宇宙为何如此均匀？量子引力机制给出解释

【大纪元2026年07月28日讯】（大纪元记者薛止墨编译报导）我们所处的宇宙被认为具有高度的均匀性（homogeneity）与各向同性（isotropy）。这意味着，物质在宇宙中的分布大致均匀，而且无论朝哪个方向观察，宇宙看起来几乎都没有太大差异。

然而，物理理论预测，在宇宙诞生初期，它可能远没有如今这般井然有序，不同区域的膨胀速度可能各不相同。但宇宙究竟如何从这种可能极不均匀的初始状态，演进成我们今日所观测到的平滑且均匀的样貌，至今仍是一个未解之谜。

近日，美国贝勒大学（Baylor University）、中国江西师范大学、巴西里约热内卢州立大学（State University of Rio de Janeiro）及巴西弗鲁米嫩塞联邦大学（Universidade Federal Fluminense）的研究人员，共同提出一种可能的机制，或可解释宇宙如何从早期的不均匀——即各向异性（anisotropy），逐步转变为现今的均匀状态。

他们的理论论文于6月23日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，研究团队利用一种称为“修正回圈量子宇宙学”（modified loop quantum cosmology，mLQC）I模型的理论框架，模拟早期宇宙的演化过程。

“爱因斯坦的广义相对论有一项著名的预测：宇宙起源于一个初始奇点（initial singularity），也就是一个密度趋近无限大的点。”该论文的资深作者、贝勒大学的王安忠（Anzhong Wang）向Phys.org网站表示。

“‘宇宙反弹’（cosmic bounce）模型，例如源自‘回圈量子宇宙学’（Loop Quantum Cosmology，LQC）的那些模型，为避免这个奇点提供了一种极具吸引力的解释。在‘回圈量子宇宙学’中，我们这个正在膨胀的宇宙，是从此前的一个收缩阶段中诞生的，并在高密度的‘量子反弹’（quantum bounce）过程中平滑地完成由收缩到膨胀的转变。”

宇宙的均匀性与各向同性，已获得大量宇宙学观测结果的证实。虽然现有的一些“宇宙反弹”理论能够描述宇宙目前为何呈现均匀状态，但仍无法令人信服地解释，早期宇宙中具有方向性的非均匀性（即各向异性），究竟是如何被抑制的。

“虽然宇宙目前这种平滑且均匀的状态，可以透过标准的‘宇宙暴胀’（cosmological inflation）理论得到很好的解释，但‘宇宙反弹’模型却面临一项重大挑战，也就是所谓的‘各向异性问题’。”王安忠说。

他进一步解释：“在宇宙收缩阶段，即使只是极其微小、偏离各向同性的扰动，随着宇宙逐渐接近反弹时刻，也会被大幅放大。因此，宇宙在经历反弹后，很可能会呈现高度扭曲且具有明显各向异性的状态，而这将产生一个与我们今天所观测到的宇宙截然不同的宇宙。”

“量子反弹”如何让早期宇宙变得平滑

王安忠与同事希望找出一种可靠的机制，以解决“宇宙究竟如何演化成均匀且各向同性状态”这一长期以来悬而未解的难题。

为此，他们特别研究了一种称为“比安奇I型宇宙”（Bianchi I universe）的宇宙演化理论模型。这种宇宙模型假设，宇宙在不同方向上的膨胀速率并不相同，因此具有明显的各向异性。

他们采用名为“修正回圈量子宇宙学I模型”（mLQC-I）的理论框架，该框架运用量子力学原理来描述引力及宇宙演化，并预测宇宙会经历所谓的“量子反弹”——指一个原本持续收缩的宇宙，在缩小至最小但非零的尺度后，不会坍缩成密度无限大的奇点，而是开始重新膨胀。

“我们证明，对‘回圈量子宇宙学’的实现方式作出一项特定修正，也就是采用mLQC-I模型，就能够自然而然地抑制这些会造成宇宙失衡的各向异性。”王安忠解释道，“透过解析计算与对早期宇宙动力学的数值模拟，我们发现，即使宇宙在接近反弹之前具有高度各向异性，量子几何（quantum geometry）所带来的修正，也会在接近普朗克尺度（Planck scale）时改变宇宙演化方程式。”

研究人员提出的理论模型预测，当宇宙经历“量子反弹”并重新开始膨胀时，仅由时空几何本身的量子特性所产生的效应，便足以抑制宇宙原有的各种不对称性。最终，这些量子效应会使宇宙几乎在瞬间演化为各向同性且均匀平滑的状态。

“我们这项研究最重要的贡献，在于发现了这种‘自我各向同性化’（self-isotropization）机制，这种机制完全由非微扰（non-perturbative）的量子效应所驱动，不需要引入任何奇异物质场（exotic matter fields）。”王安忠说，“这一机制解决了‘宇宙反弹’模型长期存在的一项概念性弱点。它证明，即使宇宙仍处于深层量子阶段（deep quantum regime），也能够可靠地演化出一个平滑、对称的宇宙。”

注：非微扰量子效应，指无法用传统微小修正（微扰理论）来描述，而必须以完整量子理论处理的强烈量子效应。在接近普朗克尺度时，这类效应会变得十分重要。

奇异物质场，指具有特殊性质、目前尚未被实验证实存在的假想物质或场，例如具有负能量密度的物质。许多宇宙学模型需要假设这类物质存在，但本研究指出，其提出的机制不需要依赖任何此类假设即可让宇宙自然趋于均匀、各向同性。

理解早期宇宙的一个极具前景的理论框架

这项最新研究，为宇宙学中一个长期未解的谜题提供了新的解释方向：如果宇宙诞生之初存在大量各向异性，为何今天却呈现出如此高度均匀的状态？该研究也凸显了mLQC-I框架在研究宇宙早期演化方面所具有的潜力。

“从理论架构来看，我们的研究为后续的‘宇宙暴胀’提供了一个纯粹且各向同性的初始状态，搭起了量子引力理论与可验证宇宙学观测之间的桥梁。”王安忠说。

未来，其他理论学家可以进一步研究这个新提出的机制，或尝试寻找能够透过实验或天文观测验证其预测的特征讯号。另一方面，王安忠与同事也计划进一步拓展这套理论框架，更深入探讨宇宙如何在量子力学作用下，由量子宇宙平滑地过渡到经典宇宙（classical universe）。

“具体来说，我们希望计算在这个各向同性阶段所产生的原初宇宙学扰动（primordial cosmological perturbations）的演化过程，并研究‘量子反弹’之后的宇宙状态，如何与我们今天所观测到的宇宙建立连结。”王安忠补充道，“此外，我们也将寻找能够实际测量的独特、可观测特征，例如存在于宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background，CMB）或原初引力波（primordial gravitational waves）中的讯号，以便透过天文观测检验这一版本的‘回圈量子宇宙学’理论。”◇

责任编辑：李琳#