弦论与暗能量相悖？反而是弦论往前的关键一步

多重宇宙概念图。（来源：pixabay）

　　来源：环球科学ScientificAmerican

　　在某些科学家看来，弦论的问题在于制造了太多的宇宙。根据弦论的预测，多重宇宙的数量多达惊人的10^500个，它们各自有自己的物理规律。如果真有那么多的宇宙，那该如何解释我们所在的宇宙特性？

　　现在，一些理论物理学家指出，如果要保证有稳定的暗能量使宇宙加速膨胀，那么绝大多数的宇宙都是无法存在的。对一些科学家来说，排除大量潜在宇宙的可能性并不是弦论发展的倒车，反而是往前的关键一步：它为可验证的预测提供了可能。

　　今年6月底，许多弦论学家在日本参加了Strings 2018会议。在会议上，这个问题成了讨论的热点。“这确实是一个新的观点，在领域内引起了争论。” 瑞典乌普萨拉大学物理学家Ulf Danielsson说。话题集中于上个月在论文预印服务器arXiv上发布的两篇论文，论文讨论的就是我们所说的弦论“景观”（landscape）――即由于弦论方程的不同解产生的大量潜在宇宙，正是这些方程描述了我们宇宙的成分，包括暗能量。

　　但到目前为止，发现的绝大多数解在数学上是矛盾的，论文认为，这些解不是在景观中，而是在并不存在的所谓的“沼泽地”（swampland）中。多年来，科学家已经知道许多解必须落入这个沼泽地，但这种猜测，即大多数甚至可能所有的“景观”解都会落在那里，对弦论来说是一个重大改变。实际上，在理论层面上可能就不存在包含稳定暗能量的弦论有效解，这两篇论文的带头人，哈佛大学物理学家Cumrun Vafa说。


Cumrun Vafa的两篇论文引发弦论学家的讨论。

　　迷失在多重宇宙中

　　通过增加时空维度和将粒子视为微小的振动弦，弦论试图用“万有理论”（theory of everything）来描述整个宇宙。许多弦论学家依旧认为，这个理论是最有希望把爱因斯坦的广义相对论和与其相矛盾的量子微观世界结合起来的。然而，根据弦论景观的概念，预测的结果并不只有一个宇宙，而是多到令物理学家焦虑。“如果真如预测那样，那么我觉得，这应该就是弦论的尽头了，因为它失去了预测价值，”其中一篇论文的合作者，普林斯顿大学物理学家Paul Steinhardt说，“准确地说，万事皆有可能。”对Steinhardt等人来说，从暗能量角度引申出来的新问题为弦论提供了一条新的出路。“有大量多重宇宙的图景在数学上可能是错误的，”Danielsson说，“但有趣的是，这使得弦论比我们想象的更具预测性。”

　　一些弦论学家对正在进行的再次评估表示欢迎，但不是所有人都认为“景观”实际上属于“沼泽地”――尤其是在2003年就建立了景观最早版本之一的研究团队，其名字KKLT由科学家的姓氏首字母缩写而成。斯坦福大学的KKLT成员Shamit Kachru说：“我认为做出这些猜想并加以检验是非常合理的，但是无论从理论还是实验角度都没有必要对这个猜想太在意。”另一位为早期的景观模型做出贡献的斯坦福大学物理学家Eva Silverstein同样怀疑Vafa及其同事的论点。她表示：“我认为KKLT考虑的因素和它们组合在一起的方式非常有效。”普林斯顿高等研究院的理论学家Juan Maldacena说，他仍然支持弦论宇宙拥有稳定暗能量的想法。

　　实际上，许多理论学家对弦论多重宇宙非常满意。“如果弦景观图景是正确的，那么我们所处的宇宙相比于多重宇宙来说，就像太阳系在宇宙中的地位一样。”Kachru说。他还补充道：这是一件好事。开普勒起初一直在寻找地球恰好处在离太阳这个距离的原因。而现在我们知道太阳只是银河系数十亿颗恒星中的普通的一颗，而且每颗恒星都有自己的行星，日地距离也只是一个随机的巧合，并不是出于某种高深的数学原理。同样，如果我们的宇宙是多重宇宙中的万亿分之一，那么我们宇宙的参数设定同样也是随机的。也就是说，实际上这些看起来像是特意设定成一个可居住宇宙的数据，其实只是一次随机选择的结果――人类最终会发现，自己只是在多重宇宙某一个恰好合适的角落里完成进化。

