新理論揭示早期宇宙暴脹與量子引力的內(nèi)在聯(lián)系

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作者：Brian Koberlein

編譯：張雨荷

編排：喻思敏

后臺：李子琦

https://www.universetoday.com/articles/a-new-theory-connects-early-cosmic-inflation-and-quantum-gravity”

展示物理學(xué)主要理論之間相互關(guān)聯(lián)的維恩圖。

圖源：CMG Lee

現(xiàn)代宇宙學(xué)建立在三大理論支柱之上：狹義相對論、牛頓萬有引力和量子力學(xué)。每一種理論都有大量實驗支持，但它們對物理世界的描述方式彼此之間卻存在矛盾。

量子理論描述的是微觀世界——由電磁力、強相互作用和弱相互作用主導(dǎo)的領(lǐng)域，也就是原子和分子構(gòu)成的模糊世界。牛頓理論則描述宏觀世界——星系、黑洞以及行星的軌道。狹義相對論描述的是空間和時間——這是原子、行星和人類運動與相互作用的背景。

有趣的是，這三種理論中任意兩種都可以統(tǒng)一為一個自洽的模型：

01

將狹義相對論與萬有引力結(jié)合，就得到廣義相對論，它描述了引力如何導(dǎo)致時空彎曲。

02

將狹義相對論與量子力學(xué)結(jié)合，就得到量子場論。

03

將量子力學(xué)與萬有引力結(jié)合，可以得到弱量子引力模型，用來描述原子和分子在地球等弱引力場中的行為。

我們目前還沒有一個能夠統(tǒng)一這三者的理論。其中一個主要難題是重整化問題。在狹義相對論中，物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化為能量，能量也可以轉(zhuǎn)化為物質(zhì)。在量子理論中，粒子可以在量子不確定性的范圍內(nèi)自發(fā)地以虛粒子的形式出現(xiàn)或消失。當(dāng)這兩者結(jié)合時，問題就出現(xiàn)了：虛粒子本身具有能量，而這種能量又會觸發(fā)更多虛粒子的產(chǎn)生。如果你試圖計算所有虛粒子的總能量，結(jié)果會趨于無窮大。

幸運的是，在量子理論中，只有相對能量才是物理上有意義的。通過一種稱為“重整化”的數(shù)學(xué)方法，可以抵消這些虛粒子的能量，從而得到有限結(jié)果。但一旦加入引力，這一方法就失效了。因為虛粒子的能量會彎曲時空，而當(dāng)時空本身不再是固定背景時，就無法再進行重整化。

許多量子引力理論都面臨這一難題，無法實現(xiàn)重整化。但有一種方法——二次量子引力（quadratic quantum gravity）——卻可以做到。本質(zhì)上，該模型在愛因斯坦場方程中添加了二次項，使其能夠像量子場論一樣進行重整化。問題在于，它也引入了“幽靈粒子”（ghost particles）。這些粒子從未在實驗中被觀測到，因此該理論并不受歡迎。幽靈粒子的質(zhì)量可能太大，以至于無法在當(dāng)前的粒子物理實驗中觀測到，使得該理論難以驗證。

或者說——我們曾經(jīng)這么認為。

二次引力模型與觀測結(jié)果的比較。

圖片來源：Liu 等人。

近日，一篇發(fā)表于 《物理評論快報》（Physical Review Letters） 的研究提出：二次量子引力可能正是宇宙早期快速膨脹的原因。研究表明，在這一理論框架下，方程中的二次項可以自然驅(qū)動宇宙的快速膨脹。而當(dāng)宇宙完成早期暴脹后，時空結(jié)構(gòu)又會重新由廣義相對論主導(dǎo)。

更重要的是，作者進一步證明，該模型還預(yù)測在宇宙暴脹時期會產(chǎn)生一種最低強度的背景引力波。雖然這些引力波目前仍無法被觀測到，但它們的強度已經(jīng)進入未來觀測設(shè)備（例如 LISA）的探測范圍。

這意味著：這一理論在未來是可以被檢驗的。

責(zé)任編輯：陳瑋菁

牧夫新媒體編輯部

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天王星最大的衛(wèi)星: 泰坦尼亞（天衛(wèi)三）
影像來源: NASA, Voyager 2;

影像處理與授權(quán): zelario12

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