在宇宙學(xué)教學(xué)中引入自發(fā)暴脹理論

呂樺+朱玉琢

摘要：我們介紹了宇宙自發(fā)暴脹的概念，在這個(gè)基礎(chǔ)上，我們將這個(gè)理論拆開，分析了它需要哪些前沿理論做鋪墊以及如何將這些理論融入到物理學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)中去。由于這些前沿理論與量子引力息息相關(guān)，所以這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)意義重大，有利于學(xué)生早日走向科研第一線。

關(guān)鍵詞：自發(fā)暴脹；玻姆理論；量子宇宙；真空粒子產(chǎn)生

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）11-0215-02

一、引言

為了實(shí)現(xiàn)“厚基礎(chǔ)、寬口徑、強(qiáng)能力、高素質(zhì)、國際化”的人才培養(yǎng)目標(biāo)，在我國大學(xué)物理課程教學(xué)中引入一些前沿物理的基本概念和發(fā)展情況十分必要。在大學(xué)物理課程教學(xué)中，我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)各個(gè)學(xué)科專業(yè)的特點(diǎn)，結(jié)合這個(gè)學(xué)科理論、應(yīng)用的發(fā)展趨勢，對(duì)大學(xué)物理課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行一些改革，以便將基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)和專業(yè)學(xué)習(xí)乃至以后的科學(xué)研究結(jié)合在一起。只有這樣，才能在這個(gè)知識(shí)爆發(fā)的年代，讓學(xué)生了解科研前沿，走向科學(xué)一線。這篇文章中，我們結(jié)合宇宙學(xué)專業(yè)特點(diǎn)，考慮在大學(xué)物理課程教學(xué)中引入自發(fā)暴脹理論的基本概念和發(fā)展情況，嘗試大學(xué)物理基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容與宇宙學(xué)專業(yè)的最新發(fā)展相結(jié)合，讓大學(xué)物理教育走向前沿，當(dāng)今科研狀況的需要。

自發(fā)暴脹宇宙是宇宙學(xué)中最近發(fā)展的一套模型[1]，它是宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型ΛCDM模型[2-3]之后的進(jìn)一步研究，它參考暴脹宇宙而提出來的宇宙學(xué)自發(fā)暴脹理論，基于一些未完整的量子宇宙模型[4-5]，利用玻姆理論，給出了真空可以自發(fā)暴脹的結(jié)果。并且這個(gè)模型還包含了真空粒子產(chǎn)生機(jī)制，并給出了宇宙學(xué)微擾產(chǎn)生機(jī)制及理論結(jié)果[6]。下面介紹如何在各個(gè)課程教學(xué)中引入對(duì)應(yīng)的理論。

二、在量子力學(xué)中引入玻姆理論

德布羅意-玻姆理論是一種量子力學(xué)的一種解釋方案，亦稱因果性詮釋（Causal Interpretation）、存在性詮釋（Ontological Interpretation）、玻姆詮釋、玻姆力學(xué)（Bohmian Mechanics）。它由路易·德布羅意初創(chuàng)，戴維·玻姆重新發(fā)現(xiàn)并與巴席·海利（Basil Hiley）等合作者做進(jìn)一步擴(kuò)展而成的理論[7-8]。

德布羅意-玻姆理論是一種非局域的決定性的隱變量理論。它避開了量子力學(xué)中非決定性的難題，但是引入了非局域性。在該理論中，系統(tǒng)某個(gè)量與它的對(duì)偶量可以同時(shí)決定，所以可以用明確的軌線（trajectory）描述其運(yùn)動(dòng)，但對(duì)于這些量的測量，依然必須遵守不確定性原理，也就是說，它將時(shí)間確定、等時(shí)的不確定性轉(zhuǎn)變成了時(shí)間上的不確定、等時(shí)的確定性。粒子依然滿足波函數(shù)形式，但是通過與量子勢（Quantum potential）的交互作用，表現(xiàn)出非局域的整體性，其中量子勢是波函數(shù)作用中與經(jīng)典勢能不同的那一部分。波函數(shù)與薛定諤波動(dòng)方程演化一樣，但是測量不坍縮。該理論的計(jì)算結(jié)果可以與傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)性量子力學(xué)的結(jié)果一致。

最近有文章表明[9]，玻姆理論可以等價(jià)于傳統(tǒng)的量子力學(xué)理論。但是由于其包含的一些想法超越了量子力學(xué)，比如波函數(shù)不坍縮和確定性理論。所以它可能在更小的尺度以及量子引力啟發(fā)新的理論。

三、在量子場論中引入真空粒子產(chǎn)生機(jī)制

盎魯效應(yīng)（英語：Unruh effect），也譯作安魯效應(yīng)，是1976年由威廉·盎魯所提出[10]，這個(gè)效應(yīng)說的是一名加速運(yùn)動(dòng)的觀察者的真空觀測結(jié)果與慣性參考系中觀察者的不一樣，對(duì)于慣性系而言是真空狀態(tài)的系統(tǒng)對(duì)于加速系而言會(huì)觀測到黑體輻射。這樣，加速運(yùn)動(dòng)的觀察者會(huì)發(fā)現(xiàn)自己處在一個(gè)有溫度的背景中，他會(huì)在各個(gè)時(shí)空點(diǎn)探測到輻射。物理上來說，慣性參考系中觀察者所看到的真空態(tài)，在一名加速參考系的觀察者看來則是處在一個(gè)有溫度的平衡態(tài)中。

