物理学中最大的未解问题之一是一个被称为宇宙常数的数值。这个值描述了宇宙加速膨胀所需的能量。它也是科学的两种最成功理论之间的主要矛盾。根据量子场论(QFT)，该框架描述了基本粒子及其相互作用，空空间应该充满了量子波动，贡献出巨大的能量。实际上，计算表明宇宙常数应该非常大，几乎接近无穷大。然而，观察结果却显示出截然不同的情况。宇宙常数的实际值与理论预测相比极其微小。现在，布朗大学的研究人员提出了一个可能的解释。他们的研究表明，时空本身的一个数学特征可能阻止宇宙常数膨胀到量子物理预期的巨大值。这个想法基于量子引力与量子霍尔效应之间意想不到的联系，这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的惊人联系，该团队发现，用于解释量子引力的简单方法背后的数学与描述量子霍尔效应的数学非常相似，后者是一种非常规的物质状态，其中电导率具有极为精确的值。在量子霍尔效应中，这些值保持不变，即使导电材料中有缺陷。稳定性来自拓扑学，拓扑学是研究系统基本“形状”或结构的数学分支。研究人员认为，类似的拓扑类型出现在陈-西蒙斯-小田状态中，这是一种提议的量子引力的基态。“我们所展示的是，如果时空具有这种非平凡的拓扑，那么它就解决了宇宙常数的最致命问题之一，”布朗大学的物理学教授、共同作者斯蒂芬·亚历山大表示。“所有应该使宇宙常数值膨胀的量子扰动都被这种拓扑所抑制，从而保持常数的值稳定。”这项研究由亚历山大与布朗理论物理中心的同事阿伦·惠与赫利乌德森·贝尔纳多共同撰写，发表在《物理评论快报》上。爱因斯坦“丑陋”的宇宙常数，宇宙常数首次出现在阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论方程中，这是他对时空和引力的理论。当时，爱因斯坦认为宇宙是静态的。为了防止他的方程预测一个崩溃的宇宙，他引入了宇宙常数，作为一种在空空间中抵消引力的排斥效应。1929年，埃德温·哈勃发现宇宙正在膨胀，这个想法显得多余。由于宇宙毕竟不是静态的，爱因斯坦从他的方程中去掉了这个项。他据说不喜欢这个常数，并将其称为“最大失误”。几十年来，宇宙常数大多淡出了公众视线。然而，在1998年，天文学家发现了一些令人惊讶的事情：宇宙的扩张正在加速。宇宙常数不再从故事中消失，而是再次变得至关重要，因为它可以解释这种加速的膨胀。宇宙常数问题，宇宙常数的复活创造了一个严重问题。在宇宙常数失宠的那些年中，量子场论已成为科学中最成功的理论之一，并且是粒子物理标准模型的基石。QFT描述的空空间绝不是空的。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出大量的真空能量。这个真空能量与宇宙常数有关，这意味着宇宙常数应该非常大。但是观察发现并非如此。如果宇宙常数像QFT预测的那样大，那么宇宙将扩展得如此之快，以至于银河系、恒星、行星，最终生命根本无法形成。理论与观察之间的不匹配仍然是现代物理学中最令人费解的问题之一。这一难题显得尤为显著，因为实验已多次证实量子场论在其他上下文中的极其精确性。一个拓扑解决方案，亚历山大多年来一直在研究陈-西蒙斯-小田(CSK)理论，这是一种从量子场论中产生的量子引力状态。物理学家们仍然缺乏描述最小尺度下引力的完整量子引力理论。根据亚历山大的说法，CSK方法是更直接的可能性之一。“这是一种对引力量子化的非常保守的方式，”他说。“这是一种相对简单的量子引力方法。”