我們可觀測的宇宙可能是一個更高維度的氣泡

2023-03-31 17:31:06

　　這個令人費解的設想聽上去像是物理學家的臆想，但它其實是科學家們最新的研究目標之一：研究人員正試圖將弦理論的數學原理與暗能量進行調和、使兩者能和諧共處(暗能量是一種無處不在的神秘宇宙力量，作用方式與引力剛好相反)。

　　弦理論試圖將20世紀物理學的兩大支柱——量子力學與引力進行統一。該理論假定所有粒子都是一維的弦，弦的振動決定了粒子的質量和電荷等性質。該理論從數學角度來看十分美麗和諧，很長時間以來一直被視為「萬物理論」(即一套能夠解釋所有物理原理的理論框架)的領先「候選人」之一。

　　但弦理論家提出的理論名目繁多，最近連他們自己也有些迷失方向。許多版本的弦理論都要求宇宙中存在10個以上的維度，包括我們習慣的三個空間維度和一個時間維度、以及其它許許多多維度。正是這些額外維度的配置決定了我們感知到的宇宙特徵。

　　研究人員在本世紀初意識到，根據弦理論，宇宙的數量可達到10的500次方之多。這就形成了多元宇宙的局面，我們所處的宇宙只是其中的一小部分而已。但根據弦理論等式建立的假想宇宙大多缺少暗能量。暗能量最早由天文學家於上世紀90年代發現，是目前宇宙加速擴張的原因所在。

　　2018年，研究人員對弦理論發起了重重一擊，提出在弦理論描述的無數宇宙中，沒有一個宇宙擁有我們所知的暗能量。瑞典烏普薩拉大學理論物理學家伍爾夫•丹尼爾森(Ulf Danielsson)指出：「目前弦理論用來描述暗能量的模型都存在數學問題，這一點已經越來越清楚。」

　　丹尼爾森稱基本問題在於，弦理論的主要等式指出，任何含有我們所知的暗能量的宇宙都應當會快速衰變並消失。但他表示：「我們想化這一問題為優點。」丹尼爾森與同事們共同搭建了一套模型，在這套模型中，導致這些含有暗能量的宇宙發生衰變的過程反而可以使其它維度產生的泡沫加速擴張。我們就生活在這些不斷擴張的泡沫之一的邊界之內，「暗能量則通過我們所在的泡沫邊界與更高維度的泡沫邊界之間的相互作用、以一種微妙的方式應運而生。」

　　丹尼爾森指出，宇宙大爆炸、也就是我們的宇宙誕生的時刻，就是該泡沫開始擴張的時刻。我們所在宇宙中的粒子只是延伸到額外維度中的弦的末端而已。丹尼爾森和同事們還想分析自己的模型與其它已知物理理論的兼容性。該假說或許能幫助物理學家對早期宇宙和黑洞展開結果可觀測的預測。

　　但其他研究人員對此並不買帳。「這只是紙上談兵，根本沒有實驗證據可以提供支持。」德國法蘭克福高級研究所物理學家薩比娜•霍森菲爾德(Sabine Hossenfelder)指出。

　　霍森菲爾德對基礎物理學領域的大多數最新權威意見都持批判態度，並於去年出版了一部名叫《迷失在數學中：美如何將物理學引入歧途》(Lost in Math： How Beauty Leads Physics Astray)的新書。她提出：「弦理論學家提出了看似無數個數學模型，但就我們所知，這些模型與實際觀測結果沒有任何關係。」

　　但丹尼爾森並不認為我們永遠無法檢驗弦理論的正確性，並認為目前圍繞弦理論展開的討論已經對弦理論下了戰書。「假如弦理論確實無法產生我們觀察到的那種暗能量，那麼弦理論就不僅得到了檢驗，還會被證偽。」(葉子)