探寻多重宇宙的证据

坠落天使路西法

宇宙在创生之初经历过一场暴涨，这得到了天文学观测证据的支持，但暴涨为什么发生，至今仍没有合理的理论解释。弦论为暴涨提供了两种解释：我们的宇宙存在于一个九维空间之中，不同平行宇宙之间的碰撞和湮灭，或者看不见的空间维度发生形状改变，都可以驱使我们熟悉的三维空间发生暴涨。暴涨真的标志着我们的宇宙与其他宇宙共处于一片更加广袤的疆域之中吗？
　　
　　如果说，宇宙学家在直径460亿光年、包含上千万亿亿颗恒星的宇宙中还会有幽闭恐怖症般的感觉，你相信吗？21世纪的宇宙学正涌现出越来越多的新观念，其中之一就是，已知的宇宙（即我们所能看到的万事万物）可能仅仅是整个空间中极其微小的一部分。作为种种宇宙学理论的副产品，各种各样的平行宇宙（parallel universes）构成了庞大的“多重宇宙”（multiverse）。但是，我们直接观测到多重宇宙中其他宇宙的希望十分渺茫，因为它们不是离我们太远，就是由于种种原因与我们的宇宙彼此分离。
　　不过，尽管一些平行宇宙与我们彼此分离，它们依然能够影响我们的宇宙，这样我们就能探测到它们造成的效应。那些宇宙是有可能存在的，弦论（string theory，描述自然界基本法则的主流候选理论）使宇宙学家们留意到了这一点。虽然弦论中的弦尺度非常小，但操控它们性质的基本原理却预言，存在着几种尺度较大的薄膜状物体，后者被简称为“膜”（brane）。具体地说，我们所处的宇宙本身可能就是一张处于九维空间中的三维膜。天文学家现在的一些观测结果，可能恰恰来源于较高维空间的形状改变，或者我们的宇宙与其他宇宙之间的碰撞。
　　近年来，弦论一直经受着各种各样的批评，大部分都超出了本文讨论的范围。不过有一种批评与本文有关，那就是弦论还没有被实验验证，这种担忧是合乎逻辑的。不过，这种批评并不仅仅针对弦论，描述极小尺度的物理理论本来就很难通过实验加以验证。所有描述自然界基本法则的候选理论，包括圈量子引力理论（loop quantum gravity）在内，都会遭遇同样的问题。弦论学家们一直在寻找用实验检验弦论的方法。弦论是否可以解释宇宙中尚未被解释的现象，特别是解释宇宙膨胀速度随时间的改变，是一个很有希望的研究方向。


　　宇宙早期的疯狂暴涨
　　
　　宇宙在诞生之初曾经历过一段急剧加速膨胀阶段，这与今天的许多观测事实完全相符，然而通常的物理学定律很难解释暴涨发生的原因。
　　9年前，科学家宣布，在某种被称作“暗能量”（dark energy）的未知成分的驱动下，宇宙的膨胀速度正在不断加快。大多数宇宙学家认为，宇宙还经历过一个速度更快的加速膨胀阶段，这个阶段被称为暴涨（inflation），发生在宇宙诞生之初，那时连原子都还没有形成，更别提星系了。早期的暴涨阶段结束后不久，宇宙的温度比目前地球上能够观测到的最高温度还高十亿倍以上。宇宙学家和粒子物理学家在共同努力，寻找能够描述如此高温度的物理学基本法则。来自不同领域的灵感相互碰撞，促使科学家从弦论出发，对早期宇宙展开全新的思考。
　　
　　暴涨概念的提出，是为了解释一系列简单却令人困惑的观测事实，其中许多都涉及宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background radiation，缩写为CMBR），即炽热的早期宇宙留存至今的遗迹。比如，微波背景辐射表明，早期宇宙近乎完美均匀——这一点非常奇怪，因为没有哪种常见的物理过程（比如流体的流动），来得及让早期宇宙中的物质变得如此均匀。在20世纪80年代初，艾伦·H·古斯（Alan H. Guth，目前任职于美国麻省理工学院）发现，一段极为迅速的膨胀时期能够解释这种均匀性。这样一段加速膨胀时期能够稀释原先存在的任何物质，抹平不同区域之间的密度差异。
