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作者:Brian Koberlein
編譯:張雨荷
編排:喻思敏
后臺(tái):李子琦
https://www.universetoday.com/articles/a-new-theory-connects-early-cosmic-inflation-and-quantum-gravity”
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展示物理學(xué)主要理論之間相互關(guān)聯(lián)的維恩圖。
圖源:CMG Lee
現(xiàn)代宇宙學(xué)建立在三大理論支柱之上:狹義相對(duì)論、牛頓萬有引力和量子力學(xué)。每一種理論都有大量實(shí)驗(yàn)支持,但它們對(duì)物理世界的描述方式彼此之間卻存在矛盾。
量子理論描述的是微觀世界——由電磁力、強(qiáng)相互作用和弱相互作用主導(dǎo)的領(lǐng)域,也就是原子和分子構(gòu)成的模糊世界。牛頓理論則描述宏觀世界——星系、黑洞以及行星的軌道。狹義相對(duì)論描述的是空間和時(shí)間——這是原子、行星和人類運(yùn)動(dòng)與相互作用的背景。
有趣的是,這三種理論中任意兩種都可以統(tǒng)一為一個(gè)自洽的模型:
01
將狹義相對(duì)論與萬有引力結(jié)合,就得到廣義相對(duì)論,它描述了引力如何導(dǎo)致時(shí)空彎曲。
02
將狹義相對(duì)論與量子力學(xué)結(jié)合,就得到量子場論。
03
將量子力學(xué)與萬有引力結(jié)合,可以得到弱量子引力模型,用來描述原子和分子在地球等弱引力場中的行為。
我們目前還沒有一個(gè)能夠統(tǒng)一這三者的理論。其中一個(gè)主要難題是重整化問題。在狹義相對(duì)論中,物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化為能量,能量也可以轉(zhuǎn)化為物質(zhì)。在量子理論中,粒子可以在量子不確定性的范圍內(nèi)自發(fā)地以虛粒子的形式出現(xiàn)或消失。當(dāng)這兩者結(jié)合時(shí),問題就出現(xiàn)了:虛粒子本身具有能量,而這種能量又會(huì)觸發(fā)更多虛粒子的產(chǎn)生。如果你試圖計(jì)算所有虛粒子的總能量,結(jié)果會(huì)趨于無窮大。
幸運(yùn)的是,在量子理論中,只有相對(duì)能量才是物理上有意義的。通過一種稱為“重整化”的數(shù)學(xué)方法,可以抵消這些虛粒子的能量,從而得到有限結(jié)果。但一旦加入引力,這一方法就失效了。因?yàn)樘摿W拥哪芰繒?huì)彎曲時(shí)空,而當(dāng)時(shí)空本身不再是固定背景時(shí),就無法再進(jìn)行重整化。
許多量子引力理論都面臨這一難題,無法實(shí)現(xiàn)重整化。但有一種方法——二次量子引力(quadratic quantum gravity)——卻可以做到。本質(zhì)上,該模型在愛因斯坦場方程中添加了二次項(xiàng),使其能夠像量子場論一樣進(jìn)行重整化。問題在于,它也引入了“幽靈粒子”(ghost particles)。這些粒子從未在實(shí)驗(yàn)中被觀測到,因此該理論并不受歡迎。幽靈粒子的質(zhì)量可能太大,以至于無法在當(dāng)前的粒子物理實(shí)驗(yàn)中觀測到,使得該理論難以驗(yàn)證。
或者說——我們?cè)?jīng)這么認(rèn)為。
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二次引力模型與觀測結(jié)果的比較。
圖片來源:Liu 等人。
近日,一篇發(fā)表于 《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters) 的研究提出:二次量子引力可能正是宇宙早期快速膨脹的原因。研究表明,在這一理論框架下,方程中的二次項(xiàng)可以自然驅(qū)動(dòng)宇宙的快速膨脹。而當(dāng)宇宙完成早期暴脹后,時(shí)空結(jié)構(gòu)又會(huì)重新由廣義相對(duì)論主導(dǎo)。
更重要的是,作者進(jìn)一步證明,該模型還預(yù)測在宇宙暴脹時(shí)期會(huì)產(chǎn)生一種最低強(qiáng)度的背景引力波。雖然這些引力波目前仍無法被觀測到,但它們的強(qiáng)度已經(jīng)進(jìn)入未來觀測設(shè)備(例如 LISA)的探測范圍。
這意味著:這一理論在未來是可以被檢驗(yàn)的。
責(zé)任編輯:陳瑋菁
牧夫新媒體編輯部
『天文濕刻』 牧夫出品
微信公眾號(hào):astronomycn
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天王星最大的衛(wèi)星: 泰坦尼亞(天衛(wèi)三)
影像來源: NASA, Voyager 2;
影像處理與授權(quán): zelario12
謝謝閱讀
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