由滑铁卢大学 Niayesh Afshordi 领导的研究人员提出了一种新理论，可以解决物理学中最大的谜团之一：大爆炸的最初时刻发生了什么。这项名为“二次量子引力”的提议挑战了爱因斯坦的广义相对论，它表明，当引力扩展到极高的能量时，无需无限奇点就可以解释宇宙的诞生。
一个多世纪前发展起来的广义相对论在许多情况下都完美适用。但当应用于大爆炸时，它就惨遭失败。在那一刻，该理论预测了不可能的条件：无限密度、曲率和温度。根据阿夫肖迪的说法，这表明爱因斯坦在他的方程中漏掉了一些东西。
经典引力的不完备性
传统的大爆炸理论从爱因斯坦的引力开始，然后添加额外的成分，主要是假设的“暴胀场”，来解释宇宙最初的快速膨胀。这就像修补不充分的理论中的漏洞。
该团队的工作询问，一旦重力扩展到极高能量下，这种行为是否可以直接来自重力本身。研究人员没有将大爆炸视为方程失效的点，而是研究了一种理论，其中引力已经包含了一致地描述这个超原始阶段的必要成分。
阿夫肖迪解释了“紫外线完整性”的概念：一种即使在任意高能量下也保持完整和自洽的理论。该团队提出的扩展恢复了早期宇宙膨胀的模型，同时有可能消除早期奇点的有问题的概念。
该理论如何运作
二次量子引力从根本上重新定义了我们如何理解在最小尺度上支配宇宙的力。该理论非常适合当前的观测数据，在某些情况下比许多标准的通货膨胀模型更好。
最令研究人员惊讶的是，一旦该理论在一致的高能环境中得到处理，类暴胀阶段就会自然地出现。通常，科学家认为通货膨胀是需要添加到重力中的东西。在这里，它是由重力本身自然产生的。
- 二次量子引力在任意高能量下保持一致性
- 恢复没有奇点的初始宇宙暴胀模型
- 与当前观测数据吻合良好
- 减少对早期宇宙的额外假设的需要
- 为宇宙起源问题提供了更优雅的方法
未来的观察测试
该团队的下一步是改进模型的观测预测，并仔细将其与未来的数据进行比较。研究遵循两个主要方向：理论和观察。
在理论方面，研究人员希望更全面地了解量子引力的结构，并在他们研究的简化场景之外测试结论的稳健性。从观测的角度来看，他们需要对原始引力波和早期宇宙的其他痕迹做出更清晰的预测。
可以证实该团队理论的观测证据将来自宇宙中一些最古老的可观测信号。时空中的微小涟漪，称为原初引力波，携带着有关大爆炸的直接信息。同样重要的是宇宙微波背景中的微妙印记，这是一种宇宙化石，代表着宇宙诞生仅 38 万年时留下的第一道光。
为什么这很重要
对于物理学家来说，证明量子引力的概念就相当于圣杯。它将弥合我们对宇宙的解释之间的差距，在广义相对论支配下的广阔宇宙尺度上，和在量子物理学支配下的微小尺度上解释宇宙。几十年来，科学家们一直在寻找一种对两端都有效的统一理论。
阿夫肖迪强调，如果未来的观测能够探测到原始引力波的正确模式或宇宙微波背景中的其他区别标记，它将提供一种方法来测试早期宇宙的这张图是否正确。否则，可能需要更常规的解释。
这项研究代表了爱因斯坦理论的相对最小的扩展，但有可能为解决我们宇宙起源的深层问题做出重大贡献。科学界正在饶有兴趣地关注这项调查的后续步骤。