天文
弦理论认为：我们的宇宙是薄膜
弦理论或能统一自然力，却解释不了加速膨胀的宇宙。新设想大胆重塑现实：我们或住在高维与虚无边缘的膜上，存在如影子般虚幻。
弦理论被视为“万物理论”的最佳候选。它将常规物理学的纷乱线索编织成一幅壮丽的高维画卷，能统一自然界四种力——包括最难搞定的引力。如果运气好，它还能驯服大爆炸和黑洞，不至于迷失方向。可惜有个致命缺陷：它无法解释像我们这样加速膨胀的宇宙。
这问题已经困扰了25年。弦理论的数学能描绘出无数可能的宇宙——据说有10的500次方那么多，数量大到超乎想象，简直是对预测科学的嘲弄。但它偏偏搞不定我们这个宇宙。1990年代末，天文学家通过遥远超新星观测发现，我们的宇宙正越胀越快。这对物理学家来说是个谜，对弦理论家则是场灾难。没人知道是什么驱动这种加速，常用“暗能量”来搪塞，可理论上，这种事压根不该发生。
宇宙的加速膨胀听起来稀松平常，可弦理论却束手无策。原因藏在时空几何里。Albert Einstein的广义相对论和后来的Willem de Sitter给出了答案：时空可能是球形且加速膨胀的“de Sitter空间”，也可能是马鞍形且无法膨胀的“anti-de Sitter空间”。弦理论偏爱后者，认为只有它稳定。可天文数据却明明白白告诉我们，我们活在de Sitter空间里。“有人怀疑，这种宇宙在弦理论里根本不可能，”瑞典Uppsala大学的Ulf Danielsson说，“到现在，我们还是没搞清楚。”
弦理论的起点其实很朴实。1960年代末，它只是个简单方程，用来解释质子、中子等粒子在强力作用下的碰撞。那时没人叫它弦理论，直到物理学家发现，这些碰撞概率可以看作量子弦的振动，才有了新名字。他们开始猜想，这些弦不仅是理解粒子的工具，或许就是粒子本身。电子、夸克、Higgs玻色子——每种基本粒子都可能是根极细小弦的末端，奏着独特音调。
起初，弦理论在强力计算上栽了跟头，但很快在别处开花结果。自然界有四种力：弱力管放射性，电磁力关乎光和日常化学，引力则是个怪咖，让万物相吸，还有黏合粒子的强力。弦理论最先搞定了引力，这是之前量子理论从没做到过的。后来，弱力、电磁力和强力也陆续被它收编，一下子成了万物理论的头号种子选手。
它的数学很狂野，需要10维时空。我们熟悉的只有4维——3个空间加1个时间——但弦理论家相信还有6维，只是小到肉眼和仪器都看不到。这些额外维度让方程运转起来，给弦提供了蜷缩的空间，也顺带引出了一堆怪东西，比如叫“膜”的高维物体，简称brane。毕竟那是1980年代，一切皆有可能。
可弦理论太灵活了，描述的宇宙多得离谱，几乎没法预测。更糟的是，它和现实脱节。Danielsson回忆：“人们开始怀疑，我们的宇宙是不是压根不在它的范围里。”不过，最近有个疯狂的想法冒了出来，或许能救场。简单说，我们得把宇宙想象成更大图景的一部分——一个嵌在高维超空间和虚无之间的薄膜。“我们的存在就像影子，投在世界尽头的墙上，”英国Nottingham大学的Antonio Padilla这样描述。
这想法的种子早在1999年就埋下了。当时，Lisa Randall和Raman Sundrum为了解决弦理论的另一个难题，提出了高维brane的概念。他们发现，两个5维anti-de Sitter时空之间，可以夹一个4维的brane，正好像我们的宇宙。后来Randall和Andreas Karch还证明，这个brane会自然加速膨胀。可惜，这模型夹在两个巨型AdS时空中间，稳定性堪忧，没能彻底解决问题。
五年前，Danielsson和Uppsala大学的团队灵光一闪：“如果不稳定性不是问题呢？能不能反过来利用它？”每个时空模型都有能量织在结构里，决定其中粒子、弦和brane的行为。如果能量不是最低，量子力学说它就不稳定，随时可能“衰变”成新宇宙。他们设想一个5维AdS时空从高能量起步，哪怕一小块衰变，也会迅速形成低能量的“暗泡”。这泡被4维de Sitter时空包裹，和我们的宇宙一模一样。关键是，它从不稳定中诞生，不再受其摆布。
这暗泡膜不太稳，时不时会冒出新泡，层层嵌套，形成多元宇宙。我们所谓的大爆炸，只是母泡生出我们这泡的瞬间。Danielsson觉得这比传统大爆炸理论更直观：“常听人说大爆炸像气球胀进空间，但其实外面没空间。可有了暗泡，外面还真有东西。”
可这泡也有隐患，尤其是引力的问题。引力弱得离谱，一个冰箱磁铁就能对抗整颗星球的拉力。弦理论说，10维里引力被稀释了，可如果它漏得太多，行星和银河系早散架了。Padilla认为，暗泡多元宇宙无限大，引力随便漏，Danielsson团队只好加了些5维弦，把引力拴在膜上。
“他们得费尽心思让引力显得4维，”Padilla说。于是，他和Nottingham的Ben Muntz、Paul Saffin另辟蹊径：去掉多元宇宙，只留一个泡。没了无限时空，引力漏得少，弱而不散。我们的4维世界成了5维泡和虚无之间的屏障，真成了“世界尽头”的膜。“当然，这也有麻烦，”Padilla笑说，“虚无是什么？有还能生出东西？”
从无到有的问题自古难解。哲学家早就问：没东西时，空间、时间、物质咋来的？物理学研究关系，怕是答不了。可2012年，Adam Brown和Alex Dahlen在Princeton大学时，借Ed Witten的思路，提出无限弯曲的AdS时空——像纸被揉成极小一点——是最接近“虚无”的定义。那儿啥也装不下，但量子力学不认输，总能挤出点空间让泡诞生。
Nottingham团队想用这招，可无限弯曲的母时空咋生出正常泡？幸好，物理学家有办法。量子场论里，他们常“重整化”方程，去掉无限项，预测粒子碰撞准得惊人。去年，Padilla他们用类似招数，算出了有限弯曲泡的诞生。“结果就是个世界尽头的膜，外面啥也没有，”他说。
这么说，我们的宇宙可能真是这膜，外面是虚无，里面是5维泡。日常的弦其实活在5维里，我们看到的粒子只是弦端在4维上的投影，像影子般虚幻。可这想法还不是完整的弦理论，只有5维，得把剩下6维塞进去。德国Max Planck研究所的Ralph Blumenhagen说：“要把这嵌进弦理论，还会撞上新墙。”
西班牙的Angel Uranga也提醒：“这可能是技术难题，也可能是根本障碍。”但测试已有眉目。物理学家能通过实验看引力是否漏进额外维度，比如桌面实验或黑洞观测，也能在粒子对撞机找引力子的能量信号。只是现在精度不够，未来可期。
这些疯狂点子给弦理论注入了新活力。Blumenhagen说：“现在下结论还早。”可要是我们真活在膜上，宇宙的加速膨胀或许不是弦理论的末日，而是新篇章的起点。现实，也许比我们想的怪得多。
本文译自 New Scientist，由 BALI 编辑发布。
