弦理论可能是我们在尝试建立“万物理论”时得到的最佳方案，然而它无法描述像我们这样不断膨胀的宇宙。现在，该理论发生的一个根本性新转变终于可以解决这个问题——但它需要我们彻底地重新想象现实。

弦理论是我们拥有的最接近“万物理论”的尝试。按照它的规则，传统物理学中那些错综复杂的理论就会成为一匹崇高的高维度织锦的一部分。它可以统一自然界的四种基本力，包括其中最棘手的引力。运气够好的话，它甚至有望在不造成逻辑断裂的情况下解释大爆炸和黑洞。

只有一个问题：弦理论无法解释像我们这样不断膨胀的宇宙。它的数学结构可以描述无数种可能的宇宙，却无法描述一个正在加速膨胀的宇宙，而我们观察到的我们所处的宇宙恰恰就是如此。诚然，没人真正知道是什么导致了这种加速膨胀——一般我们暂时用神秘的“暗能量”来解释。但从理论上讲，这种现象根本不该发生。

这个问题已经困扰了科学界25年，但如今我们或许找到了解决之道。表面上看，这个答案并不会让习惯了现代物理奇想的人感到震惊：我们只需要重新思考我们的宇宙，把它看作某个更宏大结构的一部分即可。如此一来，我们的宇宙就可以尽情地膨胀——事实上，在这种情况下，加速膨胀会显得自然而然。但这个新设想或许是迄今为止最离经叛道的假设：我们熟悉的空间，可能正微妙地悬在高维超空间与完全虚无之间。“在我们的这种设想中，我们的存在就像是一道影子，投射在一堵位于世界尽头的墙上。”英国诺丁汉大学的物理学家安东尼奥 · 帕迪利亚（Antonio Padilla）如此形容道。

尽管如今弦理论显得格外宏伟，但它的起点却相当朴素。它诞生于20世纪60年代后期，起初只是一个简单的方程式，用于解释质子、中子以及其他由强力（强相互作用力）结合在一起的粒子之间的碰撞。那时它还不叫弦理论，但在物理学家发现它的碰撞概率可以诠释为量子力学中弦的不同振动后，这个名字很快就叫开了。渐渐地，物理学家开始怀疑这些“弦”不仅仅是帮助理解粒子的数学工具——也许它们就是粒子本身。在这个模型中，每一个基本粒子——无论是电子、夸克、希格斯玻色子还是其他什么粒子——其实都是一根极微小弦的末端，以特定的振动频率哼唱着特定的音调。

尽管弦理论在最初未能很好地解决强力的计算问题，但它很快就在其他方向上取得了进展。自然界除了强力之外，还有三种已知的基本力：支配放射性的弱力、主宰光和日常物质的化学性质的电磁力，以及让万物相互吸引的古怪引力。弦理论的第一个重大成果是成功描述了引力，这是之前所有量子理论都未能做到的。随后，弱力、电磁力和强力也被纳入它的理论框架之中。突然之间，弦理论成了最有可能成真的“万物理论”。

弦理论的数学构想极为大胆，它要求时空共有十个维度。我们熟悉的只有四个维度，即三个空间维度和一个时间维度，而弦理论学者认为还有六个额外的维度，它们微小得难以想象，以至于我们的感官无法觉知，任何现有仪器也难以探测到。虽然这些额外维度使弦理论的方程得以成立，同时为弦提供了卷曲的空间，但它们也引出了许多其他古怪的高维物体，这些物体被称为“膜”，这是一个有些误导性的名字。话虽如此，那还是20世纪80年代，一切皆有可能。

不幸的是，事实证明，弦理论太过灵活，足以描述出数量极其庞大、种类极其繁杂的幻想宇宙——种类多达10500种。这个数字之巨大，几乎使一切物理对比变得毫无意义，也是对预测科学的嘲弄。更糟糕的是，20世纪90年代末对遥远超新星的天文观测揭示了一个惊人的事实：我们的宇宙正在加速膨胀。虽然所有物理学家都因这一发现而感到震惊，但它对弦理论学家来说完全是一场灾难。因为在那成千上万个弦理论宇宙模型中，很少有宇宙具备这种加速膨胀的特性。“人们开始怀疑，我们这样的宇宙在弦理论中也许是不可能存在的，”瑞典乌普萨拉大学的理论物理学家乌尔夫 · 丹尼尔松（Ulf Danielsson）说，“而如今，我们仍然无从得知。”

像这样的黑洞图像可能暗示着额外维度的存在

弦理论的大问题

弦理论竟然无法解释宇宙加速膨胀这个看似平凡的现象，似乎有些奇怪。个中原因在于，宇宙的膨胀速度涉及时空本身的几何结构，爱因斯坦的广义相对论首先定义了这种结构，此后宇宙学家威廉 · 德西特（Willem de Sitter）又对其进行了详细描述。在爱因斯坦方程的一种解中，时空是球形的，并加速膨胀——这就是现在所说的德西特空间。在另一种解中，时空呈马鞍形，且根本无法膨胀，这被称为反德西特空间。弦理论几乎明确认为，只有反德西特时空才是稳定、可自我维持的，然而大量的天文学观测数据（包括来自遥远超新星的数据）都表明我们的宇宙是德西特空间。

