暗能量可能與弦理論不相容？

尚有爭議的一篇新論文認為現今宇宙中暗能量分布情況或許根本不可能在弦理論所允許的宇宙「景觀」中存在。這篇論文由著名的哈佛大學弦理論學家坎潤·瓦法與其合作者們共同撰寫；從弦理論出發，他們推演出一個規定了哪些物質是宇宙允許存在，哪些物質是宇宙禁止存在的簡單公式。作為「萬物理論」的主要候選者，弦理論將引力與量子物理學結合到一起，並將所有物質和力定義為微小能量鏈振動。

博科園-科學科普：這一理論大約允許10^500種不同解決方案存在，因此便形成了一個巨大、複雜多樣的宇宙「景觀」。像Wrase和瓦法這樣的弦理論學家多年來一直致力於將特定宇宙放入到充滿這種可能性之中。目前，瓦法和同事們猜測，我們觀念上的宇宙或許在弦理論景觀中根本不存在。如果這一猜想成立，宇宙與先前假設的會有大有差異，否則弦理論必定是錯誤的。瓦法在日本沖繩第2018弦會議上提出了這一猜想，由此引發了激烈的場外爭論。

世界各地的物理學家各持己見，贊同聲反對聲不絕於耳。這場爭論相當混亂，但同時也帶來了巨大的動力。如果這一猜想成立，那麼它對宇宙學有著不可置否的重大影響。研究人員已經開始著手檢驗這一猜想，並深入探究其含義。Wrase撰寫了兩篇論文進一步闡述完善其猜想。每當提及當初的想法時，Wrase充滿了動力與希望。

可能在弦理論宇宙中出現的「景觀」被宇宙中不可推斷的「沼澤」包圍。在物理學家研究過的所有簡單、可行的弦宇宙中，暗能量密度要麼不斷減弱，要麼呈現出穩定負值；然而現今的宇宙似乎有著一個穩定正值出現。圖片：Maciej Rebisz for Quanta Magazine

在發表第二篇論文深入探討這一猜想的兩天後，奧比德、普拉泰克·阿格瓦爾和保羅·斯坦哈特發表了自己的觀點：簡單地說，隨著宇宙擴張，能量密度在真空空間的真空度必須比某一速率快。在所有簡單基於弦理論的宇宙模型中，該規則似乎也很合理。但它違背了人類對宇宙的兩種普遍認知：既不接受當今宇宙膨脹的公認圖景，也不接受宇宙由爆炸誕生的主要模式。

1、尚有爭議的暗能量

自1998年以來，天文望遠鏡的觀測顯示宇宙一直在以前所未有的速度膨脹，這意味著真空空間一定注入了某種與引力排斥的「暗能量」。此外，在真空中注入的暗能量數量似乎會隨著時間推移而保持不變(就像所有人都知道的那樣)。但新猜想斷言宇宙的真空能量一定在減少。瓦法和他的同事認為，所謂的真空能量穩定、恆定、正值的德西特宇宙不可能存在。

哈佛大學著名的弦論理論家康潤·瓦法，13年來一直致力於繪製不可能在宇宙中存在的「沼澤」地圖。圖片：Hayward Photography

自1998年發現暗能量以來，弦理論家們一直在努力構建穩定的德西特宇宙可信弦模型。但如果瓦法的觀點正確，這種努力必然會陷入邏輯上的不一致。德西特宇宙不位於「景觀」之中，而位於「沼澤地帶」。瓦法解釋說：那些看起來一致但最終又不一致的東西，我稱其為沼澤；它們幾乎看起上去就是景象，你甚至可能會被其愚弄。你認為你應該能夠構建它們，但事實上你並不能。

根據「德西特斯瓦爾普蘭猜想」，在所有可能的邏輯宇宙中，真空能量要麼就像從山上滾下的球不斷下降，要麼就是一個穩定的負值（所謂的具有穩定的負劑量真空能量「反德西特」宇宙，在弦理論中很容易被構建）。如果這個猜想成立，那就意味著暗能量在宇宙中的密度不可能恆定，而是以一種被稱為「典範」的形式存在——在數百億年中逐漸消失的能量來源。望遠鏡正在更精確地探測宇宙恆定速率是否在加速膨脹，這意味著隨著新空間產生，同時也會有一個成比例的新暗能量出現，或者宇宙加速逐漸改變，如典範模型。

典範的發現將徹底改變基礎物理學和宇宙學，包括改寫宇宙的歷史和未來。一個完整的宇宙將會逐漸減速，而不是在一個大撕裂口中被撕裂。在大多數模型中，無論是大收縮還是大反彈，最終都將會停止膨脹和收縮。普林斯頓大學宇宙學家、瓦法的共同作者之一保羅?斯坦哈特表示：在未來幾年，所有人都應該關注」暗能量研究，WFIRST和歐幾里德望遠鏡對暗能量密度是否正在改變的測量。如果發現它與經典理論不一致，那也就意味著要麼「景觀」想法是空談，要麼弦理論是錯的，要麼兩者皆是虛論，或者經典理論出了問題。

