新理論揭示早期宇宙暴脹與量子引力的內在聯系

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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”

展示物理學主要理論之間相互關聯的維恩圖。

圖源：CMG Lee

現代宇宙學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。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的領域，也就是原子和分子構成的模糊世界。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一為一個自洽的模型：

01

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

02

將狹義相對論與量子力學結合，就得到量子場論。

03

將量子力學與萬有引力結合，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，物質可以轉化為能量，能量也可以轉化為物質。在量子理論中，粒子可以在量子不確定性的范圍內自發地以虛粒子的形式出現或消失。當這兩者結合時，問題就出現了：虛粒子本身具有能量，而這種能量又會觸發更多虛粒子的產生。如果你試圖計算所有虛粒子的總能量，結果會趨于無窮大。

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”的數學方法，可以抵消這些虛粒子的能量，從而得到有限結果。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。幽靈粒子的質量可能太大，以至于無法在當前的粒子物理實驗中觀測到，使得該理論難以驗證。

或者說——我們曾經這么認為。

二次引力模型與觀測結果的比較。

圖片來源：Liu 等人。

近日，一篇發表于 《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動宇宙的快速膨脹。而當宇宙完成早期暴脹后，時空結構又會重新由廣義相對論主導。

更重要的是，作者進一步證明，該模型還預測在宇宙暴脹時期會產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，但它們的強度已經進入未來觀測設備（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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天王星最大的衛星: 泰坦尼亞（天衛三）
影像來源: NASA, Voyager 2;

影像處理與授權: zelario12

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