暗能量可能与弦理论不相容？

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尚有争议的一篇新论文认为现今宇宙中暗能量分布情况或许根本不可能在弦理论所允许的宇宙“景观”中存在。这篇论文由著名的哈佛大学弦理论学家坎润·瓦法与其合作者们共同撰写；从弦理论出发，他们推演出一个规定了哪些物质是宇宙允许存在，哪些物质是宇宙禁止存在的简单公式。作为“万物理论”的主要候选者，弦理论将引力与量子物理学结合到一起，并将所有物质和力定义为微小能量链振动。

博科园-科学科普：这一理论大约允许10^500种不同解决方案存在，因此便形成了一个巨大、复杂多样的宇宙“景观”。像Wrase和瓦法这样的弦理论学家多年来一直致力于将特定宇宙放入到充满这种可能性之中。目前，瓦法和同事们猜测，我们观念上的宇宙或许在弦理论景观中根本不存在。如果这一猜想成立，宇宙与先前假设的会有大有差异，否则弦理论必定是错误的。瓦法在日本冲绳第2018弦会议上提出了这一猜想，由此引发了激烈的场外争论。

世界各地的物理学家各持己见，赞同声反对声不绝于耳。这场争论相当混乱，但同时也带来了巨大的动力。如果这一猜想成立，那么它对宇宙学有着不可置否的重大影响。研究人员已经开始着手检验这一猜想，并深入探究其含义。Wrase撰写了两篇论文进一步阐述完善其猜想。每当提及当初的想法时，Wrase充满了动力与希望。

可能在弦理论宇宙中出现的“景观”被宇宙中不可推断的“沼泽”包围。在物理学家研究过的所有简单、可行的弦宇宙中，暗能量密度要么不断减弱，要么呈现出稳定负值；然而现今的宇宙似乎有着一个稳定正值出现。图片：Maciej Rebisz for Quanta Magazine

在发表第二篇论文深入探讨这一猜想的两天后，奥比德、普拉泰克·阿格瓦尔和保罗·斯坦哈特发表了自己的观点：简单地说，随着宇宙扩张，能量密度在真空空间的真空度必须比某一速率快。在所有简单基于弦理论的宇宙模型中，该规则似乎也很合理。但它违背了人类对宇宙的两种普遍认知：既不接受当今宇宙膨胀的公认图景，也不接受宇宙由爆炸诞生的主要模式。

1、尚有争议的暗能量

自1998年以来，天文望远镜的观测显示宇宙一直在以前所未有的速度膨胀，这意味着真空空间一定注入了某种与引力排斥的“暗能量”。此外，在真空中注入的暗能量数量似乎会随着时间推移而保持不变(就像所有人都知道的那样)。但新猜想断言宇宙的真空能量一定在减少。瓦法和他的同事认为，所谓的真空能量稳定、恒定、正值的德西特宇宙不可能存在。

哈佛大学著名的弦论理论家康润·瓦法，13年来一直致力于绘制不可能在宇宙中存在的“沼泽”地图。图片：Hayward Photography

自1998年发现暗能量以来，弦理论家们一直在努力构建稳定的德西特宇宙可信弦模型。但如果瓦法的观点正确，这种努力必然会陷入逻辑上的不一致。德西特宇宙不位于“景观”之中，而位于“沼泽地带”。瓦法解释说：那些看起来一致但最终又不一致的东西，我称其为沼泽；它们几乎看起上去就是景象，你甚至可能会被其愚弄。你认为你应该能够构建它们，但事实上你并不能。

根据“德西特斯瓦尔普兰猜想”，在所有可能的逻辑宇宙中，真空能量要么就像从山上滚下的球不断下降，要么就是一个稳定的负值（所谓的具有稳定的负剂量真空能量“反德西特”宇宙，在弦理论中很容易被构建）。如果这个猜想成立，那就意味着暗能量在宇宙中的密度不可能恒定，而是以一种被称为“典范”的形式存在——在数百亿年中逐渐消失的能量来源。望远镜正在更精确地探测宇宙恒定速率是否在加速膨胀，这意味着随着新空间产生，同时也会有一个成比例的新暗能量出现，或者宇宙加速逐渐改变，如典范模型。

典范的发现将彻底改变基础物理学和宇宙学，包括改写宇宙的历史和未来。一个完整的宇宙将会逐渐减速，而不是在一个大撕裂口中被撕裂。在大多数模型中，无论是大收缩还是大反弹，最终都将会停止膨胀和收缩。普林斯顿大学宇宙学家、瓦法的共同作者之一保罗斯坦哈特表示：在未来几年，所有人都应该关注”暗能量研究，WFIRST和欧几里德望远镜对暗能量密度是否正在改变的测量。如果发现它与经典理论不一致，那也就意味着要么“景观”想法是空谈，要么弦理论是错的，要么两者皆是虚论，或者经典理论出了问题。