2、陷入包圍的膨脹

新「沼澤」猜想對人們普遍相信宇宙誕生的故事提出了質疑：宇宙膨脹的大爆炸理論。宇宙大爆炸理論表示微小充滿能量的時空微粒迅速膨脹，形成了現在的宏觀宇宙。這個理論用於解釋宇宙是如何變得如此巨大、平滑和平坦。假設的能量「膨脹場」被認為驅動了宇宙膨脹，但這與瓦法的公式有矛盾之處。瓦法和其他研究人員解釋說：為了遵循公式，膨脹場的能量可能需要過快地衰減，才能形成一個足夠平滑的宇宙，因此，這個猜想否定了許多流行的宇宙膨脹模型。在未來的幾年裡，類似Simons天文台這樣的望遠鏡將會尋找宇宙膨脹的確鑿證據，為事實正言。

與此同時，通常組成統一戰線的弦論理論家們對這個猜想持有不同意見。斯坦福大學物理學教授伊娃?西爾弗斯坦認為這一猜想是虛論。她的丈夫斯坦福大學教授沙米特·卡赫魯與妻子持相同觀點，他是著名的2003篇論文KKLT（作者的名字縮寫）的第一個「K」，這些論文提出了一套可以用來構建德西特宇宙的細膩成分。2003年發表的一篇著名論文提出了一套可以用來構建德西特宇宙的細膩成分。瓦法的公式說Silverstein和Kachru的結構無法正常運作。西爾弗斯坦開玩笑說：我們家都被這些猜想包圍著；基於新論文的觀點，加速膨脹模型現在比以前更受歡迎。

基本上只是推測這些東西並不存在，並且引用了非常有限甚至在某些情況下非常可疑的分析。紐約大學弦理論學家和宇宙學家馬修·克雷班也在研究膨脹的弦模型。他強調新沼澤推測具有高度可推測性，同時也是「燈柱推理」的一個例子，因為大部分弦景觀還有待探索。根據現有證據，他承認推測可能是正確的。克雷班補充說：弦理論可能是正確的，也許弦論不能描述世界，並且暗能量可能使它變得虛假。但這顯然非常有趣。

3、繪製沼澤地圖

德西特·斯瓦爾普蘭猜想和未來實驗是否真有能力證明弦理論的正確性還有待觀察。21世紀初發現弦理有大有約10^500種解法，打破了它可能成會獨一無二地、不可避免地預測宇宙性質的夢想。這個理論幾乎可以支持所有的觀測結果，並且很難通過實驗來驗證或反駁。2005年瓦法和網路合作者開始思考如何繪製出絕對真實自然的基本特徵來降低可能性。其中「弱引力猜想」聲稱引力必定是所有邏輯宇宙中最弱的力，不符合這些要求的宇宙會從景觀中被拋入沼澤地中。

加州理工大學的理論物理學家和瓦法第一個合作者之一Hirosi Ooguri說：這些斯瓦爾普蘭猜想中有很多都是以抵禦攻擊而著名，而且現在有些人建立了一個非常堅實的理論基礎。例如，弱引力猜想已經積累了大量證據，以至於有人懷疑弦理論是否是正確的量子引力理論。年構建宇宙弦模型的努力創造了景觀結束和斯瓦爾普蘭猜想。這個項目面臨的主要挑戰是弦理論預測了10個時空維度的存在——這個維度遠遠超過了我們的四維宇宙。弦理論認為額外6個空間維度一定很小，並且在每個點上都緊密地彎曲。景觀源於配置這些額外維度的不同方式。

但是，儘管可能性是巨大的，但像瓦法這樣的研究人員已經發現了一般原理。例如彎曲的維度通常會向內收縮，而電磁場往往會把所有的東西分開。在簡單穩定的構型中，這些效應通過負真空能量產生平衡，從而創造出反德西特宇宙。在物理學中，通常會有一般現象的簡單例子，但德西特宇宙不是如此。KKLT的論文提出了「通量」、「瞬子」和「反膜」等絲絲入扣的結構，這些結構可能成為配置正的、恆定真空能的工具。然而這些結構非常複雜，多年來其不穩定性已經被確認。

儘管Kachru說：沒有對此有任何嚴重的懷疑，但許多研究人員已經開始懷疑KKLT所述終不會創造出穩定的德西特宇宙。瓦法認為早該對穩定的德西特宇宙模型進行一致搜索。他的猜想最重要的就是要解決這個問題，在他看來，弦理論家們並沒有動力去弄清楚弦理論是否真的有能力描述我們的世界，而是認為弦景觀巨大，它必然有一定的方位，即使沒有人知道它在哪裡。

弦理論中的大部分研究者仍然站在德西特構造一邊，因為他們認為「我們生活在具有正能量的德西特宇宙中，所以一定會有更好的那種例子」。瓦法的猜想激起了整個圈內的行動，像Wrase這樣的研究者正在尋找穩定的德西特反例，而其他人則很少探索複雜的宇宙模型。同樣有興趣知道這個猜想是真是假，提出問題是我們應該做的，證明或推翻它是我們取得進步的方法。

博科園-科學科普｜文：Natalie Wolchover/Quanta magazine/Quanta Newsletter

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