不过，早在物理学家完全理解暗能量和宇宙加速膨胀之前，打破这一僵局的想法的种子就已埋下。1999年，在试图解决弦理论中一个完全不同的问题时，理论物理学家丽莎 · 蓝道尔（Lisa Randall）与拉曼 · 桑德拉姆（Raman Sundrum）提出了高维膜的概念，虽然是在一个较为简单、更易于描述的五维框架下。

几何学中，一个物体的表面总是比它本身少一维，比如一个三维立方体的每个表面都是一个二维的正方形。类似地，蓝道尔和桑德拉姆发现，可能存在一对五维的德西特空间，它们之间被一张仅有四维的膜隔开——就像是我们的宇宙。此外，蓝道尔后来与理论物理学家安德烈亚斯 · 卡尔奇（Andreas Karch）的研究还表明，这层膜将具有加速的德西特几何结构——再一次与我们宇宙的情况吻合。我们会不会就生活在这样一层膜上？这种可能性十分诱人。

可惜，尽管“蓝道尔-卡尔奇膜”模型表面上看很有希望，但它从未真正缓解弦理论的困境。原因在于，这层膜夹在两个庞大的反德西特空间之间，其稳定性并不比那少数几个勉强从弦理论中抽取出来的德西特宇宙强多少。然而，大约五年前，丹尼尔松和乌普萨拉大学的同事们突然灵光一现：“我们想，如果不稳定性其实不是问题呢？如果我们可以将这种不稳定性变为优势呢？”

每一种时空模型的结构中都含有一定水平的能量，它们支配着该模型中可能存在的粒子、弦、膜以及其他实体的类型与行为。量子力学认为，如果一个时空的能量并不处于可能的最低状态，那么它在本质上就是不稳定的，并且有“衰变”的风险，即突然转变为一个能量更低的新宇宙。丹尼尔松的研究团队考虑了一种初始时处于较高能量状态的五维反德西特空间。他们发现，哪怕只有其中很小一部分区域发生衰变，这个碎片也会迅速形成一个能量更低的五维反德西特空间“暗泡”。和蓝道尔-卡尔奇膜模型类似，这个气泡被一个类似我们宇宙的四维德西特空间包围。然而，最关键的是，这种结构是从不稳定中自发产生的，而不是屈服于不稳定性。

在这个新模型中，我们的宇宙所处的“气泡膜”依然不会完全稳定，但这仅仅意味着在它内部、我们看不见的五维空间中，不时会有新的暗泡冒出、聚起。事实上，这些新的暗泡会不断地在彼此内部生成，每一个都被一层德西特膜包围。从结果来看，每一层德西特膜都是一个新宇宙。在这个宏大的多重宇宙之中，我们所谓的“大爆炸”只是我们的“母气泡”孕育出我们这个气泡的那一刻。

丹尼尔松认为，这一设想实际上比现有公认的大爆炸宇宙模型更直观。“人们最喜欢把大爆炸描绘成一个向外部空间膨胀的气球，”他说，“通常这时候会有人告诉你这个比喻是错的，因为气球之外并不存在其他‘空间’。但在这个‘暗泡’模型中，外部空间确实存在。”

引力泄漏

然而，科学家也担心，这个暗泡模型在面临更进一步的检视时仍有破灭的风险。问题和自然界最令人头疼的引力有关，更确切地说：为什么引力如此之弱？一个证明引力之微弱的常见例子是冰箱磁铁的相对强度：它产生的电磁力竟然足以对抗整个地球的引力，从而吸附在金属冰箱门上。弦理论对引力的微弱提供了一种比较宽泛、随意的解释：力要在十个维度中作用，而引力在某种程度上被“稀释”得比其他力更多。但如果引力真的在不断“泄漏”，理论家仍然需要解释为何它没有弱到让行星逃离轨道、让旋转的星系飞散开来。

关键在于，必须以某种方式限制引力，让它恰到好处地渗到额外维度中。帕迪利亚指出，“暗泡”模型未能成功地做到这一点。毕竟，暗泡多重宇宙是无限的，所以引力可以泄漏到任何地方。因此，丹尼尔松团队不得不在他们的第五维空间中引入额外的“弦”，以把引力拴在气泡膜上。

“对我们来说，我们似乎需要跨越重重阻碍才能得到一个看起来是四维的引力。”帕迪利亚表示。因此，他与英国诺丁汉大学的同事本 · 蒙茨（Ben Muntz）和保罗 · 萨芬（Paul Saffin）尝试了另一种思路：干脆去掉整个多重宇宙，只保留一个气泡。这样一来，时空不再是无限的，引力的泄漏也被抑制，从而使其微弱但又不过于微弱。在这个模型中，虽然我们的世界仍然是一层包裹着五维气泡的四维膜，但它同时也是五维宇宙与“纯粹虚无”之间的一道屏障。换句话说，它是宇宙真正的边缘，是一张位于“世界尽头”的膜。“当然，这也带来了一些问题，”帕迪利亚说，“‘虚无’究竟是什么？虚无中又如何能诞生出‘有’？”

