循环量子宇宙论理论：非常小和非常大之间的宇宙探戈

早期宇宙中微小的量子涨落以非常小和非常大的宇宙探戈解释了关于宇宙大规模结构的两个主要奥秘。宾夕法尼亚州立大学研究人员的一项新研究使用量子环引力理论来解释这些奥秘，爱因斯坦的广义相对论认为这是反常的。图片提供：宾夕法尼亚州立大学Dani Zemba

环量子宇宙论理论描述了微小的原始特征如何解释宇宙最大尺度上的异常

虽然爱因斯坦的广义相对论可以解释许多引人入胜的天体物理学和宇宙学现象，但宇宙最大尺度上的某些方面仍然是个谜。一项使用环量子宇宙学的新研究解释了两个主要谜团，该理论使用量子力学将引力物理学扩展到爱因斯坦的广义相对论之外。虽然理论上的差异发生在最小的尺度上，甚至比质子都小得多，但是它们却在宇宙中最大的可到达尺度上产生了影响。这项研究于2020年7月29日在线发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，还提供了有关未来卫星任务可以测试的宇宙的新预测。

尽管缩小后的宇宙图片看上去相当均匀，但它确实具有大规模的结构，例如因为星系和暗物质在整个宇宙中分布不均匀。这种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，即宇宙在38万年的年轻时发出的辐射，我们今天仍然可以看到。但是CMB本身具有三个令人费解的功能，这些功能被认为是异常，因为它们很难用已知的物理学来解释。

该图根据宾夕法尼亚州立大学的科学家根据“环量子起源”范式显示了宇宙的演化。图片提供：艾伦·斯通布雷克（Alan Stonebraker）。P.Singh，物理学5，142（2012）; APS / A。石匠

宾州州立大学天文学与天体物理学副教授，论文作者郑东辉说：“虽然看到这些异常之一在统计学上可能并不那么显着，但同时看到两个或更多个则表明我们生活在一个特殊的宇宙中。” “最近在《自然天文学》杂志上的一项研究提出了对这些异常现象之一的解释，这些异常现象引起了更多的关注，它们标志着“宇宙学可能发生的危机”。但是，使用量子环宇宙学，我们自然解决了其中两个异常，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，包括如何首先产生CMB中的不均匀性。这些不均匀性是早期宇宙中不可避免的量子波动的结果。在非常早期的扩张的高度加速阶段（称为通货膨胀），这些原始的微小波动在重力的影响下得以拉伸，并在CMB中植入了观察到的不均匀性。

“要了解原始种子是如何产生的，我们需要仔细研究爱因斯坦的广义相对论破裂的早期宇宙，”埃伯里家庭物理学主席，埃伯里家庭物理学教授，埃文·普格物理学教授阿比·阿什特卡说宾夕法尼亚州立大学引力与宇宙研究所。“基于广义相对论的标准通货膨胀范式将时空视为平滑的连续体。考虑一件看起来像二维表面的衬衫，但是仔细检查后，您会发现它是由紧密堆积的一维线织成的。这样，时空的结构实际上是由量子线编织的。在考虑这些线程时，环量子宇宙学使我们能够超越广义相对论所描述的连续性，在广义相对论中爱因斯坦的物理学崩溃了，例如超越了大爆炸。”

研究人员先前对早期宇宙的研究用大弹跳取代了大爆炸奇点的想法，在宇宙从无到有的情况下，宇宙从无到有出现，在宇宙中，当前膨胀的宇宙从宇宙在收缩时产生的超压缩质量产生。其前一阶段。他们发现，在宇宙大爆炸之后，使用环量子宇宙学方程式，通过通货膨胀同样可以解释广义相对论所占的所有宇宙大尺度结构。 

在这项新研究中，研究人员确定，环量子宇宙学下的膨胀还可以解决广义相对论下出现的两个主要异常现象。

“我们正在谈论的原始波动发生在令人难以置信的小普朗克规模上，”宾州州立大学博士后研究时的布拉杰什·古普特说，他目前在德克萨斯大学奥斯汀分校的德克萨斯高级计算中心工作。普朗克的长度比质子的半径小20个数量级。但是，以这种难以想象的小规模对通货膨胀进行的修正同时解释了宇宙中最大规模的两个异常，即非常小和非常大的宇宙探戈。”

研究人员还对基本宇宙学参数和原始引力波产生了新的预测 可以在未来的卫星任务（包括LiteBird和Cosmic Origins Explorer）中进行测试，这些任务将继续改善我们对早期宇宙的理解。

参考：Abhay Ashtekar，Brajesh Gupt，Donghui Jeong和V. Sreenath撰写的“使用普朗克尺度物理学减轻宇宙微波背景中的张力”，《物理评论快报》，2020年7月29日。

除了Jeong，Ashtekar和Gupt之外，研究团队还包括印度苏拉特卡尔国立卡纳塔克邦技术学院的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（NASA），宾夕法尼亚州立大学埃伯里科学学院以及印度浦那大学间天文学和天体物理学中心的支持。