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爱因斯坦的广义相对论可以解释许多引人入胜的天体物理学和宇宙学现象，但宇宙最大尺度与最小尺度的某些性质仍然是个谜。一项通过使用环量子宇宙学的新研究解释了这些谜团，为宇宙的起源与演化提供了新的见解。这项最新研究结果成果论文发表在今天的《物理评论快报》上。
论文作者之一为宾州州立大学天文学与天体物理学副教授、郑东辉（Donghui Jeong）。论文第一作者为宾州大学引力与宇宙研究所主任、阿贝·阿希提卡（Abhay Ashtekar）。他是一名印度理论物理学家，美国国家科学院院士，作为阿希提卡变量的创始人，他是环量子引力理论及其环量子宇宙学的提出者之一，是首位被引力研究基金会授予“引力奖”的科学家。
该研究结果将微观尺度与宏观尺度联系起来，解释了宇宙中很小与很大之间的奥秘，早期宇宙中微小量子的涨落犹如是非常小和非常大之间的宇宙探戈舞。
尽管理论上的差异发生在最小的尺度上，甚至比质子都小得多，但它们的影响却是宇宙中可达到的最大尺度。该研究是如何将宇宙的很小和很大之间的微观与宏观尺度联系起来的呢？这须要从环量子宇宙学简单说起。
环量子宇宙学，英文：Loop Quantum Cosmology，简称：LQC，这是一个使用量子力学将引力物理扩展到爱因斯坦的广义相对论之外的新型理论，是一个有限的、对称性降低的环量子引力（loop quantum gravity，简称：LQG）模型，可预测宇宙分支之间的收缩和扩展的“量子桥” （quantum bridge）。
环量子宇宙学的显着特征是环量子引力的量子几何（quantum geometry）效应所起的突出作用。尤其是，量子几何创造了一种全新的排斥力，该排斥力在低时空曲率下完全可以忽略不计，但在普朗克尺度下迅速上升，压倒了经典的引力，从而解决了广义相对论的奇异性。一旦解决了奇点问题，宇宙学的概念范式就会改变，人们必须从新的角度重新审视许多基本问题，例如“视界问题”（Horizon problem）。
普朗克尺度（Planck scale），指其大小对应于普朗克单位的空间、时间、能量和其他单位的量。普朗克单位（Planck units），是在粒子物理学和物理宇宙学中专门根据四个通用物理常数定义的一组测量单位，以这种方式，当这些物理常数以这些单位表示时，这些物理常数取数值为1。
在普朗克尺度下，引力的量子效应变得强大。由于当前理论中引力表观为不可重新归一化的影响，根据量子场论的亚原子粒子相互作用的现有描述和理论失效而变得不充足。
环量子引力基于黎曼几何的特定量子理论，因此几何可观察物显示出基本的离散性，在量子动力学中起着关键作用：尽管环量子宇宙学的预测与量子地球动力学（QGD）的预测非常接近与普朗克体制相比，一旦密度和曲率进入普朗克尺度，就会出现巨大的差异。在环量子宇宙学中，“大爆炸”由“大反弹”代替。大反弹，英语：Big Bounce，又称为：量子反弹，英语：quantum bounce。
大爆炸被大反弹所取代，基于量子几何学而无需对物质含量或任何微调做出任何假设。环形量子宇宙学的一个重要特征是对潜在量子演化的有效时空描述。有效的动力学方法已在环量子宇宙学中广泛用于描述普朗克规模和非常早期的宇宙物理学。严格的数值模拟已经证实了这种动力学的有效性，它为环量子动力学提供了极好的近似。
尽管缩小后的宇宙图景看上去相当均匀，但它确实具有大规模的结构，例如，因为星系和暗物质在整个宇宙中分布不均匀。这种结构的起源可以追溯到在宇宙微波背景（CMB）中观察到的微小的不均匀性，即宇宙在38万年的年轻时发出的辐射，我们今天仍然可以看到。但是宇宙微波背景本身具有三个令人费解的功能，这些功能被认为是异常的，因为它们很难用现有的物理学来解释。
简介了上面有关背景基本知识，现在我们可以来了解一下这一研究成果。
宾州大学天文学与天体物理学副教授，论文作者郑东辉说：“虽然看到这些异常中的一个在统计上可能并不那么显着，但同时看到两个或更多个则表明我们生活在一个特殊的宇宙中。” “我们的这项研究提出了对这些异常现象之一的解释，这些异常现象引起了更多的关注，它们标志着“宇宙学可能发生的危机”。但是，利用环量子宇宙学，我们自然解决了其中的这两个异常，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，包括如何首先产生宇宙微波背景中的不均匀性。这些不均匀性是早期宇宙中不可避免的量子涨落的结果。在非常早期的扩张、称为暴胀（inflation）的高度加速阶段，这些原始的微小涨落在引力的影响下被拉伸，并在宇宙微波背景中植入到所观察到的不均匀性。
宾州大学引力与宇宙研究所主任、资深物理学教授、论文第一作者、阿贝·阿希提卡（Abhay Ashtekar）说，“要了解原始种子是如何产生的，我们需要仔细研究爱因斯坦的广义相对论失效的早期宇宙，” “基于广义相对论的标准暴胀范式将时空视为平滑的连续体。这就如看一件衬衫，看起来像二维的表面，但是仔细观察后，你会发现它是由紧密堆积的一维线的方式织成的。时空的结构实际上是由这样的量子线（quantum threads）编织而成的。基于这些量子线，环量子宇宙学使我们能够超越广义相对论所描述的连续性，这种连续性使爱因斯坦的理论对一些解释失效，例如大爆炸。
研究人员先前对早期宇宙的研究用大反弹跳取代了大爆炸奇点的想法，从而宇宙从无到有地出现，在宇宙中，膨胀的宇宙从宇宙在收缩时产生的超压缩质量的前一阶段产生。研究表明，在宇宙大爆炸之后，使用环量子宇宙学方程式，通过暴胀同样可以解释广义相对论所占有的所有宇宙大尺度结构。
在这项新研究中，研究人员确定，环量子宇宙学下的暴胀还可以解决广义相对论下出现的主要异常现象。论文第二作者、宾州州立大学博士后研究人员、布拉吉什·古普（Brajesh Gupt）说：“我们正在谈论的原始涨落发生在不可思议的小普朗克尺度上。” “普朗克长度比质子的半径还要小大约20个数量级。在这种难以想象的小尺度上，对暴胀的校正同时解释了宇宙中最小与最大规模的两个异常，这是非常小与非常大之间的宇宙之间的探戈舞。”
研究人员还对基本的宇宙学参数和原始引力波做出了新的预测，可以在未来的卫星飞行探测任务中进行测试，这项研究增强了我们对早期宇宙的认知。
参考：Alleviating the Tension in the Cosmic Microwave Background using Planck-Scale Physics, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.051302量子认知 | 简介科学新知识，敬请热心来关注。
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