阿波罗新闻网宁成月报导/ 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，一些宇宙学理论认为，在宇宙早期，尤其是在某些“宇宙反弹”模型中，宇宙可能远没有如今这般井然有序，不同方向上的演化速度可能并不相同。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。
“在经典广义相对论框架下，宇宙演化方程在一定条件下会指向一个初始奇点（initial singularity），即密度和时空曲率趋近无限大的极端状态。”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’理论中，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，按照许多反弹宇宙模型的计算，如果没有额外机制抑制各向异性，宇宙在经历反弹后可能仍会保持明显的方向性差异，这与今天观测到的大尺度均匀宇宙并不一致。”
“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，在mLQC-I框架下，当宇宙接近量子反弹阶段时，仅由时空几何本身的量子特性所产生的效应，就足以显著抑制各向异性，使宇宙快速趋向均匀、各向同性状态。
“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，“我们认为，这一机制有望解决mLQC-I等反弹宇宙模型长期存在的一项概念性弱点，并表明在这一理论框架下，即使宇宙仍处于深层量子阶段，也能够自然演化出一个平滑、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。
研究团队这篇快报的核心结果。如图所示，一个高度各向异性的宇宙首先经历收缩（左），随后发生量子反弹（中），接着重新开始膨胀。在反弹发生后不久、处于深度量子阶段（deep quantum regime），所有各向异性都会呈指数方式迅速衰减——无论其各向异性的大小或物质成分为何——前提是满足弱能量条件（weak energy condition）。这种“修正回圈量子宇宙学”（modified loop quantum cosmology，mLQC）所特有的量子几何阻尼效应（quantum geometric damping），会推动宇宙迅速演化为均匀、各向同性且呈指数膨胀的阶段（右）。这张图展示了一个典型、具有各向异性的普朗克尺度量子反弹，如何在无需精细调校（fine-tuning）的情况下，便能自然演化出一个广袤且近乎各向同性的宇宙。(Gan et al. PRL,2026)
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。”
需要指出的是，这项研究属于理论物理工作，提出的是一种新的数学模型和演化机制。目前尚无观测证据能够证明宇宙曾经历“量子反弹”，相关理论仍有待未来通过宇宙微波背景辐射、引力波等天文观测进一步检验。
