宇宙的探戈在非常小和非常大之间

大学公园,爸爸。虽然爱因斯坦的广义相对论可以解释大量令人着迷的天体物理学和宇宙学现象，但宇宙在最大尺度上的某些性质仍是一个谜。一项使用环量子宇宙学的新研究——一种利用量子力学将引力物理扩展到爱因斯坦广义相对论之外的理论——解释了两个主要的谜团。虽然这两种理论的差异发生在最微小的尺度上——甚至比质子还要小得多——但它们在宇宙中可获得的最大尺度上产生了影响。这项研究发表在7月29日的《物理评论快报》网络版上，它还提供了关于宇宙的新预测，未来的卫星任务可以测试这些预测。

虽然放大后的宇宙图像看起来相当均匀，但它确实有一个大尺度结构，例如，因为星系和暗物质不是均匀分布在整个宇宙中。这个结构的起源可以追溯到在宇宙微波背景(CMB)中观察到的微小的不均匀性——宇宙在38万年前发出的辐射，我们今天仍然可以看到。但是CMB本身有三个令人困惑的特征，这些特征被认为是异常的，因为它们很难用已知的物理学来解释。

宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学副教授郑东辉(Donghui Jeong)是这篇论文的作者之一，他说:“虽然看到其中一个异常现象在统计上可能没有那么显著，但看到两个或更多的异常现象表明，我们生活在一个异常的宇宙中。”《自然》(Nature)杂志最近发表的一项研究对其中一种异常现象提出了解释，这种现象引发了许多额外的担忧，他们指出“宇宙学可能面临危机”。然而，利用量子环宇宙学，我们自然地解决了其中两个异常现象，避免了潜在的危机。”

过去三十年的研究极大地提高了我们对早期宇宙的理解，包括宇宙微波背景下的不均匀性是如何产生的。这些不均匀性是早期宇宙不可避免的量子涨落的结果。在非常早期的一个高度加速的膨胀阶段——被称为膨胀——这些原始的、微小的波动在重力的影响下被拉伸，播下了在宇宙微波背景下观察到的不均匀性。

“了解原始种子出现,我们需要仔细看看宇宙早期,爱因斯坦的广义相对论理论分解,“说,Abhay Ashtekar提出埃文·普的物理学教授,持有人希伯家族的椅子在物理和宾夕法尼亚州立大学研究所主任万有引力,宇宙。基于广义相对论的标准暴涨范式将时空视为一个平滑的连续体。假设一件衬衫看起来像一个二维表面，但仔细观察，你会发现它是由密集的一维线编织而成的。这样，时空的结构就真的是由量子线编织而成的。在解释这些线索时，环量子宇宙学允许我们超越广义相对论所描述的连续统一性，而爱因斯坦的物理学在这个连续统一性中已经失效——例如超越大爆炸。”

研究人员之前对早期宇宙的调查取代了大爆炸奇点的观点，即宇宙从无物中诞生，通过大弹跳，当前膨胀的宇宙从超压缩质量中诞生，而超压缩质量是宇宙在之前阶段收缩时产生的。他们发现，所有广义相对论所解释的宇宙的大尺度结构，都同样可以用环量子宇宙学的方程式来解释大弹跳后的暴涨。

在新的研究中，研究人员确定环量子宇宙学下的暴涨也解决了广义相对论下出现的两个主要反常现象。

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这张图表显示了宇宙的进化，根据循环量子起源的范式，由宾夕法尼亚州立大学的科学家开发。

IMAGE: Alan Stonebraker. P. Singh, Physics 5, 142 (2012); APS/A. Stonebraker

“我们正在讨论的原始波动发生在难以置信的小普朗克尺度上，”布拉杰什·古普特(Brajesh Gupt)说。他当时是宾夕法尼亚州立大学的博士后研究员，目前在德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)的德克萨斯高级计算中心(Texas Advanced Computing Center)工作。“普朗克长度大约比质子半径小20个数量级。但在这个难以想象的小尺度上对暴涨的修正同时解释了宇宙中最大尺度上的两种反常现象，在宇宙的极小和极大探戈中。”

研究人员还对一个基本的宇宙学参数和原始引力波做出了新的预测，这些预测可以在未来的卫星任务中进行测试，包括LiteBird和宇宙起源探索者，这将继续提高我们对早期宇宙的理解。

除了郑、阿什特卡尔和古普特，研究团队还包括印度苏拉特卡尔卡纳塔克邦国立理工学院的V. Sreenath。这项工作得到了美国国家科学基金会、美国国家航空航天局、宾夕法尼亚州立大学埃伯利理学院和印度浦那大学间天文和天体物理中心的支持。