T型 这里有两个关于我们宇宙的悬而未决的谜团，一个是关于它的最终命运，另一个是它的起源，几十年来一直吸引着宇宙学家。 社会一直认为这些是独立的问题，但如果不是呢？
第一个问题与所谓“暗能量”的存在有关，暗能量正在加速宇宙的膨胀，并将决定其最终命运。 理论学家告诉我们，可以通过在爱因斯坦的引力方程中引入一个称为宇宙常数的项来解释暗能量的影响。 但是，为了使这个解释有效，宇宙常数必须有一个非常具体的微小值。 在自然单位中，宇宙学常数是由1除以1再加123个零组成的数字！ 解释这个值被认为是当今理论物理学面临的最大挑战之一。
早期缓冲： 宇宙微波背景辐射的变化指向早期宇宙的密度波动。 美国国家航空航天局 第二个问题与塑造我们宇宙的另一个关键数字有关，与星系和星系群等结构的形成有关。 我们知道，早期宇宙虽然非常平滑，但也包含密度的微小波动，这些波动是我们今天看到的所有宇宙结构的种子。 这些波动必须具有特定的幅度和形状，才能与当前的观测结果相一致。 理解这些微小的波动是如何在宇宙演化的早期阶段产生的，并解释它们的大小和形状，在宇宙学中也是一个同样迷人的谜。
在宇宙学的传统方法中，这两个数字——宇宙学常数的数值和初始扰动的大小——被认为是无关的。 毕竟，一个涉及宇宙的最早阶段，另一个涉及一个非常晚的阶段，在宇宙时间中相隔约140亿年。 此外，标准宇宙学并没有从基本原理上解释这两个数字。 传统的宇宙模型对宇宙常数的数值一无所知，或者预测了一个完全不合适的数值。 关于初始扰动的大小，最流行的方法是从一类描述通货膨胀的模型中获得，通货膨胀是宇宙早期快速增长的时期。 通货膨胀模型的问题在于，它们可以被设计成产生几乎任何期望的结果，因此完全缺乏预测能力。
为什么经过几十年的研究，理论家们仍然没有把引力和量子理论结合起来？
我最近的工作是与我的女儿Hamsa Padmanabhan和瑞士苏黎世理工学院的Tomalla Fellow合作完成的，我将这两个数字与宇宙发生联系起来，即宇宙的创造，并解释了它们的精确数值。 我们的论文，最近发表于 物理字母B ，证明宇宙常数的存在及其微小值可以理解为宇宙时空信息含量的直接结果。 1 作为奖励，该分析还可以得出早期宇宙中微小波动的大小和形状的正确值。
这些基本常数的显著融合对我们理解宇宙具有重要意义。 特别是，它改写了我们对宇宙大爆炸的理解，并消除了宇宙早期任何阶段膨胀的必要性。
T型 大爆炸可能是标准宇宙学最著名的特征。 但这也是一个不受欢迎的问题。 这是因为爱因斯坦方程描述的经典宇宙模型在大爆炸的条件下崩溃了，其中包括无限密度和温度，或者物理学家称之为奇点。
但如果没有奇点呢？ 自20世纪60年代以来，物理学家一直致力于描述没有大爆炸的宇宙，试图将引力理论和量子理论统一为所谓的量子引力。 物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）和布莱斯·德维特（Bryce deWitt。 这预示着量子宇宙学的研究，物理学家试图用量子语言描述简单的宇宙玩具模型的动力学。 不用说，几十年来，描述前几何相位的几个不同但相关的想法如雨后春笋般涌现。 这些模型的统一主题是，经典宇宙在没有任何奇点的情况下，从前几何阶段过渡到由爱因斯坦方程描述时空的阶段。 构建这样一个描述的主要困难是我们没有一个完整的量子引力理论，这将允许我们对前几何阶段进行详细建模。
事后诸葛亮： 据说爱因斯坦把他在方程中添加宇宙常数描述为一个错误。 今天，物理学家相信它有积极的价值。 桑福德·罗斯/盖蒂图片社 我们引入的有助于绕过这一技术难题的关键新成分是宇宙信息的概念。 信息在物理描述中应发挥关键作用的观点近年来得到了相当大的支持。 当人们试图将量子理论的原理与引力相结合时，例如在量子黑洞的研究中，这个概念就出现了。 其中一些模型中还有一个有趣的全息概念，这表明体区域中的信息含量可能与其边界上的信息含量有关。 但是，不幸的是，在不同的情况下，对信息的数学描述是不同的，我们仍然没有找到一个适用于所有情况的统一原则。 因此，为了将信息的概念应用于整个宇宙，我们必须首先为其定义一个物理上合适的定义。
