环量子宇宙学理论:非常小和非常大之间的宇宙探戈

　　回路量子宇宙学理论描述了微小的原始特征如何解释宇宙最大尺度上的异常。

　　尽管爱因斯坦的广义相对论可以解释一大堆迷人的天体物理学和宇宙学现象，但宇宙在最大尺度上的某些性质仍然是个谜。一项利用环量子宇宙学的新研究解释了两个主要的谜团。环量子宇宙学是一种利用量子力学将引力物理学扩展到爱因斯坦广义相对论之外的理论。虽然理论上的差异出现在最小的尺度上——比质子还要小得多——但它们在宇宙中最大的可及尺度上也有影响。这项研究发表在2020年7月29日的《物理评论快报》上，也提供了未来卫星任务可以测试的宇宙的新预测。

　　虽然缩小后的宇宙图像看起来相当均匀，但它确实有一个大尺度的结构，例如，因为星系和暗物质并不是均匀分布在整个宇宙中。这种结构的起源可以追溯到在宇宙微波背景(CMB)中观察到的微小不均匀性——宇宙38万年前发出的辐射，我们今天仍然可以看到。但是CMB本身有三个令人困惑的特征，它们被认为是异常的，因为它们很难用已知的物理学来解释。

　　宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学副教授、该论文的作者郑东辉说:“虽然从统计学上看，这些异常现象中的一个可能并不显著，但同时看到两个或两个以上的异常现象表明，我们生活在一个异常的宇宙中。”“最近发表在《自然天文学》杂志上的一项研究对其中一种异常现象提出了解释，这种异常现象引起了如此多的额外关注，它们标志着‘宇宙学中可能出现的危机’。”然而，使用量子环宇宙学，我们已经自然地解决了其中的两个异常，避免了潜在的危机。"

　　过去三十年的研究极大地提高了我们对早期宇宙的理解，包括宇宙运动中的不均匀性最初是如何产生的。这些不均匀性是早期宇宙中不可避免的量子波动的结果。在非常早期的高度加速膨胀阶段——称为膨胀——这些原始的、微小的波动在重力的影响下被拉长，并在CMB中植入了观察到的不均匀性。

　　艾凡·普格(Evan Pugh)物理学教授、艾伯利家庭物理讲座教授、宾夕法尼亚州立大学引力与宇宙研究所所长阿沛·阿什塔卡尔(Abhay Ashtekar)说:“要理解原始种子是如何产生的，我们需要更仔细地观察早期宇宙，在那里爱因斯坦的广义相对论被打破了。”“基于广义相对论的标准膨胀范式将时空视为一个平滑的连续统一体。考虑一件看起来像二维表面的衬衫，但仔细观察你会发现它是由密集的一维线编织而成的。这样，时空的结构就真的被量子线编织起来了。在解释这些线索时，环形量子宇宙学使我们能够超越广义相对论所描述的爱因斯坦物理学崩溃的连续统——例如，超越大爆炸。”

　　研究人员先前对早期宇宙的研究取代了大爆炸奇点的概念，在大爆炸奇点中，宇宙从无到有，而在大反弹中，当前膨胀的宇宙从宇宙在其前一阶段收缩时产生的超压缩质量中出现。他们发现，广义相对论所解释的宇宙的所有大尺度结构，在大反弹之后，都同样可以用圈量子宇宙学的方程来解释。

　　在新的研究中，研究人员确定环量子宇宙学下的膨胀也解决了广义相对论下出现的两个主要异常。

　　“我们正在讨论的原始波动发生在非常小的普朗克尺度上，”布拉杰什·古普特说，他当时是宾夕法尼亚州立大学的博士后研究员，目前在奥斯汀的德克萨斯大学的德克萨斯高级计算中心工作。“普朗克长度大约比质子半径小20个数量级。但在这种难以想象的小尺度上对膨胀的修正，同时解释了宇宙中最大尺度上的两种异常现象，即非常小和非常大的宇宙探戈。”

　　研究人员还对一个基本的宇宙参数和原始引力波做出了新的预测，这些预测可以在未来的卫星任务中进行测试，包括莱特伯德和宇宙起源探索者，这将继续改善我们的