[论文解读] Time before Time - Classifications of universes in contemporary cosmology, and how to avoid the antinomy of the beginning and eternity of the world

Rüdiger Vaas|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2004

Relativity and Gravitational Theory参考文献 112被引用 13

一句话总结

本文提出一个概念框架，以解决伊曼努尔·康德的‘第一组二律背反’——即宇宙是否具有开端或永恒的悖论——通过区分‘宇宙’和‘大爆炸’的多种含义，并引入多元宇宙分类法。它表明，一个宇宙可以在更广泛、超时间的语境中具有开端，同时仍保持永恒存在，利用圈量子宇宙学和弦宇宙学等量子宇宙学模型，实现‘时间之前’的情境。

ABSTRACT

Did the universe have a beginning or does it exist forever, i.e. is it eternal at least in relation to the past? This fundamental question was a main topic in ancient philosophy of nature and the Middle Ages. Philosophically it was more or less banished then by Immanuel Kant's Critique of Pure Reason. But it used to have and still has its revival in modern physical cosmology both in the controversy between the big bang and steady state models some decades ago and in the contemporary attempts to explain the big bang within a quantum cosmological framework. This paper has two main goals: First a conceptual clarification and distinction of different notions of "big bang" and "universe" is suggested, as well as a multiverse taxonomy and a classification of initial and eternal cosmologies. Second, and with the help of this analysis, it is shown how a conceptual and perhaps physical solution of the temporal aspect of Immanuel Kant's "first antinomy of pure reason" is possible, i.e. how our universe in some respect could have both a beginning and an eternal existence. Therefore, paradoxically, there might have been a time before time or a beginning of time in time. - Keywords: cosmology, big bang, big crunch, universe, multiverse, time, general relativity, quantum cosmology, loop quantum cosmology, string cosmology, world models, quantum vacuum, cosmic inflation, anthropic principle, closed timelike loops, Abhay Ashtekar, Hans-Joachim Blome, Martin Bojowald, George F. R. Ellis, Maurizio Gasperini, John Richard Gott III, Alan Guth, Jim Hartle, Stephen Hawking, Mark Israelit, Claus Kiefer, Li-Xin Li, Andrei Linde, Wolfgang Priester, Eckhard Rebhan, Paul Steinhardt, Neil Turok, Gabriele Veneziano, Alexander Vilenkin, H. Dieter Zeh.

研究动机与目标

• 澄清并区分当代宇宙学中‘宇宙’和‘大爆炸’的多种含义。
• 解决康德第一组二律背反所提出的哲学悖论：宇宙是否具有开端或永恒存在。
• 开发一个多元宇宙分类法，对初始和永恒的宇宙学模型进行分类。
• 阐明一个宇宙如何可以具有开端，同时仍属于一个永恒框架，从而避免开端与永恒之间的矛盾。
• 通过量子宇宙学模型，为宇宙起源的时间悖论提供一个概念性甚至物理性的解决方案。

提出的方法

• 基于初始条件和时间结构，提出一种宇宙分类方案，区分‘开端’模型与‘永恒’模型。
• 分析多种宇宙学框架，包括圈量子宇宙学、弦宇宙学和量子真空模型，以探索大爆炸之前的状态。
• 研究如 ekpyrotic 宇宙（例如，图罗克、斯坦哈特）和循环宇宙学等模型，这些模型允许存在‘大爆炸之前’的阶段。
• 通过在量子引力语境中重新定义时空的时间结构，应用‘时间之前’的概念。
• 使用哈特尔-霍金和维连金的量子宇宙学波函数作为形式工具，建模一个无初始奇点的宇宙。
• 将哲学分析与物理宇宙学相结合，以在多元宇宙框架中调和‘开端’与永恒存在的观念。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在多元宇宙语境中调和‘宇宙开端’的概念与永恒存在的观念？
• RQ2 在现代宇宙学中，‘宇宙’和‘大爆炸’具有哪些不同的含义及其影响？它们如何影响开端与永恒的争论？
• RQ3 圈量子宇宙学或弦宇宙学等量子宇宙学模型在何种方式下允许‘时间之前’的存在？
• RQ4 本文提出的多元宇宙分类法如何帮助对开端与永恒的二律背反进行分类与解决？
• RQ5 量子宇宙学的形式体系（例如，哈特尔-霍金、维连金）能否为一个具有开端但属于永恒框架的宇宙提供物理基础？

主要发现

• 本文确立了，当宇宙被视为更大多元宇宙结构的一部分时，其‘开端’可以与永恒存在相容。
• 圈量子宇宙学和弦宇宙学等量子宇宙学模型允许存在大爆炸之前的状态，表明时间可能延伸至大爆炸之前。
• 将‘宇宙’理解为单一时空区域，而‘多元宇宙’理解为这类区域的集合，可实现对二律背反的解决。
• 哈特尔-霍金和维连金的波函数提供了形式框架，其中宇宙无初始奇点，支持‘开端’但无时间上真正开端的观念。
• 通过波函数非奇点且从量子态演化而来的模型，‘时间之前’的概念得以合理化。
• 分析表明，开端与永恒的悖论并非物理矛盾，而是一种概念矛盾，可通过对宇宙学模型的仔细分类得以解决。