　　加速中的宇宙

　　如果弦论真的不能描述稳定的暗能量，那这应该是一个怀疑弦论的理由。但对于Vafa来说，这反而是一个怀疑暗能量的理由。暗能量最为常见的模型就是宇宙学常数。爱因斯坦在1917年提出这个想法，但在1998年才被接受，因为当时天文学家发现时空不仅在膨胀，而且膨胀的速度正在加快。宇宙学常数是真空中一种能量形式，永远不会改变并将抵消引力的向内拉力。但它并不是宇宙加速膨胀唯一的可能解释。另一种选择是“精质”（quintessence），一个充满时空的可变场。“无论是否能在弦论中实现稳定的暗能量，但事实证明，暗能量随时间变化的假设在弦论中更自然，”Vafa说，“如果是这样的话，那么人们可以通过现有的天文观测来测量暗能量的变化。”

　　到目前为止，所有天文观测证据都与宇宙学常数相符，但测量有一定的误差。欧洲的欧几里得太空望远镜，NASA的宽视场红外巡天望远镜（WFIRST）以及建在智利的沙漠中的西蒙斯天文台等将进行实验来确定暗能量相比过去是增强还是减弱。“有趣的是，我们已经处于一个敏感期，开始对宇宙学常数理论施加压力，”斯坦哈特说，“这场游戏，我们不必等待新技术的加入。我们已经身在游戏中。”甚至质疑Vafa提议的人也支持宇宙学常数需要做出一些改变的想法。“实际上，我同意变化的暗能量场是一种解释宇宙加速膨胀的简化模型，”Silverstein说，“但我认为现在不适合对暗能量进行可观测的预测。”


欧几里得太空望远镜（来源：wikipedia）

　　精质不是唯一的选择。在Vafa的论文启发下，Danielsson及其同事提出了另一种暗能量的假设。在他们的版本中，我们的宇宙是一个在更高维度空间内膨胀的气泡的三维表面。“这个表面内的物理可以模仿宇宙学常数的物理学，”Danielsson说，“这是一种全新的理解暗能量的方式。”

　　美丽的理论

　　最终，有关弦论的争论集中在一个更深层次的问题上：物理学的关键是什么？一个好的理论是应该解释我们宇宙中的某种特质，还是这样的要求太高？当一个理论与我们认为宇宙运作的方式相冲突时，是否应该放弃已知的理论或概念？

　　弦论对许多科学家来说非常有吸引力，因为它是“美丽的”――它的方程式令人满意，提出的解释也很优雅。但到目前为止，它缺乏任何可支持的实验证据。更糟糕的是，也没有任何收集此类证据的合理方式。然而，即使弦理论可能无法描述我们宇宙中的暗能量，这样的猜测根本不能劝阻一些科学家。“弦论是如此的丰富和优美，它教给我们的东西几乎都是正确的，以至于很难让人相信错误是在弦论中而不是在我们自己身上。”Sethi说。但是追逐美并不一定是寻找正确的宇宙理论的好方法。“数学优美而精彩，但是大多数都没有办法直接描述这个世界，”法兰克福高等研究所的物理学家Sabine Hossenfelder在她的新书：《迷失在数学中：美学如何导致物理学迷失》中写到。

　　尽管有意见分歧，但物理学家是一个友好的群体，他们会通过想要理解宇宙的共同目标而团结在一起。Kachru是景观概念的创始人之一，作为景观批评者Vafa的本科导师，他与后者保持合作且两人仍然是朋友。“他曾经问过我，是否愿意用生命打赌，认为这些景观解]确实存在，”Kachru说，“我的回答是，‘我不赌上我的生命，但我赌上他的！’”