最近，中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所蔡慶宇研究小組通過深入研究惠勒-德威特方程并結(jié)合量子軌道理論，首次證明宇宙可以通過量子機制自發(fā)產(chǎn)生。該研究成果發(fā)表于美國《物理評論D》2014年第4期（Phys.Rev. D 89,083510）。
探尋宇宙起源是人類社會的永恒追求。上世紀(jì)20年代以來，科學(xué)家在哈勃紅移和微波背景輻射實驗觀測基礎(chǔ)上，先后提出了宇宙膨脹模型以及大爆炸理論。然而，無論大爆炸理論還是隨后發(fā)展的暴漲模型，都無法克服廣義相對論預(yù)言的宇宙奇點問題。
為解決宇宙奇點問題，揭示早期宇宙產(chǎn)生的物理機制，蔡慶宇等人深入研究了描述宇宙波函數(shù)的惠勒-德威特方程。他們證明，一旦假真空由于量子漲落產(chǎn)生一個小真空泡，這個真空泡會自發(fā)指數(shù)加速膨脹，迅速長大，從而導(dǎo)致時空的出現(xiàn)，并產(chǎn)生早期宇宙。通過使用量子軌道理論，他們發(fā)現(xiàn)，在早期宇宙中，量子勢自然地扮演了宇宙常數(shù)的角色，量子效應(yīng)是早期宇宙暴漲的根源。隨著早期宇宙的長大，量子效應(yīng)減弱，指數(shù)加速膨脹停止，暴漲結(jié)束。該工作不僅闡明了宇宙起源的量子機制，有效解決宇宙奇點問題，并且揭示了早期宇宙時期宇宙常數(shù)（暗能量）完全是一種量子效應(yīng)。
蔡慶宇研究員長期致力于量子信息及其交叉學(xué)科的理論研究工作。2009年，他與合作者首次把量子軌道理論應(yīng)用到強激光與原子相互作用體系，實現(xiàn)了該體系量子描述向經(jīng)典描述的過渡(New J. Phys. 11, 113035)；2011年，他與合作者首次證明了兩路量子密碼的無條件安全性(Phys. Rev. A 84, 042344)；2013年，他與合作者撰寫的關(guān)于“黑洞信息丟失問題”的研究論文獲得美國引力基金會論文比賽一等獎(IJMPD 22, 1341014)。
相關(guān)工作獲得國家自然科學(xué)基金面上項目、科技部重大研究計劃課題，以及中國科學(xué)院新興與交叉學(xué)科布局試點項目的資助。
