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(tái)：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(duì)論、牛頓萬(wàn)有引力和量子力學(xué)。每一種理論都有大量實(shí)驗(yàn)支持，但它們對(duì)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(qiáng)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(duì)論描述的是空間和時(shí)間——這是原子、行星和人類(lèi)運(yùn)動(dòng)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(gè)自洽的模型：

01

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

02

將狹義相對(duì)論與量子力學(xué)結(jié)合，就得到量子場(chǎng)論。

03

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

我們目前還沒(méi)有一個(gè)能夠統(tǒng)一這三者的理論。其中一個(gè)主要難題是重整化問(wèn)題。在狹義相對(duì)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(shí)，問(wèn)題就出現(xiàn)了：虛粒子本身具有能量，而這種能量又會(huì)觸發(fā)更多虛粒子的產(chǎn)生。如果你試圖計(jì)算所有虛粒子的總能量，結(jié)果會(huì)趨于無(wú)窮大。

幸運(yùn)的是，在量子理論中，只有相對(duì)能量才是物理上有意義的。通過(guò)一種稱(chēng)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?yàn)樘摿Ｗ拥哪芰繒?huì)彎曲時(shí)空，而當(dāng)時(shí)空本身不再是固定背景時(shí)，就無(wú)法再進(jìn)行重整化。

許多量子引力理論都面臨這一難題，無(wú)法實(shí)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(ài)因斯坦場(chǎng)方程中添加了二次項(xiàng)，使其能夠像量子場(chǎng)論一樣進(jìn)行重整化。問(wèn)題在于，它也引入了“幽靈粒子”（ghost particles）。這些粒子從未在實(shí)驗(yàn)中被觀測(cè)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(wú)法在當(dāng)前的粒子物理實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到，使得該理論難以驗(yàn)證。

或者說(shuō)——我們?cè)?jīng)這么認(rèn)為。

二次引力模型與觀測(cè)結(jié)果的比較。

圖片來(lái)源：Liu 等人。

近日，一篇發(fā)表于 《物理評(píng)論快報(bào)》（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(xiàng)可以自然驅(qū)動(dòng)宇宙的快速膨脹。而當(dāng)宇宙完成早期暴脹后，時(shí)空結(jié)構(gòu)又會(huì)重新由廣義相對(duì)論主導(dǎo)。

更重要的是，作者進(jìn)一步證明，該模型還預(yù)測(cè)在宇宙暴脹時(shí)期會(huì)產(chǎn)生一種最低強(qiáng)度的背景引力波。雖然這些引力波目前仍無(wú)法被觀測(cè)到，但它們的強(qiáng)度已經(jīng)進(jìn)入未來(lái)觀測(cè)設(shè)備（例如 LISA）的探測(cè)范圍。

這意味著：這一理論在未來(lái)是可以被檢驗(yàn)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(lái)源: NASA, Voyager 2;

影像處理與授權(quán): zelario12

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