在大爆炸之后的瞬间,宇宙经历了被称为暴胀的快速膨胀。根据标准宇宙学,在这个时期,微小的能量涟漪播下了星系和我们今天看到的其他大规模结构的种子。但是没有人可以解释这些涟漪最初是如何形成的。三位物理学家现在表示,解开这个谜题的关键在于量子引力,这是一种仍在试验中的理论,在这种理论中,引力将表现出亚原子物理学典型的模糊“不确定性”。
基于爱因斯坦广义相对论的标准宇宙学无法解释涟漪的起源,因为它在非常小的尺度上会失效。在暴胀开始之前的极短时期内,即普朗克时期,整个已知的宇宙都被塞进了一个比原子小许多数量级的区域。如果推回到那么远,相对论会做出诸如无限能量密度之类的无稽之谈预测。
为了将阿尔伯特·爱因斯坦的理论扩展到如此极端的领域,研究人员开发了一种名为圈量子引力的理论。从 20 世纪 80 年代开始,现在在宾夕法尼亚州立大学的阿拜·阿什特卡 (Abhay Ashtekar) 重新调整了爱因斯坦的方程,使其对量子友好。其结果之一是,空间本身不是光滑的背景,而是由称为环的离散单元组成,并且其微观结构可能会在多个同时状态之间波动。近年来,物理学家们还发现,如果圈量子引力是正确的——这是一个很大的假设,因为仍然缺乏实验证据——那么大爆炸实际上将是从早期坍缩宇宙中“大反弹”。
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阿什特卡的研究团队现在表示,通过扩展圈量子引力技术,它弥合了大反弹(位于普朗克区域)与暴胀开始之间的差距,并且它可以解释那些至关重要的涟漪,没有这些涟漪,你我就不会在这里。研究人员计算得出,这些涟漪将是存在于大反弹时期的量子涨落的自然结果。
然而,阿什特卡说,该团队的预测与“普通”暴胀的预测略有不同,这种差异可能会在未来对宇宙结构的调查中得到检验。
阿什特卡说,这些结果将发表在《物理评论快报》上,提供了“暴胀一直到普朗克尺度的自洽扩展”。
路易斯安那州立大学的圈量子引力专家豪尔赫·普林 (Jorge Pullin) 说,量子引力可能在今天的大规模宇宙结构上留下印记的结论“非常令人惊讶和美妙”,他没有参与这项研究。
安大略省 Perimeter 理论物理研究所所长尼尔·图罗克 (Neil Turok) 表示,该团队仍然需要“人为假设”,他们将这些假设从暴胀的开始推回到更早的时间。图罗克说,圈量子引力“有许多有趣的想法”,“但这还不是一个应该认真对待其预测的理论。”