真空產(chǎn)生粒子的粒子還有霍金輻射（英語：Hawking radiation），它是以量子效應(yīng)理論推測出的一種由黑洞散發(fā)出來的熱輻射。此理論在1974年由物理學(xué)家史蒂芬·霍金提出[11]霍金輻射理論可以給出一個(gè)黑洞蒸散的機(jī)制，這讓黑洞這一奇怪的東西變得不那么奇怪。

這些真空粒子產(chǎn)生機(jī)制其實(shí)都源于彎曲時(shí)空的量子理論，或者說來源于加速系與慣性系之間的變換問題。在彎曲時(shí)空中，會(huì)存在視界問題，即光都跑不過的區(qū)域。但是這些區(qū)域可以通過加速系變換變成平直時(shí)空，但是這時(shí)真空不會(huì)簡單的還是變成真空，它會(huì)通過一個(gè)伯格柳伯夫變換變成有溫度的背景，于是真空就產(chǎn)生了粒子。

而彎曲時(shí)空的量子理論也與量子引力密切相關(guān)，這方面的學(xué)習(xí)有助于理解和解決這個(gè)問題，所以它非常重要。

四、在宇宙學(xué)引入量子宇宙概念

量子引力，是對(duì)引力場進(jìn)行量子化描述的理論，它是當(dāng)今物理學(xué)最大的難題。它的研究目標(biāo)是嘗試結(jié)合廣義相對(duì)論與量子力學(xué)，解決當(dāng)前的物理學(xué)尚未解決的問題。當(dāng)前主流理論有：超弦理論、圈量子引力理論。黑洞問題、宇宙產(chǎn)生問題、量子力學(xué)測量問題，這些都在一定程度上吸引物理學(xué)家去構(gòu)造引力理論。

現(xiàn)在早期宇宙的研究中，比較確定的是ΛCDM模型（英語：ΛCDM Model或Lambda-CDM Model），它是所謂Λ-冷暗物質(zhì)（Cold Dark Matter）模型的簡稱。它是大爆炸宇宙學(xué)中的索引模型，這是因?yàn)樗鼑L試解釋了對(duì)宇宙微波背景輻射、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)以及宇宙加速膨脹的超新星觀測。它當(dāng)前能夠?qū)@些現(xiàn)象提供融洽合理解釋的最簡單模型。它被認(rèn)為是宇宙學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)模型。

但ΛCDM模型再之前的宇宙還沒有定論，但是總體來說都認(rèn)為有一個(gè)暴脹的過程?！氨┟洝币辉~，最早于1980年由美國物理學(xué)家阿蘭·古斯提出[12]。這個(gè)理論認(rèn)為有某個(gè)東西，它推動(dòng)宇宙在早期暴脹，而在暴脹過程中，一些量子漲落，經(jīng)過暴脹會(huì)放大至宇宙級(jí)大小，成為宇宙結(jié)構(gòu)成長的種子，這解釋了宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成。暴脹解釋了許多大爆炸宇宙學(xué)中的一些難題，比如為什么宇宙在各個(gè)方向都看起來差不多，也就是各向同性問題；還有為什么宇宙微波背景輻射會(huì)那么均勻分布，不均勻性只有總體的千分之一；還有為什么宇宙平直性問題以及磁單極子問題？

現(xiàn)在的暴脹機(jī)制尚未明確，有暴脹場推動(dòng)暴脹理論、真空暴脹理論等理論。其中真空暴脹理論基于惠勒-德維特方程，惠勒-德維特方程是一個(gè)描述宇宙波函數(shù)必須滿足量子引力理論的方程，它蘊(yùn)含了一些量子引力的模型。所以這方面的學(xué)習(xí)，對(duì)宇宙學(xué)前沿研究有重大的意義。

五、總結(jié)

量子引力是目前物理學(xué)中最大的問題、難題。它包含著非常多個(gè)當(dāng)今物理學(xué)中難以解決的問題。它的研究意義極其重大，而自發(fā)暴脹理論包含了很多研究量子引力的方面，學(xué)習(xí)這些東西，能夠迅速走向這些方面的研究前沿。因此，將它和它包含的這些知識(shí)納入基礎(chǔ)物理學(xué)的教學(xué)中是非常有意義的。

參考文獻(xiàn)：

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[13]Abney M，Barreiro T，Copeland E J，et al.Reconstructing the Inflaton Potential— an Overview[M].Springer US，1994.

How to Introduce Spontaneous Creation of the Universe in College Cosmology Teaching

LV Hua，ZHU Yu-zhuo

（School of Science，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China）

Abstract：We introduce the concept of the Spontaneous creation of the universe. In this foundation，we analysis some new theory necessary in this theory. What's more，we show how to introduce these new theory to the teaching of fundamental physics. Learning these new theory is very important to the student for there are mean to the quantum gravity theory. With this knowledge，the student can reduce the gap between book and research.

Key words：Spontaneous inflation；Bohm theory；Quantum universe；Vacuum particle generation