科學家提出新的引力來解釋宇宙的誕生

一個國際研究小組發展了一種修正的引力理論，可以解決物理學最大的謎團之一：宇宙是如何誕生的。所謂的二次量子重力試圖在大爆炸的最初時刻彌合愛因斯坦廣義相對論和量子力學之間的差距。

由滑鐵盧大學和周界研究所教授 Niayesh Afshordi 領導的研究表明，引力本身包含了解釋宇宙初始膨脹所需的成分，而無需依賴額外的假設概念。該作品對宇宙起源的傳統觀點提出了質疑。

愛因斯坦理論的問題

廣義相對論由阿爾伯特·愛因斯坦 (Albert Einstein) 於 1915 年提出，在描述大尺度宇宙方面異常準確。然而，當應用於大爆炸的最初時刻和黑洞內部時，理論面臨嚴重的崩潰。

在密度、溫度和曲率這些極端條件下，愛因斯坦方程式預測了奇點，即密度和溫度變成無限大的點。 「這通常表明該理論已經超出了可靠範圍，」阿夫肖迪解釋道。廣義相對論根本無法在宇宙誕生時存在的高能量下發揮作用。

幾十年來，科學家一直在努力解決這種不完整性。標準方法是接受廣義相對論，然後添加額外的理論層（主要是假設的膨脹場）來解釋宇宙如何在大爆炸後如此迅速地膨脹。

新引力如何運作

阿夫肖迪和他的團隊的提議扭轉了這一邏輯。他們沒有用額外的成分來修復廣義相對論，而是擴展了引力理論本身，使其即使在極高的能量下也能保持一致。這種延伸就是物理學家所說的「紫外線完整性」。

阿夫肖迪說：「我們的方法詢問，一旦早期宇宙以在極端能量下表現更好的方式拉伸，早期宇宙中的某些行為是否可以直接來自重力。」二次量子引力以愛因斯坦方程式為基礎，但添加了數學術語，以確保該理論適用於任何能量尺度。

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令人驚訝的是，當研究團隊將這種擴展的引力應用於大爆炸時，方程式中自然出現了類似暴脹的階段。不需要手動輸入。阿夫肖迪說：「它能夠從重力本身產生，真是太神奇了。」該模型還可能消除初始奇點的概念，即一切都無限的不可能點。

即將進行的觀察測試

研究人員指出了未來研究的兩個主要方向：

• 提高對模型的理論理解，並測試其在已研究的簡化場景之外的穩健性
• 制定清晰的觀測預測，使理論與更傳統的通貨膨脹模型區分開來
• 尋找原始重力波的特定模式
• 分析宇宙微波背景 (CMB) 中的微妙痕跡，宇宙微波背景是宇宙第一道光的宇宙化石遺跡
• 使用未來觀察的數據來證實或反駁假設

阿夫肖迪解釋說：「這些是少數幾個能夠直接告訴我們極其遙遠的時代的物理現象的探測器。」如果未來的觀測發現了原始引力波的正確模式，或者模型預測的宇宙微波背景上的獨特標記，它將提供一種具體的方法來測試這種早期宇宙的觀點是否正確。

適合當前數據

所提出的模型非常適合目前可用的宇宙學數據。在某些情況下，它比許多標準通膨模型更適合觀察結果。這並不能證明理論是正確的，需要更多的時間和觀察，但它提供了希望，這條路可以帶來真正的答案。

量子重力代表了理論物理學的聖杯。將廣義相對論與量子力學統一起來將填補我們對自然理解的根本空白。這將解釋宇宙如何在巨大的宇宙尺度和微小的亞原子尺度上運行，而這兩種理論是不相容的。

如果阿夫肖迪和他的團隊的方法被證明是正確的，那麼它不僅可以更一致地解釋大爆炸。這也意味著愛因斯坦幾乎可以肯定，他的理論只需要自然延伸即可在真正的極端能量下發揮作用，而不需要額外的全新概念。