[论文解读] Future and Origin of our Universe: Modern View

Alexei A. Starobinsky|ArXiv.org|Dec 2, 1999

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文探讨了在正的、可能随时间变化的宇宙学常数（Λ）影响下，宇宙的长期演化与起源。Starobinsky 分析了即使在闭合宇宙中，Λ 也能驱动永恒膨胀，预测了诸如附近天体红移趋势反转等可观测效应，并讨论了包括量子引力性坍缩回超高密度对称态在内的推测性未来——即返回至德西特（de Sitter）样起源。其核心贡献在于将宇宙的起源构想为从超高密度态经由量子引力过程的转变，对‘从无中诞生’类场景具有重要意义。

ABSTRACT

The existence of a positive and possibly varying Lambda-term opens a much wider field of possibilities for the future of our Universe than it was usually thought before. Definite predictions may be made for finite (though very large) intervals of time only, as well as in other branches of science. In particular, our Universe will continue to expand as far as the Lambda-term remains positive and does not decay to other forms of matter, even if the Universe is closed. Two new effects due to the presence of a constant Lambda-term are discussed: reversal of a sign of the redshift change with time for sufficiently close objects and inaccessibility of sufficiently distant objects in the Universe for us. A number of more distant and speculative possibilities for the future evolution of the Universe is listed including hitting a space-time singularity during an expansion phase. Finally, in fantastically remote future, a part of our Universe surrounding us can become supercurved and superdense due to various quantum-gravitational effects. This returns us to the past, to the origin of our Universe from a superdense state about 14 Gy ago. According to the inflationary scenario, this state was almost maximally symmetric (de Sitter-like). Though this scenario seems to be sufficient for the explanation of observable properties of the present Universe, and its predictions have been confirmed by observations, the question of the origin of the initial de Sitter (inflationary) state itself remains open. A number of conjectures regarding the very origin of our Universe, ranging from "creation from nothing" to "creation from anything", are discussed.

研究动机与目标

• 在假设存在正的、可能随时间变化的宇宙学常数（Λ）的前提下，考察宇宙的长期未来。
• 研究 Λ 如何影响宇宙膨胀的动力学，即使在闭合宇宙中亦然。
• 分析常数 Λ 的可观测后果，例如附近天体红移演化出现的反转现象。
• 探讨推测性未来情景，包括时空奇点与量子引力性坍缩。
• 解决早期宇宙中初始德西特（暴胀）态起源这一未解之谜。

提出的方法

• 利用广义相对论中带有宇宙学常数的解析解，模拟宇宙的长期演化。
• 通过研究红移的时间导数（dz/dt）来识别在足够近的天体上其符号可能发生反转的条件。
• 考察在 Λ 作用下的时空因果结构，以确定由于加速膨胀导致遥远区域在原则上不可达。
• 引入量子引力效应，以模拟局部区域可能坍缩为超高曲率、超高密度态的可能性。
• 以暴胀情景为框架，描述早期宇宙接近最大对称性（德西特样态）的状态。
• 讨论‘从无中诞生’与‘从任何中诞生’等推测性模型，作为初始量子态可能起源的解释。

实验结果

研究问题

• RQ1 正的宇宙学常数如何影响闭合宇宙的长期命运，特别是在膨胀与因果结构方面的表现？
• RQ2 常数 Λ 会产生哪些可观测特征，例如附近星系红移演化的变化？
• RQ3 量子引力效应是否可能导致局部区域坍缩为超高密度、高对称性态，从而实现宇宙返回至其起源状态？
• RQ4 在暴胀模型已能解释当前观测的前提下，何种机制可导致早期宇宙中初始德西特样态的形成？
• RQ5 '从无中诞生'或'从任何中诞生'对宇宙终极起源具有何种含义？

主要发现

• 只要 Λ 不衰减，正的宇宙学常数可确保宇宙永恒膨胀，即使在闭合几何中亦然。
• 对于足够近的天体，由于常数 Λ 的影响，红移随时间的变化率（dz/dt）可能出现符号反转，这是一种新颖的可观测效应。
• 由于加速膨胀，超出某一距离的区域将与我们因果隔离，原则上无法访问。
• 在极遥远的未来，量子引力效应可能使我们周围的局部区域变得超高曲率、超高密度，从而可能使宇宙返回至类似初始德西特阶段的状态。
• 暴胀所要求的初始德西特样态与当前观测一致，但其起源仍未得到解释，这引发了关于量子引力与宇宙发生学的深层问题。
• 本文提出，宇宙可能起源于一次量子引力转变，而‘从无中诞生’只是若干推测性但合理的可能情景之一。