科學家提出量子重力來解釋宇宙的誕生

由滑鐵盧大學 Niayesh Afshordi 領導的研究人員提出了一種新理論，可以解決物理學中最大的謎團之一：大爆炸的最初時刻發生了什麼。這項名為「二次量子重力」的提議挑戰了愛因斯坦的廣義相對論，它表明，當重力擴展到極高的能量時，無需無限奇點就可以解釋宇宙的誕生。

一個多世紀前發展的廣義相對論在許多情況下都完美適用。但當應用於大爆炸時，它就慘敗。在那一刻，理論預測了不可能的條件：無限密度、曲率和溫度。根據阿夫肖迪的說法，這表明愛因斯坦在他的方程式中漏掉了一些東西。

經典引力的不完備性

傳統的大爆炸理論從愛因斯坦的引力開始，然後添加額外的成分，主要是假設的“暴脹場”，來解釋宇宙最初的快速膨脹。這就像是修補不充分的理論中的漏洞。

團隊的工作詢問，一旦重力擴展到極高能量下，這種行為是否可以直接來自重力本身。研究人員沒有將大爆炸視為方程式失效的點，而是研究了一種理論，其中引力已經包含了一致地描述這個超原始階段的必要成分。

阿夫肖迪解釋了「紫外線完整性」的概念：一種即使在任意高能量下也保持完整和自洽的理論。該團隊提出的擴展恢復了早期宇宙膨脹的模型，同時有可能消除早期奇點的有問題的概念。

該理論如何運作

二次量子重力從根本上重新定義了我們如何理解在最小尺度上支配宇宙的力。該理論非常適合當前的觀測數據，在某些情況下比許多標準的通貨膨脹模型更好。

最令研究人員驚訝的是，一旦理論在一致的高能量環境中處理，類暴脹階段就會自然出現。通常，科學家認為通貨膨脹是需要添加到重力中的東西。在這裡，它是由重力本身自然產生的。

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• 二次量子重力在任意高能量下保持一致性
• 恢復沒有奇點的初始宇宙暴脹模型
• 與目前觀測數據吻合良好
• 減少對早期宇宙的額外假設的需要
• 為宇宙起源問題提供了更優雅的方法

未來的觀察測試

該團隊的下一步是改進模型的觀測預測，並仔細將其與未來的數據進行比較。研究遵循兩個主要方向：理論和觀察。

在理論方面，研究人員希望更全面地了解量子重力的結構，並在他們研究的簡化場景之外測試結論的穩健性。從觀測的角度來看，他們需要對原始重力波和早期宇宙的其他痕跡做出更清晰的預測。

可以證實該團隊理論的觀測證據將來自宇宙中一些最古老的可觀測訊號。時空中的微小漣漪，稱為原初重力波，攜帶著有關大爆炸的直接訊息。同樣重要的是宇宙微波背景中的微妙印記，這是一種宇宙化石，代表著宇宙誕生僅 38 萬年時留下的第一道光。

為什麼這很重要

對物理學家來說，證明量子引力的概念就等於聖杯。它將彌合我們對宇宙的解釋之間的差距，在廣義相對論支配下的廣闊宇宙尺度上，並在量子物理學支配下的微小尺度上解釋宇宙。幾十年來，科學家一直在尋找對兩端都有效的統一理論。

阿夫肖迪強調，如果未來的觀測能夠探測到原始重力波的正確模式或宇宙微波背景中的其他區別標記，它將提供一種方法來測試早期宇宙的這張圖是否正確。否則，可能需要更常規的解釋。

這項研究代表了愛因斯坦理論的相對最小的擴展，但有可能為解決我們宇宙起源的深層問題做出重大貢獻。科學界正在饒有興趣地關注這項調查的後續步驟。