　　同等重要的是，暴涨并没有使宇宙变得完全均匀。由于亚原子尺度上固有的量子统计学定律，暴涨期间空间能量密度会有所涨落。暴涨就像一台巨大的复印机，将小尺度上的量子扰动放大到了天文学尺度，产生了后来宇宙演化时期可以预言的物质密度扰动。
　　微波背景辐射的观测与暴涨理论的预言惊人符合。观测数据的支持使暴涨理论成了解释宇宙极早期行为的主流理论。未来的卫星，例如欧洲空间局（European Space Agency）计划在明年发射的普朗克（Planck）卫星，将为暴涨理论寻找更加确凿的证据。
　　但是，物理学定律真的能够产生这样的暴涨吗？这就是整个故事含糊不清的地方。如何才能让充斥着正常物质的宇宙加速膨胀，这是一个众所周知的难题。宇宙的加速膨胀需要一种性质非常特殊的能量成分：它的能量密度必须是正值；就算宇宙在急剧膨胀，能量密度也必须基本保持不变；为了让暴涨能够结束，这种成分的能量密度还必须在暴涨末期突然下降。
　　
　　初看起来，任何成分的能量密度似乎都不可能保持不变，因为空间的膨胀会稀释这种成分。但一种被称为标量场（scalar field）的特殊能量来源可以避免这种稀释。你可以把标量场想象成一种充斥在空间各处的极端简单的物质成分，好比一团气体，但是标量场的性质和你见过的任何气体都不一样。它更类似于我们熟悉的电磁场和引力场，只是标量场更加简单，只需要一个数值（即场强）就可以描述，该数值还可以随空间位置的不同而发生变化。相比之下，磁场是一种矢量场（vector field），除了场强以外，在空间的每个位置还要指明一个方向，才能完全描述磁场的性质。天气预报为这两种场都提供了例子：温度和气压是标量场，而风速则是矢量场。
　　很明显，驱动暴涨的标量场［即暴涨子（inflaton）场］使宇宙的加速膨胀持续了一段时间，接着又戛然而止。这个动力学过程很像游乐场中过山车的开始阶段。暴涨子场就像过山车，先沿一个平缓的斜坡缓慢滑行。（这里的“缓慢”是一个相对概念，对人类来说，这个过程还是非常迅速的。）接着，“过山车”陡然下降，将势能转化为动能，最终转化为热量。从理论上再现这一过程并非易事。物理学家过去25年来提出过很多建议，但没有一种具有足够的说服力。暴涨过程很可能涉及极端高能量下的物理过程，对此我们一无所知，因此构建暴涨理论模型的探索步履艰难。

　我们的宇宙是张膜？
　　
　　弦论认为：空间有九个维度，巨大的D膜在其中飘浮；万物由弦构成，开弦的端点被约束在D膜上，因此不同的D膜就是不同的宇宙。然而，这一理论尚未得到过实验验证。
　　20世纪80年代，暴涨理论逐渐获得人们的承认。与此同时，探索同一未知领域的另一条独立线索——弦论，也在不断取得进展。弦论认为，亚原子粒子其实都是微小的一维物体，就像微缩版的橡皮筋。一些弦形成闭合的圈，我们称之为闭弦（closed string）；另一些弦是有着两个端点的线段，我们称之为开弦（open string）。弦论用开弦和闭弦的各种不同的振动状态，来描述所有目前已经发现的基本粒子，还预言了许多尚未被发现的粒子。弦论与其他基本粒子理论不同，它的最大优点在于，它可以把自身和引力有机地结合在一起。换句话说，引力不是在构造弦论的时候假设的，而是在弦论中自然产生的。
