科学家揭示了量子引力与一种奇异量子物质态之间令人惊讶的联系，这可能解释了为何宇宙没有极速膨胀。该研究表明，时空本身的形状或许能保护宇宙学常数免受破坏性量子效应的影响。
根据描述基本粒子及其相互作用的框架——量子场论（QFT），真空应该充满量子涨落，这些涨落贡献了巨大的能量。事实上，计算表明宇宙学常数应该极其巨大，实际上接近无穷大。
然而观测结果却截然不同。宇宙学常数的实际值与理论预测值相比小得难以置信。
现在，布朗大学的研究人员提出了一个可能的解释。
他们的研究表明，时空本身的一个数学特征可能阻止了宇宙学常数膨胀到量子物理学所预期的巨大数值。这一想法利用了量子引力与量子霍尔效应之间意想不到的联系，后者是凝聚态物理学中的一种显著现象。
量子引力与量子霍尔效应之间惊人的联系
研究团队发现，一种简单的量子引力方法背后的数学原理与描述量子霍尔效应的数学原理惊人地相似，后者是一种不寻常的物质状态，其电导呈现出极高精度的数值。
在量子霍尔效应中，即使导电材料存在缺陷，这些数值仍保持固定。这种稳定性源于拓扑学，这是数学的一个分支，关注系统的底层“形状”或结构。
研究人员认为，类似类型的拓扑结构出现在陈-西蒙斯-儿玉（Chern-Simons-Kodama）态中，这是一种被提出的量子引力基态。
“我们要证明的是，如果时空具有这种非平凡拓扑，那么它就解决了宇宙学常数最致命的问题之一，”该研究的合著者、布朗大学物理学教授斯蒂芬·亚历山大说，“所有本应导致宇宙学常数值暴涨的量子扰动都被这种拓扑结构抑制了，从而保持了该常数值的稳定。”
这项研究由亚历山大与布朗理论物理中心的同事亚伦·许和赫利乌德森·贝尔纳多共同撰写，发表在《物理评论快报》上。
爱因斯坦“丑陋”的宇宙学常数
宇宙学常数最早出现在阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论方程中，这是他关于空间、时间和引力的理论。
当时，爱因斯坦认为宇宙是静止的。为了防止方程预测出宇宙坍缩，他引入了宇宙学常数，作为一种真空中抵消引力的排斥效应。
在埃德温·哈勃于1929年发现宇宙正在膨胀后，这一想法似乎变得多余了。既然宇宙终究不是静止的，爱因斯坦便从方程中移除了这一项。据报道，他不喜欢这个常数，后来称其为他的“最大失误”。
几十年来，宇宙学常数在很大程度上销声匿迹。
直到1998年，天文学家发现了一个惊人的现象：宇宙的膨胀正在加速。宇宙学常数不但没有从历史中消失，反而突然变得至关重要，因为它可以解释这种加速膨胀。
宇宙学常数问题
宇宙学常数的复兴引发了一个严重的问题。
在宇宙学常数失宠的那些年里，量子场论已成为科学界最成功的理论之一，也是粒子物理学标准模型的基石。
QFT将真空描述为绝非空无一物。相反，它充满了通过量子涨落不断产生和湮灭的粒子。
所有这些活动应该贡献巨大的真空能。这种真空能与宇宙学常数相关，这意味着该常数应该极其巨大。
但观测表明事实并非如此。
如果宇宙学常数真如QFT预测的那样大，宇宙膨胀的速度将极快，以至于星系、恒星、行星乃至生命都无法形成。
理论与观测之间的这种差异仍然是现代物理学中最令人困惑的问题之一。鉴于实验已反复证实量子场论在其他背景下具有极高的准确性，这一谜题显得更加引人注目。
一种拓扑学解决方案
亚历山大花费数年时间研究陈-西蒙斯-儿玉（CSK）理论，这是一种源于量子场论的量子引力状态假说。
物理学家仍缺乏描述最小尺度引力的完整量子引力理论。据亚历山大所言，CSK方法是较为直接的可能性之一。
“这是一种非常保守的引力量子化方法，”他说，“这是狄拉克、薛定谔和惠勒等人使用的方法。这只是纯正的、老式的量子化。”
亚历山大早就注意到了CSK理论与量子霍尔效应数学原理之间的相似之处。为了更好地理解这些联系，他与布朗大学研究拓扑系统的助理教授许合作。
“这就是布朗理论物理中心的美妙之处，”亚历山大说，“我们希望成为一个融合多种视角的地方，这正是我们践行理念的体现——一位宇宙学家与一位凝聚态理论学家紧密合作。”
拓扑如何创造稳定性
研究人员发现，CSK框架中的宇宙学常数似乎得益于量子霍尔效应中那种拓扑保护。
当电流流经暴露在磁场中的极薄材料时，就会发生量子霍尔效应。
想象一块承载电流的薄金属矩形条。当施加磁场时，会在垂直于电流的方向上产生第二个电压。这种效应产生所谓的霍尔电压（以发现者埃德温·霍尔命名）。
在普通条件下，霍尔电压随磁场的增加而平滑变化。
然而，在极低温度和极强磁场下，其行为发生剧烈变化。霍尔电压不再平滑变化，而是以明显的台阶和平坦区域增加。值得注意的是，无论使用何种材料或材料中存在何种缺陷，这些数值都保持完全一致。
这种可靠性源于拓扑学。
在这些极端条件下，电子表现出集体行为并进入高度关联的量子态。该状态的拓扑结构固定了台阶和平坦区域的数值，使其能够抵抗扰动和缺陷。
布朗大学的研究人员认为，在CSK对量子引力的描述中发生了类似的过程。
正如拓扑学将霍尔电压锁定在特定数值一样，时空的拓扑结构也可以将宇宙学常数锁定在稳定数值，保护其免受量子涨落的影响，否则这些涨落会使其数值大得多。
“我们发现，量子霍尔效应中电导的这种量子化在宇宙学常数中存在类比，”许说，“出于拓扑原因，它最终也变得量子化了。理论中存在约束，迫使宇宙学常数取某些特定的允许量子化值。”
量子引力的新方向
亚历山大强调，要完全确立宇宙学常数的拓扑学解释，还需要大量的工作。
尽管如此，他认为这些发现代表了解决引力方面问题的重要一步。这项工作也加强了CSK态作为未来量子引力理论有力竞争者的地位。
“我们采用了一些旧的东西，即这种保守的、正则的量子引力方法，并发现了一直存在其中的新东西，”亚历山大说，“现在我们正在致力于描绘这一现象如何运作的更宏大图景。”