[论文解读] Hard Art of the Universe Creation

Andrei Linde|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 1991

Quantum Mechanics and Applications被引用 53

一句话总结

本文提出了一种用于宇宙学中量子隧穿的随机方法，重点关注婴儿宇宙的形成以及在实验室中创造宇宙的可能性。文章认为，只有在强对称性破缺的理论中——如超弦理论——才能在新宇宙的真空中编码有意义的信息，暗示我们的宇宙可能曾被一位类似物理学家的黑客‘设计’过。

ABSTRACT

We develop a stochastic approach to the theory of tunneling with the baby universe formation. This method is applied also to the theory of creation of the universe in a laboratory.

研究动机与目标

• 解决量子宇宙学中欧几里得路径积分方法的模糊性，特别是波函数指数依赖于欧几里得作用量的符号问题。
• 研究是否可以通过从亚临界亚稳真空中隧穿，在实验室中创造一个宇宙。
• 探讨在具有丰富对称性破缺模式的理论中，向新创造的宇宙真空中编码信息的可行性。
• 在能量守恒和因果解耦等物理约束条件下，评估此类创造的宇宙是否对创造者具有用处或信息价值。

提出的方法

• 采用随机方法处理量子隧穿，避免标准欧几里得路径积分方法的模糊性。
• 将婴儿宇宙的形成建模为从具有标量场势 $ V(\phi) $ 的亚稳真空中隧穿的量子事件。
• 分析亚临界气泡（半径 $ r < H^{-1} $）通过量子效应隧穿进入超临界膨胀区域的动力学。
• 考虑薄壁近似下的气泡动力学，尽管指出其在标准新星或混沌暴胀模型中的局限性。
• 评估热相变在形成初始亚稳真空中气泡中的作用，但强调其与高能真空中主导性的不相容性。
• 提出可通过选择特定的温度、压强和外部场值，来选择期望的对称性破缺模式，从而在新宇宙的真空中编码信息。

实验结果

研究问题

• RQ1 当同时考虑多种隧穿路径和婴儿宇宙生成时，宇宙波函数能否被一致地定义？
• RQ2 是否在物理上可能通过从一个小的、亚临界的气泡中量子隧穿，在实验室中创造一个大而长寿命的宇宙？
• RQ3 向新创造的宇宙发送信息的物理限制是什么？此类信息能否在暴胀均质化过程中幸存？
• RQ4 在哪些类型的理论中，才能在新宇宙真空中编码有意义的信息？
• RQ5 为何我们宇宙的观测参数（如粒子质量与耦合常数）可被解释为来自创造宇宙的信息？

主要发现

• 随机方法为研究隧穿和婴儿宇宙形成提供了比标准欧几里得路径积分方法更直观、更少模糊性的框架。
• 在混沌暴胀情景下，只有当真空能量密度极高（$ V(\phi) \sim M_p^4 $）且条件接近普朗克尺度时，实验室中创造宇宙才具有可行性。
• 只有在具有大耦合常数或标量粒子接近普朗克质量尺度的理论中，宇宙创造的概率才不可忽略。
• 由于能量守恒和暴胀后因果解耦，无法将任何能量或信息从新宇宙传回原宇宙。
• 唯一可行的向新宇宙发送信息的方法是将信息编码到真空中对称性破缺模式中，这需要具有大量可能真空中态的理论——如超弦理论。
• 观测到的粒子质量与耦合常数的复杂性与明显‘非自然性’（例如 $ m_p \sim 2000m_e $，$ m_X \sim 10^{13}m_W $）可能反映了在宇宙创生过程中编码的高信息量消息。