　　如果弦论正确的话，空间就会和表面看上去的模样大不相同。具体说来，弦论预言空间正好是九维的（如果把时间也包括进来，那么时空就有十维），除了通常的长、宽、高三维以外，还多出了六个维度。我们看不见这些额外的维度。它们有可能非常小，我们无法进入这些维度，所以才感觉不到它们的存在。这就好比停车场上有一条裂缝，为二维的路面增加了第三个维度（深度）。但是如果裂缝非常小，你也许永远不会注意到它。即便是弦论专家也很难形象地想象九维空间，但是物理学史告诉我们，世界的本性可能确实超越我们的直观想象。
　　尽管弦论以“弦”为名，但弦论并不仅仅是关于弦的理论，还包括另一种被称为狄利克雷膜（Dirichlet brane）的物体，简称D膜（D-brane）。D膜是漂浮在空间中的巨大的“表面”。它们就像光滑的捕蝇纸：开弦的端点可以在D膜上移动，但是不能离开D膜。电子、质子这样的亚原子粒子可能就是粘在D膜上的开弦。只有少数几种其他粒子，比如引力子（graviton，传播引力的粒子），可以在额外维度中自由移动，它们必须是闭弦。这种差异为我们提供了看不到额外维度的另一条理由：我们的实验设备可能都是由被粘在膜上的粒子构成的。如果确实如此的话，未来的设备也许可以用引力子来探测额外的维度。
　　D膜的空间维数可以任意取值，最高是九维。零维的D膜 （D0膜）是一种特殊的粒子，D1膜是一种特殊的弦（与弦论中最基本的那种弦不同），D2膜是一种薄膜状或墙壁状的物体，D3膜则是具有长、宽、高的三维物体，以此类推。我们能够观测到的整个宇宙可能就束缚在一张D3膜上——我们称之为膜世界（brane world）。也许其他的地方还飘浮着其他的膜世界，对于束缚在膜上的物质来说，一张膜就是一个宇宙。膜可以在额外维度中运动，因此它们的行为就像粒子一样，可以运动、碰撞、湮灭，甚至构成一个“行星系统”，让一张膜绕着另一张膜旋转。
　　尽管这些概念听起来很刺激，但它们必须面对实验的严格检验。在这方面，弦论很令人失望，因为尽管已经研究了20多年，目前仍然没有任何实验能够检验弦论。科学家一直想从弦论中得出一个预言，只要用实验检验这个预言，就能明确告诉我们世界是否由弦构成。然而事实证明，想找到这样的确凿证据非常困难。就连日内瓦附近欧洲核物理研究中心（CERN）即将建造完成的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，缩写为LHC），可能也没有足够的威力来检验弦论。
　　
　　感知隐藏的空间维度
　　
　　虽然无法进入额外的空间维度，但弦论提供了足够多的标量场，能让我们间接感知额外维度的存在。这些标量场的能量有可能驱使膜世界发生暴涨。
　　让我们回到暴涨理论。如果暴涨发生时能量足够高，弦论效应十分显著的话，暴涨也许就能提供一种检验弦论的方法——这正是弦论专家孜孜以求的目标。过去几年来，物理学家开始研究弦论能不能解释暴涨。遗憾的是，这件事情说起来容易做起来难。
　　　　更具体地讲，物理学家正在检验弦论预言的标量场能不能具备如下两个性质：第一，标量场的势能必须很大，是正值，而且近乎常数，这样才能驱动暴涨的发生；第二，标量场的势能必须能够突然转化为动能，才能使暴涨结束。
　　弦论的一个好处是，弦论中从来也不缺少标量场。对于我们这些被囚禁于三维空间的人来说，这些标量场无疑是一种安慰奖：尽管我们不能进入额外维度，但我们仍能以标量场的形式，间接感知额外维度。这就好比乘坐一架被遮住了所有窗户的飞机，虽然我们看不到第三个维度（高度），但是可以通过耳膜的不适感受到第三维产生的效应。在这个例子里，气压（这是一种标量场）的变化是感知飞机飞行高度的间接途径。
