小与大之间的宇宙探戈

虽然爱因斯坦的广义相对论可以解释大量令人着迷的天体物理和宇宙学现象，但宇宙在最大尺度上的某些性质仍然是个谜。一项使用环路量子宇宙学的新研究解释了两个主要谜团。环路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。虽然理论上的差异发生在最微小的尺度上-甚至比一个质子都小得多-但它们在宇宙中最大的可及尺度上产生了影响。这项研究发表在7月29日在线的“物理评论快报”(Physical Review Letters)杂志上，还提供了未来卫星任务可能测试的关于宇宙的新预测。虽然缩小后的照片看起来相当均匀，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均匀地分布在整个宇宙中。这种结构的起源可以追溯到在宇宙微波背景(CMB)中观察到的微小的不均匀性-宇宙年轻38万年时发出的辐射，我们今天仍然可以看到。但是CMB本身有三个令人费解的特征，它们被认为是异常的，因为它们很难用已知的物理来解释。

宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学副教授、这篇论文的作者郑东辉说，虽然看到这些异常中的一个可能在统计学上并不显著，但看到两个或两个以上的异常情况表明我们生活在一个特殊的宇宙中，郑东辉(音译)是这篇论文的作者之一，他是宾夕法尼亚州立大学的天文学和天体物理学副教授。“自然·天文学”(Nature Astronomy)杂志最近的一项研究对其中一种反常现象提出了解释，这些反常现象引发了如此多的额外担忧，他们指出了宇宙学上可能存在的危机。然而，利用量子环路宇宙学，我们已经自然地解决了其中两种反常现象，避免了这场潜在的危机。

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CMB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的扩张阶段-众所周知的通货膨胀-这些原始的，微小的波动在重力的影响下被拉伸，并在CMB中播下了观察到的不均匀性的种子。

为了了解原始种子是如何产生的，我们需要更仔细地研究早期宇宙，爱因斯坦在那里分解，艾凡·普夫物理学教授、埃伯利家庭物理学讲座的持有者、宾夕法尼亚州立引力与宇宙研究所所长阿巴伊·阿什特卡(Abhay Ashtekar)说。基于广义相对论的标准膨胀范式将时空视为一个光滑的连续体。考虑一件看起来像二维表面的衬衫，但仔细观察就会发现它是由密密麻麻的一维线编织而成。通过这种方式，时空的结构实际上是由量子线编织而成的。在解释这些线索时，环圈量子宇宙学允许我们超越广义相对论描述的连续体，爱因斯坦的物理学就是在广义相对论中被分解的--例如，超越大爆炸。

研究人员先前对早期宇宙的研究用大弹跳取代了宇宙从无到有的大爆炸奇点的概念，在大弹跳中，当前膨胀的宇宙是从超压缩的质量中产生的，而超压缩质量是宇宙在前一阶段收缩时产生的。他们发现，使用环路量子宇宙学方程，广义相对论解释的所有宇宙大尺度结构都同样可以用这次大反弹后的膨胀来解释。

在这项新的研究中，研究人员确定环圈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反常现象。

我们谈论的原始波动发生在令人难以置信的小普朗克尺度上，宾夕法尼亚州立大学博士后研究员布拉杰什·古普特(Brajesh Gupt)说，他当时是宾夕法尼亚州立大学的博士后研究员，目前在德克萨斯大学奥斯汀分校(University Of Texas Austin)德克萨斯高级计算中心(Texas Advanced Computing Center)工作。普朗克长度大约比质子半径小20个数量级。但是，在这个难以想象的小尺度上，对通货膨胀的修正同时解释了宇宙中最大尺度上的两个反常现象，这是一个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学参数和原始引力波做出了新的预测，这些预测可能会在未来的卫星任务中进行测试，包括LiteBird和宇宙起源探测器，这将继续提高我们对早期宇宙的理解。更多信息：Abhay Ashtekar等人，使用普朗克尺度物理缓解宇宙微波背景中的紧张，