新理论揭示早期宇宙暴胀与量子引力的内在联系

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏

周三 · 风月同天|周四 · 观测指南

周五 · 深空探测|周六 · 茶余星话|周日 · 太空探索

作者：Brian Koberlein

编译：张雨荷

编排：喻思敏

后台：李子琦

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

展示物理学主要理论之间相互关联的维恩图。

图源：CMG Lee

现代宇宙学建立在三大理论支柱之上：狭义相对论、牛顿万有引力和量子力学。每一种理论都有大量实验支持，但它们对物理世界的描述方式彼此之间却存在矛盾。

量子理论描述的是微观世界——由电磁力、强相互作用和弱相互作用主导的领域，也就是原子和分子构成的模糊世界。牛顿理论则描述宏观世界——星系、黑洞以及行星的轨道。狭义相对论描述的是空间和时间——这是原子、行星和人类运动与相互作用的背景。

有趣的是，这三种理论中任意两种都可以统一为一个自洽的模型：

01

将狭义相对论与万有引力结合，就得到广义相对论，它描述了引力如何导致时空弯曲。

02

将狭义相对论与量子力学结合，就得到量子场论。

03

将量子力学与万有引力结合，可以得到弱量子引力模型，用来描述原子和分子在地球等弱引力场中的行为。

我们目前还没有一个能够统一这三者的理论。其中一个主要难题是重整化问题。在狭义相对论中，物质可以转化为能量，能量也可以转化为物质。在量子理论中，粒子可以在量子不确定性的范围内自发地以虚粒子的形式出现或消失。当这两者结合时，问题就出现了：虚粒子本身具有能量，而这种能量又会触发更多虚粒子的产生。如果你试图计算所有虚粒子的总能量，结果会趋于无穷大。

幸运的是，在量子理论中，只有相对能量才是物理上有意义的。通过一种称为“重整化”的数学方法，可以抵消这些虚粒子的能量，从而得到有限结果。但一旦加入引力，这一方法就失效了。因为虚粒子的能量会弯曲时空，而当时空本身不再是固定背景时，就无法再进行重整化。

许多量子引力理论都面临这一难题，无法实现重整化。但有一种方法——二次量子引力（quadratic quantum gravity）——却可以做到。本质上，该模型在爱因斯坦场方程中添加了二次项，使其能够像量子场论一样进行重整化。问题在于，它也引入了“幽灵粒子”（ghost particles）。这些粒子从未在实验中被观测到，因此该理论并不受欢迎。幽灵粒子的质量可能太大，以至于无法在当前的粒子物理实验中观测到，使得该理论难以验证。

或者说——我们曾经这么认为。

二次引力模型与观测结果的比较。

图片来源：Liu 等人。

近日，一篇发表于 《物理评论快报》（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胀的原因。研究表明，在这一理论框架下，方程中的二次项可以自然驱动宇宙的快速膨胀。而当宇宙完成早期暴胀后，时空结构又会重新由广义相对论主导。

更重要的是，作者进一步证明，该模型还预测在宇宙暴胀时期会产生一种最低强度的背景引力波。虽然这些引力波目前仍无法被观测到，但它们的强度已经进入未来观测设备（例如 LISA）的探测范围。

这意味着：这一理论在未来是可以被检验的。

责任编辑：陈玮菁

牧夫新媒体编辑部

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

天王星最大的卫星: 泰坦尼亚（天卫三）
影像来源: NASA, Voyager 2;

影像处理与授权: zelario12

谢谢阅读