弦理論創造的宇宙可能比想像的要少得多？

根據一些物理學家的說法，弦理論的問題在於它產生了太多宇宙。它預測的不是一個而是10^500個宇宙版本，每個都有各自的物理定律。但是有這麼多的宇宙，這個理論怎麼能解釋為什麼我們有它的特性呢？現在一些理論家提出（如果不是全部的話）這些宇宙實際上都是被「禁止」的，至少如果我們想讓它們擁有穩定的暗能量，即加速宇宙膨脹的假想力量。對一些人來說，消除這麼多可能的宇宙不是缺點，而是弦理論向前邁出的重要一步，為做出可測試的預測帶來了新希望。但也有人說多元宇宙將會繼續存在，對於所有這些宇宙提出的問題根本不是問題。

圖片：Juergen Faelchle/Shutterstock

博科園-科學科普：弦理論家們為2018年的會議召開了會議，這場辯論在6月底的日本是一個熱門話題。瑞典烏普薩拉大學的物理學家Ulf Danielsson說：這確實是一個新發現，它在這個領域引起了爭議。這些論文針對的是所謂弦理論「景觀」——弦理論中有許多不同的解，這些解產生了我們自己的宇宙，包括暗能量。但論文認為，迄今發現的絕大多數解決方案在數學上是不一致的，把它們放在所謂的「沼澤」(swampland)宇宙中，而不是實際存在的。哈佛大學物理學家Cumrun Vafa說：多年來，科學家們已經知道許多解決方案肯定會落在這片沼澤地上，但大多數，或者可能所有的景觀方案都可能存在的想法將會發生重大變化。事實上，從理論上講，要找到包含穩定暗能量的弦理論有效解決方案可能是不可能的。

迷失在多元宇宙中

弦理論試圖通過增加時空的額外維度和把粒子想像成極小的振動循環來描述整個宇宙。許多弦理論學家認為，這仍然是追求阿爾伯特愛因斯坦(Albert Einstein)將廣義相對論與相互衝突的量子力學微觀世界統一起來最有希望的方向。然而，弦理論的概念不僅能預測一個宇宙，還能預測許多宇宙，這讓一些物理學家望而卻步。普林斯頓大學的物理學家Paul Steinhardt說：在我看來，如果這真的是一幅風景畫，那麼這一理論就會消亡，因為它失去了所有的預測價值。新發現的暗能量問題為弦理論提供了一條出路，這種大的多重宇宙圖景在數學上可能是錯誤的，矛盾的是，這讓事情變得更有趣，因為這意味著弦理論比我們想像的更具有預測性。

一些弦理論家，比如芝加哥大學的Savdeep Sethi說：歡迎現在正在進行的重新評估，很長一段時間以來，一直對這個景觀持懷疑態度，我很高興看到範式轉變，不再相信我們已經有了一套行之有效的解決方案。但並不是所有人都認同這樣的觀點，即這片土地實際上屬於沼澤——尤其是早在2003年就建立了最早版本的這片土地研究團隊。KKLT成員、斯坦福大學的Shamit Kachru說：我認為做出這些猜測並檢查其他可能發生的事情是非常有益的，但我認為無論是理論上還是實驗上都沒有理由認真對待這種猜測。斯坦福大學(Stanford)的物理學家伊娃西爾弗斯坦(Eva Silverstein)也幫助建立了早期的景觀模型，她也同樣懷疑瓦法和他的同事的觀點說：我認為KKLT使用的原料以及它們搭配的方式是完全正確的。高級研究所的理論家胡安·馬爾達塞納(Juan Maldacena)說：我仍然支持弦理論和穩定暗能量的觀點。

