宇宙开始用一个大的融化，而不是一个大爆炸

T关于我们的宇宙有两个诱人的谜团，一个是关于它的最终命运，另一个是关于它的开始，几十年来一直吸引着宇宙学家。社会一直认为这是独立的问题，但如果不是呢？

第一个问题与“暗能量”的存在有关，它今天正在加速宇宙的膨胀，并将决定宇宙的最终命运。理论家告诉我们，暗能量的影响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。但是，为了让这个解释起作用，宇宙常数必须有一个非常具体和微小的值。在自然单位中，宇宙常数是由1除以一个由1和123个零组成的数字得到的！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。

第二个问题涉及一种塑造我们宇宙的另一种重要数量，与组织的形成，如星系和星系组。我们知道，早期宇宙在非常顺利的同时也包含了微小的密度波动，这适用于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与当前的观察结果一致。了解如何在宇宙演变的最早阶段创造这些微小波动，并解释其幅度和形状，是宇宙学中同样令人着迷的谜团。

在富有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 - 被认为是不相关的。毕竟，一个人涉及最早的宇宙阶段，另一个阶段非常晚期，在宇宙时间分开约140亿年。更重要的是，标准宇宙无法从基本原则提供这两个数字的任何解释。宇宙的传统模型对宇宙常数的数值完全沉默，或者预测完全不恰当的价值。关于初始扰动的大小，最流行的方法是从描述通货膨胀的一类模型中获得它，这是宇宙早期阶段的快速增长时期。通货膨胀模型的麻烦是，它们可以设计成几乎任何所需的结果，因此完全缺乏预测力。

为什么，在几十年的工作之后，让理论家仍然没有合并重力和量子理论？

我最近的工作是与我的女儿Hamsa Padmanabhan和瑞士苏黎世ETH的Tomalla Fellow合作完成的，将这两个数字与宇宙起源——宇宙的创造——联系起来，并解释了它们的精确数值。我们的论文，最近发表在物理字母B，证明了宇宙常数，以及其微小的价值的存在，可以理解为宇宙时空的信息内容的直接后果。^1.作为奖励，分析还导致了早期宇宙小波动的尺寸和形状的正确价值。

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，它改写了我们对大爆炸的理解，消除了宇宙早期任何膨胀期的需要。

T他大爆炸可能是标准宇宙中最着名的特征。但它也是一个不受欢迎的人。这是因为爱因斯坦方程式描述的宇宙的经典模型，在大爆炸的条件下崩溃，包括无限的密度和温度，或物理学家称之为奇点。

但如果没有奇点怎么办？自20世纪60年代以来，物理学家通过试图将重力理论和量子理论统一到称为量子重力的东西来描述无大爆炸的宇宙。物理学家John Wheeler和Bryce dewitt是第一个将这些想法应用于宇宙的假设几何相位，其中空间和时间概念尚未从某些尚未成本的结构中删除。这种预示着对量子宇宙学的研究，其中物理学家试图以量子语言描述宇宙简单玩具模型的动态。毋庸置疑，几个不同，但相关的，有关的想法，对几十年来的几何相蘑菇的描述。这些模型的统一的主题是，古典宇宙产生，而没有任何奇异性，通过从预几何相到在其中时空由爱因斯坦方程描述的转变。构建这种描述的主要困难是我们没有完整的量子重力理论，这将使我们能够详细地模拟预几何相位。

我们引入的关键新要素是宇宙信息的概念，它有助于绕过这一技术难题。信息应该在物理学描述中起关键作用的观点在最近得到了相当多的支持。当人们试图将量子理论和引力的原理结合起来，比如在量子黑洞的研究中，这个概念出现在几种情况下。在其中一些模型中还有一个有趣的全息术概念，它表明块体区域中的信息内容可以与其边界上的信息内容相关。但是，不幸的是，信息的数学描述在不同的情况下是不同的，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，我们必须首先给出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。此数字表示系统中的自由度数，在相变期间不会改变。类似地，导致宇宙诞生的相变可以用一个数字来描述，这个数字将几何前阶段的自由度与经典时空的自由度联系起来。利用这个数字，我们称之为“CosmIn”，我们可以连接宇宙的两个阶段，绕过一个完整的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。

作为一个物理可观测数，CosmIn必须是有限的。事实上，我们期望在没有奇点的情况下，所有的物理量都是有限的。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才是有限的，正如我们今天所观察到的那样。这种联系不仅提出了宇宙常数存在的一个根本原因，而且还提供了一种计算其数值的方法，如果我们知道CosmIn的值。

可以利用结果进行量子引力的几个模型多次建议来确定科斯明在宇宙的预几何或量子引力相位的值。事实证明，从量子引力相转移至经典的相位的总信息必须等于一个简单的数字：4π，单元半径的球的刚刚的区域。这相当于每单位半径的球的单位表面积信息一个单元。使用这一事实，我们可以涉及宇宙常数到使宇宙由从量子引力相转移到经典的相位的能量刻度的数值。

这种转变能源利用规模，反过来，可以与我们的宇宙的神秘的第二个特点：在早期宇宙中的微小的量子波动的影响，成长为形成我们今天看到的星系和星系团的大小。计算这些波动的大小的流行程序是使用宇宙的通货膨胀模型，描述了宇宙早期的经历规模巨大且快速增长。但通胀车型有各种形状和大小，可以设计产生任何价值不对因该幅度。这也是值得什么，最初是由爱德华·罗伯特·哈里森在1970年（由雅科夫B.泽利多维奇和独立）中获得的原始波动的形状，被称为哈里森泽利多维奇谱。许多人没有意识到或强调的是，哈里森获得了他的成绩超过通胀模型前十年被发明出来！

