线内部和外部的。图罗克说，“这是整个过程”。
最终，安顿波伊尔和图洛克正在计数的的问题将需要一个微观状态的集合的更明确的数学定义，类似于雅各布森和巴尼哈什米已经对德西特空间做了的。巴尼哈什米说，她视博伊尔和图洛克的熵计算为“对一个尚未被完全理解的问题的答案”。

1. Physicists Rewrite a Quantum Rule That Clashes With Our Universe

2. How the Physics of Nothing Underlies Everything

3. Physicists Debate Hawking’s Idea That the Universe Had No Beginning

至于对“为什么这个宇宙？”这个问题的更既成的答案，宇宙学家说膨胀和多元宇宙远未死亡。特别是现代膨胀理论已经来解决不仅仅是宇宙的光滑性和平坦性。天空的观测匹配许多它的其他预测。皮门特尔说，托洛克和博伊尔的熵论点已经通过了一个引人注目的第一个测试，但对更严肃的竞争膨胀它将不得不钉下其他更详细的数据。
作为一个衡量无知的量，植根于熵的秘密以前已经服务为一个未知物理的预兆。在19世纪末，一个按照微观排列熵的精确理解帮助了确认原子的存在。今天，希望是如果研究人员以不同的方式计算宇宙熵能计算出刚好他们正在回答的问题，这些数字将引导他们朝向时间和空间的乐高积木怎样堆积起来创造我们周围的宇宙的类似的理解。
图洛克说，“我们计算的确实为那些正试图建立量子引力微观理论的人提供巨大的额外动力。因为这个理论最终将解释宇宙的大尺度几何结构”。
https://www.quantamagazine.org/why-this-universe-new-calculation-suggests-our-cosmos-is-typical-20221117/

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