許多理論家對弦理論的多元宇宙非常滿意。Kachru說：如果這幅風景圖是正確的，那麼我們所處的宇宙與多元宇宙相比，就像是宇宙中的太陽系，這是一件好事。約翰內斯·開普勒(Johannes Kepler)最初尋找地球與太陽之間距離的根本原因。但現在我們知道，太陽只是銀河系中數十億顆恆星中的一顆，每顆都有自己的行星，而地球與太陽的距離只是一個隨機數，而不是某種深奧的數學原理的結果。同樣，如果宇宙是多重宇宙中的萬億之一，我們宇宙的特定參數也同樣是隨機的。這些數字似乎完美地微調，創造了一個可居住的宇宙，這是一種選擇效應——人類當然會發現自己身處多元宇宙中一個罕見的角落，在那裡他們有可能進化。

宇宙加速膨脹

如果弦理論真的不能適應穩定的暗能量，這可能是懷疑弦理論的一個理由。但Vafa說：這是一個懷疑暗能量的理由——暗能量是其最流行的形式，被稱為宇宙常數。這個想法起源於1917年的愛因斯坦，1998年天文學家發現，不僅是時空擴張，而且膨脹率正在上升，這一想法在1998年又重新出現了。宇宙常數將是空間真空中的一種能量形式，它不會改變和抵消地心引力。但這並不是加速宇宙的唯一可能解釋。另一種選擇是「Quintessence」，這是一個可以演化的、遍布時空的領域。不管能否在弦理論中實現穩定的暗能量，結果證明，在弦理論中，暗能量隨時間變化的想法實際上更自然，如果是這樣的話，那麼就可以通過天體物理觀測來測量暗能量的滑動。迄今為止，所有的天體物理證據都支持宇宙常數的觀點，但在測量中有一些迴旋的空間。

即將進行的實驗，如歐洲的歐幾里得太空望遠鏡、美國宇航局的廣角紅外觀測望遠鏡(WFIRST)和智利沙漠中的西蒙斯觀測站，都將尋找過去暗能量比現在強或弱的跡象。有趣的是已經處於一個敏感的水平，開始對(宇宙常數理論)施加壓力。不必等待新技術的出現，我們現在就在遊戲中。甚至對Vafa的提議持懷疑態度的人也支持考慮替代宇宙常數的想法。希爾弗斯坦說：我實際上同意(一個不斷變化的暗能量場)是一種簡化加速膨脹的方法，但我認為：目前對暗能量的觀測預測沒有任何理由。Quintessence不是唯一的選擇。在Vafa的論文之後，Danielsson和他的同事提出了另一種將暗能量融入弦理論的方法。在他們的視野中，宇宙是一個在更大的空間內膨脹的氣泡的三維表面。這個表面的物理可以模擬宇宙常數的物理，與我們到目前為止的想法相比，這是實現暗能量的另一種方式。

一個美麗的理論

最終，弦理論的爭論集中在一個深奧的問題上：物理學的意義是什麼？一個好的理論應該能夠解釋我們周圍宇宙的特殊特徵嗎？還是這要求太多了？當一個理論與我們認為的宇宙運行的方式相衝突時，我們是放棄了這個理論還是放棄了認為我們知道的東西？弦理論非常吸引許多科學家，因為它是「美麗的」——它的方程令人滿意，它提出的解釋也很優雅。但到目前為止，它還缺乏任何支持它的實驗證據，更糟糕的是，收集這些證據的任何合理前景。然而，即使是弦理論也可能無法容納在我們周圍宇宙中看到的那種暗能量，這並不能阻止一些人。弦理論是如此豐富和美麗，幾乎所有的東西都是如此正確，以至於我們很難相信錯誤是在弦理論中而不是在我們身上。但也許追求美並不是找到正確的宇宙理論的好方法。數學充滿了令人驚嘆和美麗的東西，其中大多數都無法描述這個世界。儘管有不同的觀點，物理學家是友好的一群，他們的共同目標是理解宇宙。

博科園-科學科普｜文：Clara Moskowitz，Lee Billings/Scientific American/Space

博科園-傳遞宇宙科學之美

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