缺失的宇宙纪元

撰文｜戴维·卡斯泰尔维基（David Castelvecchi）

翻译｜王栋

新的理论计算能将爱因斯坦广义相对论的适用范围，推进到宇宙诞生的最初那一瞬。

宇宙大爆炸后的那一瞬，宇宙经历了被称为“暴胀”的爆炸性快速膨胀。根据标准宇宙学理论，这一阶段中能量微小波动的“涟漪”，就是我们今天看到的星系及其他大尺度结构的“种子”。然而，没有人能解释这种“涟漪”自身究竟是如何产生的。

2013年，三位物理学家宣布，产生这种波动的关键在于“量子引力”——一个仍处于假想中的理论，其中的引力也具有在亚原子物理学中典型的、模棱两可的“不确定性”。

基于爱因斯坦广义相对论的标准宇宙学理论，无法解释能量涟漪的产生，因为该理论在极小的尺度上就失效了。在宇宙刚刚开始膨胀前的几乎无限短的一瞬间（普朗克时间）内，整个已知宇宙局限在比一个原子还要小几个量级的区域里。如果一直回溯到那个时段，相对论就会给出不合理的结论，比如说能量密度无穷大。

为了将爱因斯坦理论的适用范围扩展到这种极端区域内，研究人员发展出了一个名为“圈量子引力”的理论。从上世纪80年代起，阿布海·阿什特卡（Abhay Ashtekar，后来任职于美国宾夕法尼亚州立大学）对爱因斯坦的方程式进行修正，以使它们同量子理论相容。这样做的结果之一是，空间本身不再如同一块平滑的幕布一般，而是由离散的、被称为“圈”的单元构成；并且，这些“圈”的微观结构还能在同时共存的多种“态”之间振荡。近年来，物理学家还发现，如果圈量子引力理论正确的话（仅仅是如果，因为到目前为止还没有丝毫的实验证据支持它），那么大爆炸其实是我们以前另一个坍缩宇宙的“大反弹”。

现在，阿什特卡的研究组表示，将圈量子引力理论进一步扩展，它就能填补处于大反弹（普朗克时间内）和目前宇宙膨胀之间那段缺失的空当。此外，它还能解释那些极其重要的，决定我们人类最终得以出现的涟漪的产生。经过计算，研究人员发现，这些涟漪是大反弹时期量子波动的自然产物。

不过，该研究组的预测同那些“气球膨胀模型”有些许不同。这种不同所导致的宇宙演化结果的差异，可由将来对宇宙结构的探测来检验，阿什特卡解释。

在《物理评论快报》上发表的这一结果，提供了一种“能将宇宙膨胀过程回溯到普朗克尺度之内的自洽理论”，阿什特卡总结。

量子引力或许是今天大尺度宇宙结构形成的原因，这一结论“非常漂亮而且令人惊叹”，美国路易斯安那州立大学量子引力理论专家豪尔赫·普林（Jorge Pullin，未参与该项研究）评价。

加拿大安大略的佩里米特理论物理研究所的主任尼尔·图罗克（Neil Turok）说，阿什特卡的研究组仍需要进行“人为的假设”才能将宇宙膨胀的起始推回到更早的时间。

“圈量子引力理论具有许多有趣的想法，”图罗克评价，“但如果当成得出进一步预测的根据，它还不够成熟。”