我们的模型允许我们将数字 - 宇宙常数的数值与原始波动的大小 - 到几何宇宙经过相位过渡的能量规模，成为我们所有人所在的古典宇宙。LO和Pheold，当我们选择适当的能量尺度时，我们获得这些数量的正确观察值。这又导致宇宙学常数，原始波动的幅度和宇宙的值之间的代数关系。我们可以使用观察到的宇宙学参数的值来转动这一关系，并测试宇宙是否确实是4π。该理论通过飞行的颜色来测试测试;我们发现从观察结果中确定的宇宙等于4π，以1,000中的一部分的准确性。

令人难以置信的是，被认为互不相关的宇宙参数的复杂组合竟然有这么简单的值。传统的方法必须考虑这一结果为随机数值巧合。另一方面，我们相信它告诉我们关于我们的宇宙的一些深刻而美丽的东西。

我们相信我们的第一次努力将宇宙学常量数值与早期宇宙波动的大小联系起来，首先是从没有可调节参数的模型中获得这些数字并将它们与能量规模相关联古典宇宙的存在。

A.所有这些想法都是在量子引力这个更广泛的框架内提出的，这个理论是物理学家在近五十年的研究之后仍然没有的。我们模型的优点之一是它不需要计算量子引力的细节。但它确实提供了两个关于量子引力性质和时空结构的重要线索。首先，它强烈地表明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，它表明正确的宇宙起源理论很可能涉及从几何前阶段到经典阶段的相变。

这些提示还可以回答一个关键问题：为什么经过几十年的研究，理论家们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，流体力学可以描述为一种自洽的物理理论，用一组方程表示。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得到物质的量子结构。

我们认为，这是在告诉我们什么深刻而美好的了解我们的大自然。

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，用量子理论的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，这就是几十年来量化爱因斯坦理论的努力导致彻底失败的原因。

所需要的是重新检查重力的性质，并了解它告诉我们时空的微观结构。这样的方法正是物理学家Ludwig Boltzmann习惯于了解热现象要求，这些物质要求由离散的自由度（换句话说，原子）制成。Boltzmann基本上表示，如果某些东西可能很热，它必须包含微观自由度。

Spacetime也可以具有温度，因此似乎可能是炎热的某些观察者。这个想法首先通过了雅各布贝肯斯坦和斯蒂芬·霍克在黑洞的具体背景下的工作来了。之后很快，在70年代中期，法尔·杜诸历和保罗戴维斯的工作表明这是时尚的一般特征。如果您将Boltzmann的范例与Spacetime的正常物质相结合，您将导致结论，即Spacetime必须具有内部自由度，如原子。近年来出现了支持这一结论的理论证据。^2.这种观察结果持有理解时空微结构并快速导致三种显着的结果。

首先，可以根据驻留在该区域的批量和边界中的自由度（或等效地，信息内容）的自由度（或等效地，信息内容）来描述时空区域的演变。其次，重力变得免受能量零水平的变化。在爱因斯坦的理论中，重力应对绝对的能量，使得宇宙学持续几乎不可能计算。基于信息内容的范例并非如此。第三，信息方法表明，我们不应该考虑由对爱因斯坦方程式的特定解决方案描述的宇宙演变。相反，这些方程在从描述时空的量子自由度的更精确的方程组中出现了合适的极限。^3.

我们的Cosmin模型验证的信息方法使我们成为宇宙的生动新图片，与含有热量源的大块冰块类似。热源掩盖其周围的冰，从而产生一个水域，这又膨胀，达到了局部热力学平衡。在大鳞片下，接近阶段的边界，分子尚未达到平衡，因为冰块从内部加热。令人难以置信的这一点类似于我们的宇宙的行为方式。与水的区域类似于观察到的宇宙（由爱因斯坦的理论描述）。它被迄今为止的量子重力所描述的预先几何相（类似于冰）所包围。完全消除了大爆炸的概念，并在边界处从一个相到另一个阶段的过渡。还消除了宇宙早期历史中通货膨胀期的需求。

整个框架简单而优雅，因为它由单个参数描述：早期宇宙的能量尺度从预几何到einsteinian几何的转换。这与标准通胀模型不同，其中包含参数的分数并缺乏任何预测力。我们的模型不使用任何未经测试的物理学。这只要假定我们做的是宇宙的信息内容应等于4π，单位球的面积。

这项工作开辟了三个研究的新途径：首先，我们邀请我们探讨不同量子重力模型中的前几何相的物理学。其次，它开辟了探索这项工作中使用的宇宙信息的具体概念的机会，并试图将其与其他语境中使用的其他信息的其他类似想法相关联。第三，它强化了时代由更基本的自由度制成的概念 - 就像原子一样，并挑战我们在澄清物理学中探索不同阶段的不同阶段，我们研究不同阶段的外星动态。

塔努·帕德曼巴是在大学间中心天文学和天体物理学著名教授，在印度。他可以在paddy@iucaa.in联系。

参考

1.帕德马纳班，T。＆帕德马纳班，H.宇宙信息，宇宙常数和原始扰动的幅度。物理字母B773.，81-85（2017年）。

2. Padmanabhan，T.时空和宇宙常数的原子。物理杂志：会议系列880.，012008（2017）。

3.帕德马纳班，T.，我们真的了解宇宙？审计法院Rendus体质18，275-291（2017）。

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