我们使用的宇宙信息的定义可以用类比来最好地说明。 当一块冰融化形成水时，就会发生从固相到液相的转变。 相变的实际动力学可能非常复杂，但冰中的原子总数将与水中的原子总数相同。 该数字表示系统中的自由度，在相变期间不会改变。 同样，导致宇宙诞生的相变可以用一个数字来描述，这个数字将前几何阶段的自由度与经典时空的自由度联系起来。 使用这个我们称之为“CosmIn”的数字，我们可以连接宇宙的两个阶段，绕过完整量子引力模型的复杂性。
时空应该被认为是由微观自由度构成的，就像物质是由原子构成的一样。
CosmIn是一个物理可观测数，必须是有限的。 事实上，我们期望在没有奇点的情况下，所有物理量都是有限的。 此外，我们已经能够证明，只有当宇宙在后期经历加速膨胀阶段时，CosmIn才会是有限的，正如我们今天所观察到的那样。 这种联系不仅为宇宙常数的存在提供了一个基本原因，而且也是一种计算其数值的方法——如果我们知道CosmIn的值。
利用几个量子引力模型反复建议的结果，可以确定宇宙在前几何或量子引力阶段的CosmIn值。 结果表明，从量子引力相转移到经典相的总信息必须等于一个简单的数字：4π，即单位半径球体的面积。 这相当于单位半径球体每单位表面积的信息单位。 利用这个事实，我们可以将宇宙常数的数值与宇宙从量子引力相过渡到经典相的能量尺度联系起来。
反过来，这种跃迁能量尺度可能与我们宇宙的第二个神秘特征有关：早期宇宙中微小的量子涨落的大小，这些量子涨落形成了我们今天看到的星系和星系团。 计算这些波动大小的流行程序是使用宇宙的膨胀模型，该模型将早期宇宙描述为经历了巨大而快速的大小增加。 但通货膨胀模型有各种形状和大小，可以设计为产生任何数值。 原始波动的形状最初是由爱德华·罗伯特·哈里森（Edward Robert Harrison）于1970年获得的（由雅科夫·B·泽尔多维奇（Yakov B.Zeldovich）独立获得），被称为哈里森·泽尔多维克谱（Harrison-Zeldovich spectrum），这也毫无价值。 许多人没有欣赏或强调的是，哈里森在发明通货膨胀模型之前十多年就得出了他的结果！
我们的模型允许我们将宇宙常数的数值和原始涨落的大小与前几何宇宙经历相变并成为我们都生活在其中的经典宇宙的能量尺度联系起来。瞧，当我们选择合适的能量尺度时， 我们得到了这两个量的正确观测值。 这反过来又导致宇宙学常数、原始涨落幅度和CosmIn值之间的代数关系。 我们可以利用宇宙学参数的观测值来扭转这种关系，并测试CosmIn是否真的是4π。 这一理论很成功地通过了测试； 我们发现，根据观测结果确定的CosmIn等于4π，精确到千分之一。
令人难以置信的是，被认为彼此无关的宇宙学参数的复杂组合竟然有如此简单的值。 传统方法必须将此结果视为随机数字重合。 另一方面，我们相信它在告诉我们关于我们的宇宙的一些深刻而美丽的东西。
我们相信，我们的努力是首次将宇宙常数的数值与早期宇宙中涨落的大小联系起来，也是首次从一个没有可调参数的模型中获得这两个数字，并将它们与经典宇宙形成时的能量尺度联系起来。
A类 所有这些想法都建立在量子引力的更广泛框架内，即使经过近50年的工作，物理学家仍然没有这个理论。我们模型的优点之一是它不需要计算出量子引力的细节。 但它确实提供了关于量子引力性质和时空结构的两个重要提示。 首先，它强烈建议时空应该被认为是由微观自由度构成的，就像物质是由原子构成的一样。 其次，它表明宇宙起源的正确理论很可能涉及从前几何相到经典相的相变。
这些提示也可以回答一个关键问题：为什么经过几十年的研究，理论家仍然没有将引力和量子理论结合起来？ 我们认为，这可以用另一个类比来最好地说明。 我们知道流体力学可以被描述为一种自洽的物理理论，用一组方程来表达。 如果我们以这些方程为基础，将量子理论的原理应用于它们，我们可以发现有趣的新现象，例如声子（离散振动量子）的概念及其相互作用。 然而，我们永远无法用这种方法来研究物质的量子结构。
