滑铁卢大学的科学家发现了一种解释宇宙起源的大胆新途径——这可能重塑我们对大爆炸的理解。他们的方法表明，宇宙早期的爆炸性增长可能自然源于一种被称为量子引力的更深层次框架，而非依赖拼凑而成的理论。
这项研究由滑铁卢大学和圆周理论物理研究所（PI）的物理学和天文学教授尼亚耶什·阿夫肖尔迪（Niayesh Afshordi）博士领导。他的团队探索了一种将引力与量子物理学相结合的新方法，后者描述了最小粒子的行为方式。尽管爱因斯坦的广义相对论在一个多世纪以来一直非常有效，但在宇宙诞生时的极端条件下却失效了。为了克服这一问题，研究人员使用了二次量子引力，这是一种即使在类似于大爆炸期间的极高能量下也能保持数学稳定性的框架。
更简单、更统一的宇宙模型
目前大多数关于大爆炸的解释都依赖于广义相对论，并引入了额外的要素以使模型成立。相比之下，这种新方法提供了一个更统一的图景，将宇宙的最早时刻与科学家今天用来研究宇宙的经过充分检验的模型直接联系起来。
该团队发现，宇宙早期的快速膨胀可以从这一自洽的量子引力理论中自然产生，而无需添加额外的假设。这种膨胀被称为暴胀，是宇宙学中的一个关键概念，因为它有助于解释宇宙的大尺度结构。
可验证的预测与引力波
该模型还预测了原初引力波的最低水平，这些引力波是大爆炸后不久产生的时空微小涟漪。未来的实验可能能够探测到这些信号，为科学家提供了一个难得的机会来验证关于宇宙量子起源的构想。
“这项工作表明，宇宙早期的爆发式增长可以直接源于更深层次的引力理论本身，”阿夫肖尔迪说。“我们不需要在爱因斯坦的理论中添加新的部分，我们发现，一旦以一种在极高能量下保持一致的方式处理引力，快速膨胀就会自然出现。”
从理论到可观测证据
研究人员对他们提出的构想竟然如此具有可验证性感到惊讶。
“尽管这个模型涉及极高的能量，但它得出了明确的预测，而当今的实验实际上可以寻找这些预测，”阿夫肖尔迪说。“量子引力与真实数据之间的这种直接联系既罕见又令人兴奋。”
精确宇宙学的新时代
这项工作问世之际，宇宙学正变得日益精确。新仪器现在能够以前所未有的精度测量宇宙。即将进行的星系巡天、宇宙微波背景研究和引力波探测器正在达到检验曾经纯理论构想所需的灵敏度。与此同时，科学家们正认识到早期宇宙膨胀简单模型的局限性，凸显了对基于基础物理学的方法的需求。
展望未来
这项研究还涉及滑铁卢大学和圆周理论物理研究所的博士生刘若琳（Ruolin Liu），以及蒙特利尔高等技术学院的讲师、滑铁卢大学和圆周理论物理研究所的前博士后研究员杰罗姆·昆坦（Jerome Quintin）博士。该团队计划完善其对未来实验的预测，并研究该框架如何与粒子物理学以及关于早期宇宙的其他未解之谜联系起来。他们的长期目标是在量子引力和可观测宇宙学之间建立更紧密的联系。
这篇题为“二次引力中大爆炸的紫外完备化”的论文发表在《物理评论快报》上。