爱因斯坦的“最大错误”可能终于有了解释

据美国布朗大学(Brown University)2026年6月19日报道(Brown University. "Einstein’s “biggest blunder” may finally have an explanation." ScienceDaily, 19 June 2026. www.sciencedaily.com/releases/2026/06/260619020516.htm)，科学家们发现了量子引力和一种奇特的量子物质状态之间令人惊讶的联系，这可以解释为什么宇宙没有快速膨胀。该研究表明，时空的形状可能会保护宇宙常数免受破坏性量子效应的影响。量子引力和一种奇怪的量子现象之间令人惊讶的联系，可能揭示了为什么宇宙的膨胀仍然表现得非常好。

物理学中最大的未解决问题之一集中在一个被称为宇宙常数的数字上。该值描述了导致宇宙加速膨胀的能量。它也是两种最成功的科学理论之间重大冲突的核心。

根据量子场论（quantum field theory简称QFT），描述基本粒子及其相互作用的框架，空白空间应该充满量子涨落，这些涨落会产生巨大的能量。事实上，计算表明宇宙常数应该非常大，有效地接近无穷大。

然而，观察结果显示了一些非常不同的东西。与理论预测相比，宇宙常数的实际值非常小。现在，布朗大学的研究人员提出了一种可能的解释。

他们的工作表明，时空本身的数学特征可能会阻止宇宙常数膨胀到量子物理学所期望的巨大值。这个想法利用了量子引力和量子霍尔效应(quantum Hall effect)之间意想不到的联系，量子霍尔效应是凝聚态物理学中的一个显著现象。

量子引力与量子霍尔效应之间惊人的联系

研究小组发现，一种简单的量子引力方法背后的数学与描述量子霍尔效应的数学非常相似，霍尔效应是一种不寻常的物质状态，其中电导率具有高度精确的值。

在量子霍尔效应中，即使导电材料存在缺陷，这些值也保持不变。稳定性来自拓扑学，拓扑学是数学的一个分支，研究系统的底层“形状”或结构。

研究人员认为，类似的拓扑结构出现在Chern-Simons Kodama态中，这是量子引力的基态。

布朗大学物理学教授、该研究的合著者斯蒂芬·亚历山大(Stephon Alexander)说：“我们发现，如果时空具有这种非平凡的拓扑结构，那么它就解决了宇宙常数中最致命的问题之一。这种拓扑结构使所有应该炸毁宇宙常数值的量子扰动都变得惰性，从而保持常数值的稳定。”

该研究由亚历山大和布朗理论物理中心(Brown Theoretical Physics Center)的同事Aaron Hui和Heliudson Bernardo共同撰写，已经在 《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志发表——Stephon Alexander, Heliudson Bernardo, Aaron Hui. Cosmological Constant from Quantum Gravitational θ Vacua and the Gravitational Hall Effect. Physical Review Letters, 2026; 136 (15) DOI: 10.1103/rzz5-p4f4. http://dx.doi.org/10.1103/rzz5-p4f4

爱因斯坦的“丑陋”宇宙常数

宇宙常数最早出现在阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)的广义相对论、他的空间、时间和引力理论中。

当时，爱因斯坦认为宇宙是静止的。为了防止他的方程预测坍缩的宇宙，他引入了宇宙常数作为一种在真空中抵消重力的排斥效应。

1929年埃德温·哈勃(Edwin Hubble)发现宇宙正在膨胀后，这个想法似乎没有必要。由于宇宙毕竟不是静止的，爱因斯坦从他的方程中删除了此项。据报道，他不喜欢这个常数，后来称其为“最大的错误” （"biggest blunder"）。

几十年来，宇宙常数在很大程度上从突出状态中消失了。然后，在1998年，天文学家发现了一件令人惊讶的事情：宇宙的膨胀正在加速。宇宙常数并没有从故事中消失，而是突然再次变得至关重要，因为它可以解释这种加速膨胀。

