科技日報記者 張夢然

加拿大滑鐵盧大學(xué)與周界研究所的科學(xué)家提出了一種理解宇宙起源的全新理論框架，可能改變?nèi)藗儗τ钪娲蟊白畛鯐r刻的認(rèn)知。研究表明，宇宙在誕生后早期經(jīng)歷了急劇膨脹，被稱為“暴脹”，這可能并非獨立引入的假設(shè)，而是源于一個更深層、更統(tǒng)一的量子引力理論的自然結(jié)果。相關(guān)研究發(fā)表在最新一期《物理評論快報》上，為探索宇宙的終極起源開辟了新思路。

廣義相對論在過去一個多世紀(jì)里成功描述了宏觀宇宙的運作，但在宇宙誕生瞬間存在的極端高能條件下，該理論失效。為了突破這一瓶頸，研究團隊采用了“二次量子引力”理論框架。這一研究發(fā)現(xiàn)，宇宙早期那段劇烈的指數(shù)式膨脹，可直接從簡潔的量子引力理論中自然地“涌現(xiàn)”出來，無需依賴任何額外添加的假設(shè)成分。這種暴脹過程是現(xiàn)代宇宙學(xué)的核心概念，它解釋了當(dāng)今宇宙在大尺度上為何如此均勻、平坦，并孕育了星系形成的原始種子。

該理論即使在遠(yuǎn)超現(xiàn)有物理驗證極限的極高能量尺度下，仍能保持?jǐn)?shù)學(xué)上的一致性，從而有望描述大爆炸發(fā)生時引力的行為。其不僅提供了起源解釋，還作出了可檢驗的獨特預(yù)言。模型預(yù)測，在宇宙最初時刻產(chǎn)生的原始引力波信號極為微弱。原始引力波是宇宙極早期時空結(jié)構(gòu)自身量子漲落被暴脹過程放大后留下的“漣漪”，是探測宇宙開端的直接“信使”。該研究預(yù)測的低強度信號特征，與當(dāng)前一些主流的暴脹模型預(yù)期有所不同。

新理論表明，宇宙大爆炸的開端可直接從深層的引力理論推導(dǎo)得出。當(dāng)引力理論在極高能量下仍能保持自洽時，快速膨脹便會自然出現(xiàn)，而不用作為額外部分再次被引入到愛因斯坦的理論之中。

目前大多數(shù)關(guān)于大爆炸及早期宇宙的模型，都建立在愛因斯坦的廣義相對論基礎(chǔ)之上，但需人工添加上其他組成成分。這項研究則提供了一幅更統(tǒng)一的圖景，旨在將宇宙最原初的時刻，與已被大量天文觀測所驗證的現(xiàn)代宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型更自然地銜接起來。

隨著新一代宇宙微波背景輻射探測實驗及空間引力波天文臺的規(guī)劃與建設(shè)，這一預(yù)言有望在未來得到驗證，從而為檢驗宇宙的量子引力起源提供罕見的觀測窗口。

總編輯圈點

我們當(dāng)前正步入一個“精密宇宙學(xué)”的新時代，新一代的星系巡天項目、更高精度的宇宙微波背景探測實驗以及靈敏度空前的引力波探測器，正以前所未有的精度測量宇宙。這些觀測工具使得檢驗?zāi)切┰?jīng)看似純理論的想法成為可能。與此同時，科學(xué)家們已意識到早期宇宙暴脹的最簡單模型面臨一些理論上的局限與挑戰(zhàn)，這增加了對基于更基礎(chǔ)物理原理的新解釋方法的迫切需求。本文的這項研究才剛剛起步，但在未來，它可能是將量子引力與宇宙學(xué)觀測緊密結(jié)合的一次重要嘗試。