與暗能量相悖，弦論陷入危機？

多重宇宙概念圖。（來源：pixabay）

在某些科學家看來，弦論的問題在於製造了太多的宇宙。根據弦論的預測，多重宇宙的數量多達驚人的10^500個，它們各自有自己的物理規律。如果真有那麼多的宇宙，那該如何解釋我們所在的宇宙特性？

現在，一些理論物理學家指出，如果要保證有穩定的暗能量使宇宙加速膨脹，那麼絕大多數的宇宙都是無法存在的。對一些科學家來說，排除大量潛在宇宙的可能性並不是弦論發展的倒車，反而是往前的關鍵一步：它為可驗證的預測提供了可能。

撰文 | Clara Moskowitz

翻譯 | 張朵兒

審校 | 吳非

今年6月底，許多弦論學家在日本參加了Strings 2018會議。在會議上，這個問題成了討論的熱點。「這確實是一個新的觀點，在領域內引起了爭論。」 瑞典烏普薩拉大學物理學家Ulf Danielsson說。話題集中於上個月在論文預印伺服器arXiv上發布的兩篇論文，論文討論的就是我們所說的弦論「景觀」（landscape）——即由於弦論方程的不同解產生的大量潛在宇宙，正是這些方程描述了我們宇宙的成分，包括暗能量。

但到目前為止，發現的絕大多數解在數學上是矛盾的，論文認為，這些解不是在景觀中，而是在並不存在的所謂的「沼澤地」（swampland）中。多年來，科學家已經知道許多解必須落入這個沼澤地，但這種猜測，即大多數甚至可能所有的「景觀」解都會落在那裡，對弦論來說是一個重大改變。實際上，在理論層面上可能就不存在包含穩定暗能量的弦論有效解，這兩篇論文的帶頭人，哈佛大學物理學家Cumrun Vafa說。

Cumrun Vafa的兩篇論文引發弦論學家的討論。

迷失在多重宇宙中

通過增加時空維度和將粒子視為微小的振動弦，弦論試圖用「萬有理論」（theory of everything）來描述整個宇宙。許多弦論學家依舊認為，這個理論是最有希望把愛因斯坦的廣義相對論和與其相矛盾的量子微觀世界結合起來的。然而，根據弦論景觀的概念，預測的結果並不只有一個宇宙，而是多到令物理學家焦慮。「如果真如預測那樣，那麼我覺得，這應該就是弦論的盡頭了，因為它失去了預測價值，」其中一篇論文的合作者，普林斯頓大學物理學家Paul Steinhardt說，「準確地說，萬事皆有可能。」對Steinhardt等人來說，從暗能量角度引申出來的新問題為弦論提供了一條新的出路。「有大量多重宇宙的圖景在數學上可能是錯誤的，」Danielsson說，「但有趣的是，這使得弦論比我們想像的更具預測性。」

一些弦論學家對正在進行的再次評估表示歡迎,但不是所有人都認為「景觀」實際上屬於「沼澤地」——尤其是在2003年就建立了景觀最早版本之一的研究團隊，其名字KKLT由科學家的姓氏首字母縮寫而成。斯坦福大學的KKLT成員Shamit Kachru說：「我認為做出這些猜想並加以檢驗是非常合理的，但是無論從理論還是實驗角度都沒有必要對這個猜想太在意。」另一位為早期的景觀模型做出貢獻的斯坦福大學物理學家Eva Silverstein同樣懷疑Vafa及其同事的論點。她表示：「我認為KKLT考慮的因素和它們組合在一起的方式非常有效。」普林斯頓高等研究院的理論學家Juan Maldacena說，他仍然支持弦論宇宙擁有穩定暗能量的想法。

實際上，許多理論學家對弦論多重宇宙非常滿意。「如果弦景觀圖景是正確的，那麼我們所處的宇宙相比於多重宇宙來說，就像太陽系在宇宙中的地位一樣。」Kachru說。他還補充道：這是一件好事。開普勒起初一直在尋找地球恰好處在離太陽這個距離的原因。而現在我們知道太陽只是銀河係數十億顆恆星中的普通的一顆，而且每顆恆星都有自己的行星，日地距離也只是一個隨機的巧合，並不是出於某種高深的數學原理。同樣，如果我們的宇宙是多重宇宙中的萬億分之一，那麼我們宇宙的參數設定同樣也是隨機的。也就是說，實際上這些看起來像是特意設定成一個可居住宇宙的數據，其實只是一次隨機選擇的結果——人類最終會發現，自己只是在多重宇宙某一個恰好合適的角落裡完成進化。

