【新唐人北京時間2026年07月28日訊】我們所處的宇宙被認為具有高度的均勻性（homogeneity）與各向同性（isotropy）。這意味著，物質在宇宙中的分布大致均勻，而且無論朝哪個方向觀察，宇宙看起來幾乎都沒有太大差異。
然而，物理理論預測，在宇宙誕生初期，它可能遠沒有如今這般井然有序，不同區域的膨脹速度可能各不相同。但宇宙究竟如何從這種可能極不均勻的初始狀態，演進成我們今日所觀測到的平滑且均勻的樣貌，至今仍是一個未解之謎。
近日，美國貝勒大學（Baylor University）、中國江西師範大學、巴西里約熱內盧州立大學（State University of Rio de Janeiro）及巴西弗魯米嫩塞聯邦大學（Universidade Federal Fluminense）的研究人員，共同提出一種可能的機制，或可解釋宇宙如何從早期的不均勻——即各向異性（anisotropy），逐步轉變為現今的均勻狀態。
他們的理論論文於6月23日發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，研究團隊利用一種稱為「修正迴圈量子宇宙學」（modified loop quantum cosmology，mLQC）I模型的理論框架，模擬早期宇宙的演化過程。
「愛因斯坦的廣義相對論有一項著名的預測：宇宙起源於一個初始奇點（initial singularity），也就是一個密度趨近無限大的點。」該論文的資深作者、貝勒大學的王安忠（Anzhong Wang）向Phys.org網站表示。
「『宇宙反彈』（cosmic bounce）模型，例如源自『迴圈量子宇宙學』（Loop Quantum Cosmology，LQC）的那些模型，為避免這個奇點提供了一種極具吸引力的解釋。在『迴圈量子宇宙學』中，我們這個正在膨脹的宇宙，是從此前的一個收縮階段中誕生的，並在高密度的『量子反彈』（quantum bounce）過程中平滑地完成由收縮到膨脹的轉變。」
宇宙的均勻性與各向同性，已獲得大量宇宙學觀測結果的證實。雖然現有的一些「宇宙反彈」理論能夠描述宇宙目前為何呈現均勻狀態，但仍無法令人信服地解釋，早期宇宙中具有方向性的非均勻性（即各向異性），究竟是如何被抑制的。
「雖然宇宙目前這種平滑且均勻的狀態，可以透過標準的『宇宙暴脹』（cosmological inflation）理論得到很好的解釋，但『宇宙反彈』模型卻面臨一項重大挑戰，也就是所謂的『各向異性問題』。」王安忠說。
他進一步解釋：「在宇宙收縮階段，即使只是極其微小、偏離各向同性的擾動，隨著宇宙逐漸接近反彈時刻，也會被大幅放大。因此，宇宙在經歷反彈後，很可能會呈現高度扭曲且具有明顯各向異性的狀態，而這將產生一個與我們今天所觀測到的宇宙截然不同的宇宙。」
「量子反彈」如何讓早期宇宙變得平滑
王安忠與同事希望找出一種可靠的機制，以解決「宇宙究竟如何演化成均勻且各向同性狀態」這一長期以來懸而未解的難題。
為此，他們特別研究了一種稱為「比安奇I型宇宙」（Bianchi I universe）的宇宙演化理論模型。這種宇宙模型假設，宇宙在不同方向上的膨脹速率並不相同，因此具有明顯的各向異性。
他們採用名為「修正迴圈量子宇宙學I模型」（mLQC-I）的理論框架，該框架運用量子力學原理來描述引力及宇宙演化，並預測宇宙會經歷所謂的「量子反彈」——指一個原本持續收縮的宇宙，在縮小至最小但非零的尺度後，不會坍縮成密度無限大的奇點，而是開始重新膨脹。
「我們證明，對『迴圈量子宇宙學』的實現方式作出一項特定修正，也就是採用mLQC-I模型，就能夠自然而然地抑制這些會造成宇宙失衡的各向異性。」王安忠解釋道，「透過解析計算與對早期宇宙動力學的數值模擬，我們發現，即使宇宙在接近反彈之前具有高度各向異性，量子幾何（quantum geometry）所帶來的修正，也會在接近普朗克尺度（Planck scale）時改變宇宙演化方程式。」
研究人員提出的理論模型預測，當宇宙經歷「量子反彈」並重新開始膨脹時，僅由時空幾何本身的量子特性所產生的效應，便足以抑制宇宙原有的各種不對稱性。最終，這些量子效應會使宇宙幾乎在瞬間演化為各向同性且均勻平滑的狀態。
「我們這項研究最重要的貢獻，在於發現了這種『自我各向同性化』（self-isotropization）機制，這種機制完全由非微擾（non-perturbative）的量子效應所驅動，不需要引入任何奇異物質場（exotic matter fields）。」王安忠說，「這一機制解決了『宇宙反彈』模型長期存在的一項概念性弱點。它證明，即使宇宙仍處於深層量子階段（deep quantum regime），也能夠可靠地演化出一個平滑、對稱的宇宙。」
註：非微擾量子效應，指無法用傳統微小修正（微擾理論）來描述，而必須以完整量子理論處理的強烈量子效應。在接近普朗克尺度時，這類效應會變得十分重要。
奇異物質場，指具有特殊性質、目前尚未被實驗證實存在的假想物質或場，例如具有負能量密度的物質。許多宇宙學模型需要假設這類物質存在，但本研究指出，其提出的機制不需要依賴任何此類假設即可讓宇宙自然趨於均勻、各向同性。
理解早期宇宙的一個極具前景的理論框架
這項最新研究，為宇宙學中一個長期未解的謎題提供了新的解釋方向：如果宇宙誕生之初存在大量各向異性，為何今天卻呈現出如此高度均勻的狀態？該研究也凸顯了mLQC-I框架在研究宇宙早期演化方面所具有的潛力。
「從理論架構來看，我們的研究為後續的『宇宙暴脹』提供了一個純粹且各向同性的初始狀態，搭起了量子引力理論與可驗證宇宙學觀測之間的橋梁。」王安忠說。
未來，其他理論學家可以進一步研究這個新提出的機制，或嘗試尋找能夠透過實驗或天文觀測驗證其預測的特徵訊號。另一方面，王安忠與同事也計劃進一步拓展這套理論框架，更深入探討宇宙如何在量子力學作用下，由量子宇宙平滑地過渡到經典宇宙（classical universe）。
「具體來說，我們希望計算在這個各向同性階段所產生的原初宇宙學擾動（primordial cosmological perturbations）的演化過程，並研究『量子反彈』之後的宇宙狀態，如何與我們今天所觀測到的宇宙建立連結。」王安忠補充道，「此外，我們也將尋找能夠實際測量的獨特、可觀測特徵，例如存在於宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background，CMB）或原初引力波（primordial gravitational waves）中的訊號，以便透過天文觀測檢驗這一版本的『迴圈量子宇宙學』理論。」
（轉自大紀元/責任編輯：葉萍）
