Science 版 (精华区)

作  家: Smart (Cynic) on board 'Science'
题  目: <<NST>>IV --- Hawking on quantum cosmology
来  源: 哈尔滨紫丁香站
日  期: Mon Oct 20 13:01:08 1997
出  处: wangw@phy5.hit.edu.cn

                                The Nature of
                               Space and Time

    Two relativists present their distinctive views on the universe, its
                 evolution and the impact of quantum theory

                  by Stephen W. Hawking and Roger Penrose

IV. Hawking on quantum cosmology:

                  I will end this lecture on a topic on which Roger and I
                  have very different views-the arrow of time. There is a
                  very clear distinction between the forward and the
                  backward directions of time in our region of the
                  universe. One only has to watch a film being run backward
                  to see the difference. Instead of cups falling off tables
                  and getting broken, they would mend themselves and jump
                  back on the table. If only real life were like that.

                  The local laws that physical fields obey are time
                  symmetric, or more precisely, CPT (charge-parity-time)
                  invariant. Thus, the observed difference between the past
                  and the future must come from the boundary conditions of
                  the universe. Let us take it that the universe is
                  spatially closed and that it expands to a maximum size
                  and collapses again. As Roger has emphasized, the
                  universe will be very different at the two ends of this
                  history. At what we call the beginning of the universe,
                  it seems to have been very smooth and regular. However,
                  when it collapses again, we expect it to be very
                  disordered and irregular. Because there are so many more
                  disordered configurations than ordered ones, this means
                  that the initial conditions would have had to be chosen
                  incredibly precisely.

                  It seems, therefore, that there must be different
                  boundary conditions at the two ends of time. Roger's
                  proposal is that the Weyl tensor should vanish at one end
                  of time but not the other. The Weyl tensor is that part
                  of the curvature of space-time that is not locally
                  determined by the matter through the Einstein equations.
                  It would have been small in the smooth, ordered early
                  stages but large in the collapsing universe. Thus, this
                  proposal would distinguish the two ends of time and so
                  might explain the arrow of time.

                  I think Roger's proposal is Weyl in more than one sense
                  of the word. First, it is not CPT invariant. Roger sees
                  this as a virtue, but I feel one should hang on to
                  symmetries unless there are compelling reasons to give
                  them up. Second, if the Weyl tensor had been exactly zero
                  in the early universe, it would have been exactly
                  homogeneous and isotropic and would have remained so for
                  all time. Roger's Weyl hypothesis could not explain the
                  fluctuations in the background nor the perturbations that
                  give rise to galaxies and bodies like ourselves.

                  Despite all this, I think Roger has put his finger on an
                  important difference between the two ends of time. But
                  the fact that the Weyl tensor was small at one end should
                  not be imposed as an ad hoc boundary condition but should
                  be deduced from a more fundamental principle, the
                  no-boundary proposal....

                  How can the two ends of time be different? Why should
                  perturbations be small at one end but not the other? The
                  reason is there are two possible complex solutions of the
                  field equations.... Obviously, one solution corresponds
                  to one end of time and the other to the other.... At one
                  end, the universe was very smooth and the Weyl tensor was
                  very small. It could not, however, be exactly zero, for
                  that would have been a violation of the uncertainty
                  principle. Instead there would have been small
                  fluctuations that later grew into galaxies and bodies
                  like us. By contrast, the universe would have been very
                  irregular and chaotic at the other end of time with a
                  Weyl tensor that was typically large. This would explain
                  the observed arrow of time and why cups fall off tables
                  and break rather than mend themselves and jump back on.


--
※ 来源:·哈尔滨紫丁香站 bbs1.hit.edu.cn·[FROM: wangw@phy5.hit.edu.c]