2、陷入包围的膨胀

新“沼泽”猜想对人们普遍相信宇宙诞生的故事提出了质疑：宇宙膨胀的大爆炸理论。宇宙大爆炸理论表示微小充满能量的时空微粒迅速膨胀，形成了现在的宏观宇宙。这个理论用于解释宇宙是如何变得如此巨大、平滑和平坦。假设的能量“膨胀场”被认为驱动了宇宙膨胀，但这与瓦法的公式有矛盾之处。瓦法和其他研究人员解释说：为了遵循公式，膨胀场的能量可能需要过快地衰减，才能形成一个足够平滑的宇宙，因此，这个猜想否定了许多流行的宇宙膨胀模型。在未来的几年里，类似Simons天文台这样的望远镜将会寻找宇宙膨胀的确凿证据，为事实正言。

与此同时，通常组成统一战线的弦论理论家们对这个猜想持有不同意见。斯坦福大学物理学教授伊娃西尔弗斯坦认为这一猜想是虚论。她的丈夫斯坦福大学教授沙米特·卡赫鲁与妻子持相同观点，他是著名的2003篇论文KKLT（作者的名字缩写）的第一个“K”，这些论文提出了一套可以用来构建德西特宇宙的细腻成分。2003年发表的一篇著名论文提出了一套可以用来构建德西特宇宙的细腻成分。瓦法的公式说Silverstein和Kachru的结构无法正常运作。西尔弗斯坦开玩笑说：我们家都被这些猜想包围着；基于新论文的观点，加速膨胀模型现在比以前更受欢迎。

基本上只是推测这些东西并不存在，并且引用了非常有限甚至在某些情况下非常可疑的分析。纽约大学弦理论学家和宇宙学家马修·克雷班也在研究膨胀的弦模型。他强调新沼泽推测具有高度可推测性，同时也是“灯柱推理”的一个例子，因为大部分弦景观还有待探索。根据现有证据，他承认推测可能是正确的。克雷班补充说：弦理论可能是正确的，也许弦论不能描述世界，并且暗能量可能使它变得虚假。但这显然非常有趣。

3、绘制沼泽地图

德西特·斯瓦尔普兰猜想和未来实验是否真有能力证明弦理论的正确性还有待观察。21世纪初发现弦理有大有约10^500种解法，打破了它可能成会独一无二地、不可避免地预测宇宙性质的梦想。这个理论几乎可以支持所有的观测结果，并且很难通过实验来验证或反驳。2005年瓦法和网络合作者开始思考如何绘制出绝对真实自然的基本特征来降低可能性。其中“弱引力猜想”声称引力必定是所有逻辑宇宙中最弱的力，不符合这些要求的宇宙会从景观中被抛入沼泽地中。

加州理工大学的理论物理学家和瓦法第一个合作者之一Hirosi Ooguri说：这些斯瓦尔普兰猜想中有很多都是以抵御攻击而著名，而且现在有些建立了一个非常坚实的理论基础。例如，弱引力猜想已经积累了大量证据，以至于有人怀疑弦理论是否是正确的量子引力理论。年构建宇宙弦模型的努力创造了景观结束和斯瓦尔普兰猜想。这个项目面临的主要挑战是弦理论预测了10个时空维度的存在——这个维度远远超过了我们的四维宇宙。弦理论认为额外6个空间维度一定很小，并且在每个点上都紧密地弯曲。景观源于配置这些额外维度的不同方式。

但是，尽管可能性是巨大的，但像瓦法这样的研究人员已经发现了一般原理。例如弯曲的维度通常会向内收缩，而电磁场往往会把所有的东西分开。在简单稳定的构型中，这些效应通过负真空能量产生平衡，从而创造出反德西特宇宙。在物理学中，通常会有一般现象的简单例子，但德西特宇宙不是如此。KKLT的论文提出了“通量”、“瞬子”和“反膜”等丝丝入扣的结构，这些结构可能成为配置正的、恒定真空能的工具。然而这些结构非常复杂，多年来其不稳定性已经被确认。

尽管Kachru说：没有对此有任何严重的怀疑，但许多研究人员已经开始怀疑KKLT所述终不会创造出稳定的德西特宇宙。瓦法认为早该对稳定的德西特宇宙模型进行一致搜索。他的猜想最重要的就是要解决这个问题，在他看来，弦理论家们并没有动力去弄清楚弦理论是否真的有能力描述我们的世界，而是认为弦景观巨大，它必然有一定的方位，即使没有人知道它在哪里。

弦理论中的大部分研究者仍然站在德西特构造一边，因为他们认为“我们生活在具有正能量的德西特宇宙中，所以一定会有更好的那种例子”。瓦法的猜想激起了整个圈内的行动，像Wrase这样的研究者正在寻找稳定的德西特反例，而其他人则很少探索复杂的宇宙模型。同样有兴趣知道这个猜想是真是假，提出问题是我们应该做的，证明或推翻它是我们取得进步的方法。

博科园-科学科普｜文：Natalie Wolchover/Quanta magazine/Quanta Newsletter

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本文选自：今日头条