“无”中如何生出“有”，这是一个更棘手的问题。从哲学思想诞生之初，人们就在思考，如果包括空间、时间、物质在内的一切起初都不存在，那么它们之间相互作用的规则又是从何而来的呢？由于物理学处理的只是实体之间的关系，它可能永远也无法彻底解答这个终极谜题。

然而，正如理论物理学家亚当 · 布朗（Adam Brown）与亚历克斯 · 达伦（Alex Dahlen）在2012年所展示的那样（当时他们都就职于美国普林斯顿大学），物理学可以惊人地逼近这个终极谜题的答案。他们借鉴了当时同在普林斯顿大学的弦理论重量级人物爱德华 · 威滕（Edward Witten）早先的研究成果，提出了一种可以无限向内弯曲的反德西特空间几何结构。这种几何结构就像一张被不断揉皱揉小的纸，每揉一次，曲率就增加一些，直到它最终变得无穷小。布朗和达伦认为，这几乎可以说是物理学框架内能定义的最接近“虚无”的存在。

具有这种几何结构的时空无疑是无法居住的荒凉之地：在无限曲率下，所有长度都会缩减为零，因此不会留下任何“空间”供事物存在。但另一方面，量子力学依然至高无上、依然适用，而量子力学拒绝如此绝对的陈述。量子力学认为，即使在“无”中，仍然有稍纵即逝的概率会出现“有”：一块足以让某个泡状时空生成的、极尽微小的空间。

诺丁汉大学的研究团队希望能利用这种可能性，但面临着另一个难题：如果“母时空”是无限弯曲的，那么在它之中形成的气泡又怎能拥有良性的几何结构呢？好在物理学家早已习惯解决这类问题。量子场论是我们现有基本粒子标准模型的基础，在量子场论中，物理学家常常需要抵消方程中的高能项，以免计算结果变得无穷大。这个过程叫作“重整化”，虽然听起来像是武断的人为操作，但它行之有效，例如：物理学家在预测大型强子对撞机等粒子加速器的碰撞速率时，通过重整化达到了惊人的精确度。

2024年，帕迪利亚与同事们采用了类似的方法——被称为“全息重整化”——来计算在无限弯曲的反德西特时空中形成有限曲率气泡的过程。结果令人振奋。“结果完全符合理论描述，”帕迪利亚说，“就是一张位于世界尽头的膜，外面只有虚无。”

我们的宇宙也许只是一张位于某个高维气泡边缘的膜

如果浅显地理解，我们自以为熟知的宇宙似乎只是这样一层膜，外面是虚无，而内部则是一个五维的气泡。帕迪利亚指出，如果真是这样，那么那些构成我们日常存在的“弦”实际上处于气泡内部的五维空间中，而我们所感知到的基本粒子，仅仅是这些弦的“末端”，粘在了我们的四维膜世界上。也就是说，我们的所见所感只是某个更高现实的影子或投影，而那个现实超出了我们感官的觉知范围。

不过，需要指出的是，无论是诺丁汉大学团队还是乌普萨拉大学团队的设想，目前都还不能算是完全成熟的弦理论模型。由于研究人员的构想只涉及五个维度，他们需要证明弦理论总计十个维度中的其余五个维度也能够成功压缩到他们的模型世界之中。德国加兴马克斯 · 普朗克物理研究所的弦理论专家拉尔夫 · 布鲁门哈根（Ralph Blumenhagen）表示：“要将这个设想完整地嵌入弦理论中，多半还会遇到新的障碍。”

尽管乌普萨拉团队宣称已在实现该目标上取得了一定进展，但随着新障碍不断浮现，重大挑战仍然存在，而解决之道尚不明朗。西班牙马德里理论物理研究所的安赫尔 · 乌兰加（Angel Uranga）表示：“这可能只是一个技术难题，也可能反映出某种更为根本的障碍。”

但是，即便它们在理论上取得了成功，我们仍然不禁要问：这些想法是否太过天马行空？物理学家确实可以检测引力是否会泄漏到额外维度——他们可以在台面实验中观测天平和悬臂的行为，或者通过最近才成功观测到的黑洞尺寸的天文图像寻找偏离已知引力规律的迹象。他们也能借助粒子对撞机来寻找引力子的能量痕迹——引力子被认为是在高维中运行的、携带引力的粒子。遗憾的是，尽管这些测试一直在不断改进，目前它们的精度尚不足以否定或证实“膜宇宙”理论。

话虽如此，这些设想仍为弦理论注入了新的乐观情绪和一线希望——尽管弦理论深奥莫测、内容繁杂，它终究有可能成功描述我们这个加速膨胀的小小宇宙。“现在下定论还为时尚早。”布鲁门哈根说。但如果我们真的生活在一张膜上，那么我们宇宙的加速膨胀，也许并非摧毁弦理论的世界末日。

资料来源 New Scientist

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本文作者乔恩·卡特莱特（Jon Cartwright）是一名科学记者，为《新科学家》杂志撰写了大量宇宙学、材料科学、量子领域的文章