宇宙常数问题

宇宙常数的复活造成了一个严重的问题。在此常数失宠的几年里，量子场论已经成为科学中最成功的理论之一，也是粒子物理学标准模型的基石。

QFT将空空间描述为除空之外的任何东西。相反，它充满了通过量子波动不断出现和消失的粒子。

所有这些活动都应该贡献大量的真空能量。真空能量与宇宙常数有关，这意味着宇宙常数应该非常大。但观察表明事实并非如此。

如果宇宙常数像QFT预测的那样大，宇宙将膨胀得如此之快，以至于星系、恒星、行星以及最终的生命都不可能形成。

理论和观测之间的不匹配仍然是现代物理学中最令人困惑的问题之一。这个谜题更加引人注目，因为实验一再证实了量子场论在其他情况下的非凡准确性。

拓扑解决方案

亚历山大花了数年时间研究Chern-Simons-Kodama（简称CSK）理论，这是一种从量子场论中提出的量子引力态。

物理学家仍然缺乏一个完整的量子引力理论来描述最小尺度上的引力。亚历山大认为，CSK方法是更直接的可能性之一。

他说：“这是一种非常保守的量化重力的方法。这是狄拉克(Dirac)、薛定谔(Schrödinger)和惠勒(Wheeler)等人使用的方法。这只是一种很好的老式量子化。”

亚历山大早就注意到CSK理论和量子霍尔效应数学之间的相似之处。为了更好地理解这些联系，他与布朗大学研究拓扑系统的助理教授Aaron Hui合作。

亚历山大说：“这就是布朗理论物理中心的魅力所在。我们希望成为一个融合了许多观点的地方，这是我们实践我们所宣扬的——一位宇宙学家与凝聚态理论家密切合作。”

拓扑如何创造稳定性

研究人员发现，CSK框架中的宇宙常数似乎受益于量子霍尔效应中的拓扑保护。当电流流过暴露在磁场中的极薄材料时，就会发生量子霍尔效应。

想象一下，一条细长的矩形金属带承载着电流。当施加磁场时，次生电压与电流成直角。这种效应产生了所谓的霍尔电压。这是以发现它的埃德温·霍尔(Edwin Hall)命名的。

在正常情况下，霍尔电压随着磁场的增加而平稳变化。然而，在极冷的温度和非常强的磁场下，行为会发生巨大变化。霍尔电压不是平稳变化的，而是以明显的步幅和平台增加的。值得注意的是，无论使用何种材料或其包含任何缺陷，这些值都保持不变。这种可靠性来自拓扑结构。

在这些极端条件下，电子集体行为并进入高度相关的量子态。该状态的拓扑结构固定了台阶和平台的值，使其能够抵抗干扰和缺陷。

布朗大学的研究人员认为，在量子引力的CSK描述中也发生了类似的过程。

正如拓扑将霍尔电压锁定为特定值一样，时空拓扑可以将宇宙常数锁定为稳定值，保护其免受量子波动的影响，否则量子波动会使其高得多。

“我们发现，量子霍尔中电导的量子化和宇宙常数有相似之处，”Aaron Hui说。“由于拓扑原因，它最终也会被量子化。事实证明，该理论中存在约束，迫使宇宙常数取某些允许的量子化值。”

量子引力的新方向

亚历山大强调，在完全建立宇宙学常数的拓扑解释之前，还需要做更多的工作。尽管如此，他认为这些发现代表了解决引力问题的重要一步。这项工作还加强了CSK态作为未来量子引力理论的重要候选者的理由。

亚历山大说：“我们采用了一种古老的、保守的、规范的量子引力方法，发现了一些一直存在的新东西。现在我们正在研究这种现象是如何运作的。”

上述介绍仅供参考。欲了解更多信息敬请注意浏览原文或相关报道（https://www.brown.edu/news/2026-04-20/cosmological-constant-problem）。

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