科學家將愛因斯坦相對論擴充套件到宇宙的最初時刻

新的計算將愛因斯坦的廣義相對論擴充套件到宇宙最初的幾個時刻

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在大爆炸之後的瞬間,宇宙經歷了被稱為暴脹的快速膨脹。根據標準宇宙學,在這個時期,微小的能量漣漪播下了星系和我們今天看到的其他大規模結構的種子。但是沒有人可以解釋這些漣漪最初是如何形成的。三位物理學家現在表示,解開這個謎題的關鍵在於量子引力,這是一種仍在試驗中的理論,在這種理論中,引力將表現出亞原子物理學典型的模糊“不確定性”。

基於愛因斯坦廣義相對論的標準宇宙學無法解釋漣漪的起源,因為它在非常小的尺度上會失效。在暴脹開始之前的極短時期內,即普朗克時期,整個已知的宇宙都被塞進了一個比原子小許多數量級的區域。如果推回到那麼遠,相對論會做出諸如無限能量密度之類的無稽之談預測。

為了將阿爾伯特·愛因斯坦的理論擴充套件到如此極端的領域,研究人員開發了一種名為圈量子引力的理論。從 20 世紀 80 年代開始,現在在賓夕法尼亞州立大學的阿拜·阿什特卡 (Abhay Ashtekar) 重新調整了愛因斯坦的方程,使其對量子友好。其結果之一是,空間本身不是光滑的背景,而是由稱為環的離散單元組成,並且其微觀結構可能會在多個同時狀態之間波動。近年來,物理學家們還發現,如果圈量子引力是正確的——這是一個很大的假設,因為仍然缺乏實驗證據——那麼大爆炸實際上將是從早期坍縮宇宙中“大反彈”。


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阿什特卡的研究團隊現在表示,透過擴充套件圈量子引力技術,它彌合了大反彈(位於普朗克區域)與暴脹開始之間的差距,並且它可以解釋那些至關重要的漣漪,沒有這些漣漪,你我就不會在這裡。研究人員計算得出,這些漣漪將是存在於大反彈時期的量子漲落的自然結果。

然而,阿什特卡說,該團隊的預測與“普通”暴脹的預測略有不同,這種差異可能會在未來對宇宙結構的調查中得到檢驗。

阿什特卡說,這些結果將發表在《物理評論快報》上,提供了“暴脹一直到普朗克尺度的自洽擴充套件”。

路易斯安那州立大學的圈量子引力專家豪爾赫·普林 (Jorge Pullin) 說,量子引力可能在今天的大規模宇宙結構上留下印記的結論“非常令人驚訝和美妙”,他沒有參與這項研究。

安大略省 Perimeter 理論物理研究所所長尼爾·圖羅克 (Neil Turok) 表示,該團隊仍然需要“人為假設”,他們將這些假設從暴脹的開始推回到更早的時間。圖羅克說,圈量子引力“有許多有趣的想法”,“但這還不是一個應該認真對待其預測的理論。”

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