物理世界|EPL期刊文章：圈量子宇宙学或可解释宇宙微波背景的平滑性

文章介绍

圈量子宇宙学或可解释宇宙微波背景的平滑性

量子尺度的排斥引力本应消除早期宇宙的不均匀性

宇宙学家Edward Wilson-Ewing利用圈量子引力研究极早期宇宙中的量子效应。（图片来源：新不伦瑞克大学）

您的研究动机是什么？

宇宙微波背景观测结果表明，早期宇宙（即宇宙微波背景形成时的宇宙）极其均匀，相对各向异性约为十万分之一。经典广义相对论自身难以解释这种均匀性，因为纯粹的吸引力引力倾向于使事物朝着相反的方向发展。这是因为，如果一个区域的密度高于周围区域，那么根据广义相对论，该区域的密度会变得更高；该区域有更多质量，因此周围的粒子会被吸引过来。事实上，我们在宇宙微波背景中看到的小不均匀性正是这样随着时间而增长，最终形成了当今的恒星和星系。

在经典广义相对论中，解决这一问题的主要方法是假设宇宙在最早期经历了一段超快速膨胀。这种超快速膨胀被称为暴胀，它足以产生均匀区域。但一般而言，这需要大量的暴胀（远超大多数模型通常考虑的暴胀）。

或者，如果由于某种原因，在暴胀开始时恰好存在一个适度均匀的区域，那么这个区域的大小会呈指数级增长，同时变得更加均匀。第二种可能性需要略多于最低限度的暴胀，但不至于远超最低限度的暴胀。

在这项工作中，我的目标是探究，如果引力在深层量子区域变为排斥性（正如圈量子宇宙学中的情况），那么这是否会稀释密度较高的区域，从而消除不均匀性。换言之，这项工作的主要目标之一是探究量子引力是否是宇宙微波背景中观察到的高度均匀性的潜在来源。

这篇论文中，您做了什么？

在这篇论文中，我研究了圈量子宇宙学中与尘埃（一种简单的物质模型）耦合的球对称时空。此类时空被称为Lemaître–Tolman–Bondi时空，其允许在径向方向上存在任意大的不均匀性。因此，其为探究是否会发生均匀化提供了一个理想的平台，原因在于其足够简单，便于进行数学处理，同时仍允许存在大的不均匀性（一般而言，处理大的不均匀性非常困难）。

圈量子宇宙学预测了几种主要的量子效应。其中一种效应是，在量子层面，时空是离散的：如物质量子一样，也存在几何量子。这影响了运动方程，运动方程将时空的几何与其中的物质联系起来，所以如果我们考虑到量子几何的离散性，就必须修改运动方程。

这些修改通过所谓的有效方程来体现，在论文中，我针对广泛的初始条件对这些方程进行了数值求解。由此发现，虽然均匀化并非无处不在，但总会在某些区域发生。这些均匀化区域随后可以通过暴胀膨胀至宇宙学尺度（且暴胀会进一步加剧均匀化）。因此，这种量子引力均匀化过程确实可以解释宇宙微波背景中观察到的均匀性。

接下来，您有什么计划？

从多个方向拓展这项工作以检验圈量子宇宙学中均匀化效应的稳健性至关重要。虽然从数学视角来看，对球对称性的限制应该放宽，但这颇具挑战性。超越尘埃的物质描述也相当重要。尘埃的简单性让计算更简便，但不太现实。

其他相关物质形式包括辐射和所谓的暴胀场。暴胀场是一种能够引发暴胀的物质。这就是说，在宇宙学中，至少在定性层面上，物理在一定程度上独立于宇宙的物质含量。这是因为虽然不同类型的物质在膨胀宇宙中的稀释速度可能有所不同，且宇宙的膨胀速率也可能因其物质含量而异，但广义相对论中宇宙动力学的主要性质（例如，膨胀的宇宙、初始奇点的出现等）与所考虑的具体物质无关。

因此，我认为有理由预期，定量预测将取决于物质含量，但定性特征（特别是被量子引力均匀化的小区域）将保持不变。不过，仍需进一步研究来检验这一预期。

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• EPL（欧洲物理快报，前身为Europhysics Letters）创刊于1986年，是欧洲物理学会的期刊之一，发表覆盖物理学各个领域的原创性高水平研究，包括凝聚态物理、天体物理学、等离子体和聚变科学，以及应用物理等，并为作者提供快速、公平和富有建设性的同行评审意见。