研究表明，一种新的量子引力理论可以解释宇宙学中最大的难题

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附近的仙女座星系，较老的恒星以蓝色突出显示。一种新的量子引力理论可能有助于解释为什么更远的星系似乎比更近的星系后退得更快。（图片来源：美国国家航空航天局/喷气推进实验室-加州理工学院/加州大学洛杉矶分校）

据美国生活科学网站（安德烈·费尔德曼）：新的研究表明，量子引力理论的变体——量子力学和爱因斯坦广义相对论的统一——可能有助于解决宇宙学中最大的难题之一。

近一个世纪以来，科学家们都知道宇宙正在膨胀。但近几十年来，物理学家发现，不同类型的膨胀率测量——称为哈勃参数——会产生令人困惑的不一致性。

为了解决这个悖论，一项新的研究建议将量子效应纳入一个用于确定膨胀率的突出理论中。

研究合著者、印度海得拉巴大学物理学教授P.K.Suresh通过电子邮件告诉《生活科学》：“我们试图解决并解释两种不同突出类型观测的哈勃参数值之间的不匹配。”。

一个不断扩大的问题

宇宙的膨胀最早是由Edwin Hubble在1929年发现的。他用当时最大的望远镜进行的观测表明，离我们更远的星系似乎以更快的速度离开。尽管哈勃最初高估了膨胀率，但随后的测量完善了我们的理解，确定了当前哈勃参数的高度可靠性。

20世纪后期，天体物理学家引入了一种新技术，通过检查宇宙微波背景，即宇宙大爆炸的普遍“余辉”来测量膨胀率。

然而，这两种类型的测量出现了严重的问题。具体来说，新方法产生的哈勃参数值比从遥远宇宙物体的天文观测中推导出的值低近10%。不同测量值之间的这种差异，被称为哈勃张力，表明我们对宇宙演化的理解存在潜在缺陷。

在《经典与量子引力》杂志上发表的一项研究中，Suresh和他在海得拉巴大学的同事B.Anupama提出了一种解决方案，以调整这些不同的结果。他们强调，物理学家使用基于爱因斯坦广义相对论的宇宙进化模型，间接推断哈勃参数。



被引力扭曲的星系的代表（图片来源：Pixabay的《和平、爱、幸福》图片）

该团队主张修改这一理论以纳入量子效应。这些效应是基本相互作用所固有的，包括随机场波动和空间真空中粒子的自发产生。

尽管科学家有能力将量子效应整合到其他领域的理论中，但量子引力仍然难以捉摸，这使得详细的计算变得极其困难，甚至不可能。更糟糕的是，对这些影响的实验研究需要达到比实验室高出许多数量级的温度或能量。

Suresh和Anupama承认了这些挑战，他们专注于许多提出的理论中常见的广义量子引力效应。

Suresh说：“我们的方程不需要考虑所有因素，但这并不妨碍我们通过实验测试量子引力或其影响。”。

他们的理论探索表明，在描述宇宙膨胀最早阶段的引力相互作用（称为宇宙膨胀）时，考虑到量子效应，确实可以改变该理论目前对微波背景性质的预测，使两种类型的哈勃参数测量结果一致。

当然，只有当量子引力的完整理论为人所知时，才能得出最终结论，但即使是初步发现也令人鼓舞。此外，该团队表示，宇宙微波背景和量子引力效应之间的联系为在不久的将来实验研究这些效应开辟了道路。

Suresh说：“量子引力应该在早期宇宙的动力学中发挥作用；因此，可以通过测量宇宙微波背景的特性来观察其影响。”。

“未来一些专门研究这种电磁背景的任务很有可能测试量子引力……它为解决和验证宇宙学的膨胀模型以及量子引力提供了一个很有希望的建议。”

此外，作者认为，早期宇宙中的量子引力现象可能塑造了这一时期发出的引力波的性质。用未来的引力波天文台探测这些波可以进一步阐明量子引力特性。

Suresh说：“到目前为止，来自各种天体物理来源的引力波才被观测到，但来自早期宇宙的引力波尚未被探测到。”。“希望我们的工作将有助于确定正确的膨胀模型，并探测具有量子引力特征的原始引力波。”