加速中的宇宙

如果弦論真的不能描述穩定的暗能量，那這應該是一個懷疑弦論的理由。但對於Vafa來說，這反而是一個懷疑暗能量的理由。暗能量最為常見的模型就是宇宙學常數。愛因斯坦在1917年提出這個想法，但在1998年才被接受，因為當時天文學家發現時空不僅在膨脹，而且膨脹的速度正在加快。宇宙學常數是真空中一種能量形式，永遠不會改變並將抵消引力的向內拉力。但它並不是宇宙加速膨脹唯一的可能解釋。另一種選擇是「精質」（quintessence），一個充滿時空的可變場。「無論是否能在弦論中實現穩定的暗能量，但事實證明，暗能量隨時間變化的假設在弦論中更自然，」Vafa說，「如果是這樣的話，那麼人們可以通過現有的天文觀測來測量暗能量的變化。」

到目前為止，所有天文觀測證據都與宇宙學常數相符，但測量有一定的誤差。歐洲的歐幾里得太空望遠鏡，NASA的寬視場紅外巡天望遠鏡（WFIRST）以及建在智利的沙漠中的西蒙斯天文台等將進行實驗來確定暗能量相比過去是增強還是減弱。「有趣的是，我們已經處於一個敏感期，開始對宇宙學常數理論施加壓力，」斯坦哈特說，「這場遊戲，我們不必等待新技術的加入。我們已經身在遊戲中。」甚至質疑Vafa提議的人也支持宇宙學常數需要做出一些改變的想法。「實際上，我同意變化的暗能量場是一種解釋宇宙加速膨脹的簡化模型，」Silverstein說，「但我認為現在不適合對暗能量進行可觀測的預測。」

歐幾里得太空望遠鏡（來源：wikipedia）

精質不是唯一的選擇。在Vafa的論文啟發下，Danielsson及其同事提出了另一種暗能量的假設。在他們的版本中，我們的宇宙是一個在更高維度空間內膨脹的氣泡的三維表面。「這個表面內的物理可以模仿宇宙學常數的物理學，」Danielsson說，「這是一種全新的理解暗能量的方式。」

美麗的理論

最終，有關弦論的爭論集中在一個更深層次的問題上：物理學的關鍵是什麼？一個好的理論是應該解釋我們宇宙中的某種特質，還是這樣的要求太高？當一個理論與我們認為宇宙運作的方式相衝突時，是否應該放棄已知的理論或概念？

弦論對許多科學家來說非常有吸引力，因為它是「美麗的」——它的方程式令人滿意，提出的解釋也很優雅。但到目前為止，它缺乏任何可支持的實驗證據。更糟糕的是，也沒有任何收集此類證據的合理方式。然而，即使弦理論可能無法描述我們宇宙中的暗能量，這樣的猜測根本不能勸阻一些科學家。「弦論是如此的豐富和優美，它教給我們的東西幾乎都是正確的，以至於很難讓人相信錯誤是在弦論中而不是在我們自己身上。」Sethi說。但是追逐美並不一定是尋找正確的宇宙理論的好方法。「數學優美而精彩，但是大多數都沒有辦法直接描述這個世界，」法蘭克福高等研究所的物理學家Sabine Hossenfelder在她的新書：《迷失在數學中：美學如何導致物理學迷失》中寫到。

儘管有意見分歧，但物理學家是一個友好的群體，他們會通過想要理解宇宙的共同目標而團結在一起。Kachru是景觀概念的創始人之一，作為景觀批評者Vafa的本科導師，他與後者保持合作且兩人仍然是朋友。「他曾經問過我，是否願意用生命打賭，認為這些景觀解]確實存在，」Kachru說，「我的回答是，"我不賭上我的生命，但我賭上他的！"」

https://www.scientificamerican.com/article/string-theory-may-create-far-fewer-universes-than-thought/

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