| 单词 | 量子宇宙学 |
| 释义 | 【量子宇宙学】 拼译：quantum cosmology 宇宙学作为一门自然科学的理论，它所探讨的是宇宙中的物质运动规律及时空的整体特性。也就是说，宇宙学是研究存在的整体的大尺度空间结构和演化的科学。现代宇宙学是20世纪20年代由爱因斯坦(Albert Einstein)开创的。尔后在求解爱因斯坦引力场方程的基础上，建立了各种相对论宇宙模型。在40年代后期和80年代初期结合核物理学与粒子物理学方面知识又分别提出了热大爆炸宇宙模型和暴涨宇宙模型。可以说，暴涨宇宙论已经把我们领到了宇宙的开端。但是，作为宇宙的时间、空间和真空又是如何产生的呢?这就是量子宇宙学中所企图回答的问题之一。 量子宇宙学是量子理论和引力理论在宇宙学课题上的结合。当把量子场论的方法应用到引力理论中，从而奠定和确立了量子引力的方向以后，自然也就产生了把量子引力理论应用到宇宙学上面的想法和探索，从而诞生了“量子宇宙学”，以及由此建立的量子宇宙模型。量子宇宙学所考虑的时间区域是普朗克时期至10－23s之间的极其短促的一刹那。它涉及主要研究为我们宇宙创生期时空拓扑结构，时空维数，字宙最可几半径等重要问题。显然对这些问题的正确理解与深入探讨，对我们完整、全面、深刻地认识宇宙特性，特别是宇宙极早期特性是具有重要意义的。一个完备的量子宇宙学理论的建立需要成熟的量子引力理论。但是，迄今为止，人们还没能找到满意的量子引力理论。尽管如此，量子引力的某些特征已为人知，依赖这些特征可对普朗克时期的宇宙作出一些合理的描述。在10－43～10－23s的“量子”时期，我们可用半经典近似处理方法。因此，目前所讨论的量子宇宙学，应该是一个更为完善的理论前奏。量子宇宙学的研究，从Misner开始至今已有20多年了，但以往的研究着眼点集中于避免奇异性的产生；自1982年，英国剑桥大学召开的一次极早期宇宙学讨论会开始，量子宇宙学研究着眼于宇宙的创生问题。目前在宇宙创生问题上，主要有两种研究方法：一是Hartle-Hawking的欧氏(其中时间为纯虚数)路径积分波函数ΨH－H，另一是Vilenkin隧道波函数Ψv。Ψv是选择尽量接近于量子力学中的隧道解，初始能量密度大，“隧道”波函数亦大，对应的初始能量密度小，“隧道”波函数亦小；这意味宇宙有甚高的几率，是起始于大的初始能量密度。ΨH－H是选择欧氏路径积分产生的解，这路径积分所积路径为无边界的四维几何(时空的各种几何)，这种“无边界”波函数极度集中在任意小的初始能量密度上，从此意义上说，它与隧道波函数正好相反。近年来，由于Astekar在量子引力理论中成功地引入新正则变量方法，促使人们考虑把新正则变量方法应用于量子宇宙学的研究中，虽说目前这方面研究工作尚少，但这是一个值得注意的研究方向。自1983年Hartle-Hawking提出他们的自足的(SelfContained)量子宇宙学模型以来，这方面的研究如雨后春笋。在这些研究中分别求出了各种模型的宇宙波函数(按照量子理论，一个体系的全部性质都由它的波函数所描写，因此，问题的关键是求得宇宙的基态波函数)和探讨了宇宙学中的各种重要问题。由于宇宙波函数求解并非易事(它需求解一个二阶的无穷维的泛函微分方程－Wheeler－De Witt方程)。因此，只是在微超空间中的一些特殊模型下给出了结果。它们是de Sitter模型，有质量的标量场模型、有R2项的引力理论模型、暴涨标量场模型、电磁场模型、旋量场模型、各向异性的Bianchi一Ⅸ、Bianchi－Ⅲ和Bianchi－Ⅰ型模型、具有复HiggsΦ4场与O(N)对称的HiggsΦ4场模型、双标量相互作用场模型、标量－旋量相互作用的σ－模型、Kaluza-Klein理论模型、Brans-Dicke理论模型和诱生引力理论模型。已被讨论过的宇宙学中一些较重要的问题是：宇宙各向同性问题、宇宙均匀性问题、宇宙号差问题、宇宙平直性问题、宇宙整体转动问题、宇宙时间箭头问题、宇宙中原初黑洞生成问题，宇宙的维数问题、宇宙在a=o(a为标度团子)处出现的几率问题、宇宙的最小半径问题、宇宙在普朗克时期的时空拓扑结构问题和Baby宇宙与Parent宇宙关系问题。最近几年来，由于量子宇宙学的广泛研究，引起了对时空拓扑的深入讨论。从而引进了一系列的崭新概念，诸如：Baby宇宙(四维时空中的一个小的空间不连通部分，它本身组成一个闭宇宙，称作Baby宇宙)，虫洞(虫洞是一种时空流形的拓扑涨落，是两个大的、彼此不同的光滑时空区域之间的微观联系)，“三次量子化”宇宙量子场论(用Wheeler-De Witt超空间量子场论来描述具有相互作用的多个宇宙系统，它可以产生和湮灭单个宇宙的量子化态)。目前国际上对上述内容研究，正方兴未艾，这也是当前量子宇宙学研究的前沿。【参考文献】：1 Hartle J B，Hawking S W．phys Rev，1983，D28∶2960～29752 Halliwell J J．Preprint NSF－ITP－88－1313 沈有根．天文学进展，1991，9(3)∶182～191(中国科学院上海天文台沈有根撰) |
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