物理学家采取新方法统一量子理论和相对论

在一些现代的量子引力理论中，空间由微小的基本单元或“空间原子”组成，试图统一广义相对论和量子力学。量子引力应该可以用一个单一的理论来描述宇宙从大爆炸到今天的演化。

来自加拿大马克斯·普朗克研究所和周边研究所的物理学家们开发了一种将广义相对论和量子理论统一起来的新方法。

当今物理学无法描述大爆炸中发生的事情。量子理论和相对论在这种几乎无限密集和热的原始宇宙中失败了。只有将物理学的这两个基本支柱统一起来的无所不包的量子引力理论才能提供有关宇宙起源的真知灼见。位于格尔木/波茨坦的马克斯·普朗克引力物理研究所（阿尔伯特·爱因斯坦研究所）和加拿大的周界研究所的科学家在这条路线上取得了重要发现。根据他们的理论，空间由微小的“构造块”组成。以此为出发点，科学家得出了宇宙学最基本的方程之一，即描述宇宙的弗里德曼方程。这表明量子力学和相对论确实可以统一。

在将近一个世纪的时间里，物理学的两种主要理论共存，但却是不可调和的：爱因斯坦的相对论一般性描述引力，因此广义上说，量子物理学描述了原子和基本粒子的世界。两种理论在各自的范围内都非常有效。但是，按照目前的公式，它们会在某些极端区域以极小的距离（例如所谓的普朗克刻度）分解。因此，在黑洞中，或者最明显的是在大爆炸期间，空间和时间没有任何意义。

阿尔伯特·爱因斯坦研究所（Albert Einstein Institute）的Daniele Oriti使用流体来说明这种情况：“我们可以使用众所周知的经典流体力学理论来描述流水的行为。但是，如果我们发展到越来越小的规模，并最终遇到单个原子，它就不再适用。然后我们需要量子物理学。”就像液体是由原子组成的一样，奥里蒂（Oriti）想象空间是由微小的细胞或“空间原子”组成的，因此需要一种新的理论来描述它们：量子引力。

连续空间被分解成基本单元

在爱因斯坦的相对论中，空间是一个连续体。现在，奥里提（Oriti）将这个空间分解成微小的基本单元，并对其应用量子物理学原理，从而对空间本身以及描述它的相对论进行了研究。这是统一的想法。

所有量子引力方法的基本问题都在于将巨大的尺度尺度从空间原子桥接到宇宙的尺度。Oriti，他的同事Lorenzo Sindoni和Aeff的前博士后Steffen Gielen就是在这里取得成功的。他们的方法基于所谓的群场理论。这与AEI已经开发了一段时间的环形量子引力密切相关。

现在的任务是描述宇宙的空间如何从基本细胞演化而来。坚持流体的想法：如何从原子理论推导出流动水的流体动力学？

最近，这项极为苛刻的数学任务导致了令人惊讶的成功。“在特殊的假设下，空间是由这些构建块创建的，并且像扩展的宇宙一样演化，” Oriti解释说。他补充说：“因此，我们首次能够直接导出弗里德曼方程，这是我们完整的空间结构理论的一部分。”这个基本方程式描述了膨胀的宇宙，是由俄罗斯数学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedman）在1920年代根据广义相对论推导的。因此，科学家们成功地弥合了从微观世界到宏观世界的差距，从而成功地弥合了从量子力学到广义相对论的鸿沟：他们表明，空间以这些基本细胞的凝聚态出现，并演化成类似于我们自己的宇宙。

量子引力现在可以回答有关大爆炸的问题

因此，奥里提（Oriti）和他的同事们认为自己处于艰难而有希望的旅程的开始。他们当前的解决方案仅对均匀的宇宙有效-但是我们的现实世界要复杂得多。它包含不均匀性，例如行星，恒星和星系。物理学家目前正在努力将它们纳入其理论中。

他们已经计划了一些非常重要的事情作为他们的最终目标。一方面，他们想研究即使在“大爆炸”期间也可以描述空间。几年前，前AEI研究人员马丁·博霍瓦尔德（Martin Bojowald）发现了线索，作为环量子引力的简化版本的一部分，可以通过大爆炸追溯到时间和空间。以他们的理论，奥里提和他的同事们希望证实或改善这一结果。

如果它继续证明是成功的，研究人员也许可以用它来解释大爆炸之后不久宇宙假定的膨胀膨胀，以及神秘暗能量的性质。这个能量场使宇宙以不断增加的速度膨胀。

因此，奥里提（Oriti）的同事洛伦佐·辛多尼（Lorenzo Sindoni）补充道：“只有有了量子引力理论，我们才能真正理解宇宙的演化。”AEI研究人员在这里很友善：爱因斯坦和他的继任者一直在寻找这一点已有近一百年的历史了。

出版物：斯蒂芬·吉伦（Steffen Gielen）等人，“来自量子场引力的场论形式主义的宇宙学”，物理学。莱特牧师111，031301（2013）; DOI：10.1103 / PhysRevLett.111.031301

研究报告的PDF副本：来自群场论形式论的量子引力的宇宙论

图像：T. Thiemann（FAU Erlangen），阿尔伯特·爱因斯坦研究所，米尔德市场营销公司，外泌效应