我们相信它告诉了我们一些关于我们本性的深刻而美丽的东西。
有证据表明，描述重力的方程与流体力学方程类似。 换句话说，使用量子理论原理重新解释描述重力的方程类似于将量子原理应用于流体力学方程。 我们不会以这种方式发现时空的量子本质，我们相信，正是由于几十年来对爱因斯坦理论进行量子化的努力导致了巨大的失败。
相反，我们需要重新审视重力的本质，了解它告诉我们的时空微观结构。 这种方法正是物理学家路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）用来理解的，即热现象要求物质由离散的自由度（换句话说，原子）组成。 玻尔兹曼本质上说，如果某物可以是热的，它必须包含微观自由度。
时空也可能具有温度，因此对某些观测者来说可能显得很热。 这个想法首先是雅各布·贝肯斯坦和斯蒂芬·霍金在黑洞的特定背景下提出的。 很快，在70年代中期，比尔·昂鲁（Bill Unruh）和保罗·戴维斯（Paul Davies）的工作表明，这是时空的一个非常普遍的特征。 如果你把玻尔兹曼的范式与时空类正常物质可能是热的这一事实结合起来，你就会得出这样的结论：时空必须具有内部自由度，就像物质中的原子一样。 近年来出现了支持这一结论的理论证据。 2 这一观察是理解时空微观结构的关键，并很快导致三个显著的结果。
首先，一个时空区域的演变可以用该区域主体和边界中的自由度（或等价的信息内容）来描述。 其次，引力对零能级的变化免疫。在爱因斯坦的理论中，引力对绝对能量做出反应，使得宇宙常数几乎无法计算。 基于信息内容的范式并非如此。 第三，信息方法表明，我们不应该像爱因斯坦方程的特定解那样考虑宇宙演化。 相反，这些方程在一个合适的极限下产生于描述时空量子自由度的更精确的方程组。 3
通过我们的CosmIn模型验证的信息方法，为我们提供了一幅生动的宇宙新图，它类似于一大块冰，其中含有点热源。 热源融化周围的冰，形成一个水区域，水区域反过来膨胀，达到局部热力学平衡。 在接近相界的大尺度上，分子尚未达到平衡，因为大块冰正在从内部加热。 令人难以置信的是，这与我们的宇宙行为相似。 有水的区域类似于观察到的宇宙（由爱因斯坦理论描述）。 它被一个前几何相位（类似于冰）所包围，这个相位被量子引力的未知定律所描述。 大爆炸的概念完全被消除了，取而代之的是边界处从一个相位到另一个相位的转变。 宇宙早期历史中通货膨胀期的需要也被消除了。
整个框架简单而优雅，因为它由一个参数描述：早期宇宙从前几何到爱因斯坦几何相变的能量尺度。 这与标准通货膨胀模型不同，标准通货膨胀模型包含大量参数，缺乏任何预测能力。 我们的模型没有使用任何未经测试的物理。 这个 只有 我们所做的假设是，宇宙的信息含量应该等于4π，即单位球体的面积。
这项工作开辟了三条新的研究途径：首先，它邀请我们探索不同量子引力模型中几何前相的物理。 第二，它为探索这部作品中使用的宇宙信息的具体概念提供了机会，并试图将其与其他类似的信息概念联系起来。 第三，它强化了时空是由更基本的自由度构成的概念，就像物质是由原子构成的一样，并要求我们研究时空的不同阶段，就像我们在凝聚态物理中探索物质的不同阶段一样。
Thanu Padmanabhan是印度大学间天文和天体物理中心的杰出教授。 可以联系他 [电子邮件保护] .
工具书类
1.Padmanabhan，T.和Padmanabhan，H.宇宙信息、宇宙学常数和原始扰动的振幅。 物理字母B 773 , 81-85 (2017).
2.Padmanabhan，T.时空原子和宇宙常数。 物理学杂志：会议系列 880 , 012008 (2017).
3.Padmanabhan，T.我们真的了解宇宙吗？ Comptes Rendus Physique公司 18 , 275-291 (2017).
主要照片拼贴图片来源：r.classen/Shutterstock
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