　　气压代表着我们头上大气的重量，弦论中的标量场又代表什么呢？在弦论中，一些标量场代表不可见空间维度的大小或形状。用数学上的几何术语来说，这些标量场被称作模场（moduli field）。其他一些标量场代表膜世界之间的距离。举例来说，如果我们所在的D3膜接近另一张D3膜，由于D3膜凹凸不平，在三维空间的不同地点，两张膜之间的距离就会稍有不同。假设加拿大多伦多的物理学家测得一个标量场的数值为1，而英国剑桥的物理学家测得数值为2，他们就能得出结论，剑桥到相邻D3膜的距离是多伦多的两倍。
　　把两张膜推到一起，或扭曲额外维度的空间，都需要消耗能量，这些都可以用标量场来描述。这些能量也许会导致膜的暴涨，这种机制最早是在1998年，由美国纽约大学的格奥尔基·德瓦利（Georgi Dvali）和美国康奈尔大学的戴自海（Henry S.-H. Tye）共同提出的。但是，对各种标量场的初步计算都让人气馁：它们的能量密度非常低，根本不足以驱动暴涨。这些标量场描述的更像是一列停靠在铁轨上一动不动的火车，而不是一列在斜坡上缓缓滑行的过山车。

    引入反膜
　　
　　膜与反膜就像正反电子一样相互吸引并发生湮灭，可以为暴涨提供足够的能量，并且能够解释暴涨的突然结束。
　　标量场能量密度太低——这就是2001年本文两位作者和当时在英国剑桥大学的马赫布卜·马宗达（Mahbub Majumdar），以及当时在美国纽约州普林斯顿高等研究院的戈文丹·拉杰什（Govindan Rajesh）、章人杰（Ren Jie Zhang）和已故的德特勒夫·诺尔特（Detlef Nolte），开始考虑这一问题时遇到的难点。与此同时，美国纽约大学的德瓦利、斯维亚托斯拉夫·索尔加尼克（Sviatoslav Solganik）和美国特拉华大学的凯萨·沙菲（Qaisar Shafi）也在从事相关的研究工作。
　　我们的创新之处在于，不仅考虑膜，也考虑反膜（antibrane）。反膜之于膜，就如同反物质之于物质。就像电子和它的反物质——正电子（positron）会互相吸引一样，一张膜接近一张反膜的话，它们也会彼此吸引。膜内的能量可以提供启动暴涨所需的正能量，膜的相互吸引则给暴涨的结束提供了解释：膜和反膜发生碰撞，在一场巨大的爆炸中彼此湮灭。幸运的是，我们的宇宙不一定非得付出湮灭的代价，才能从这样的暴涨过程中受益。当膜和反膜相互吸引和湮灭时，暴涨效应会渗透到附近的其他膜里。
　　我们计算了这个模型中的吸引力，发现它太强了，无法解释暴涨。但是这个模型从理论上证明，一个接近稳态的缓慢过程能够突然结束，并使我们的宇宙充满粒子。我们关于反膜的假设还为另一个久悬不决的难题提供了灵感，那就是为什么我们的宇宙是三维的。
　　接下来需要进一步考虑的问题是，如果是空间本身，而不仅仅是空间中的膜发生变化，情况将会怎样。在最初的尝试中，我们假设当膜运动的时候，额外维度空间的大小和形状保持不变。这是一个相当严重的漏洞，因为物质会使空间弯曲。不过这是可以理解的，因为在2001年时，还没有人知道如何精确计算弦论中额外维度的空间弯曲。
　　
　　扭曲的空间
　　
　　弦论中，至少有两种方式可以产生暴涨：一种是膜与反膜的碰撞湮灭，另一种是额外维度的几何结构发生改变。
　　短短两年，情况就发生了戏剧性的变化。2003年，美国斯坦福大学的沙米特·卡赫鲁（Shamit Kachru）、雷娜塔·考洛施（Renata Kallosh）和安德烈·林德（Andrei Linde），以及印度孟买塔塔基础研究院（Tata Institute of Fundamental Research）的桑迪普·特里维迪（Sandip Trivedi）共同提出了一个叫做KKLT（四位提出者的首字母缩写）的新理论框架。他们的理论框架描述了额外维度几何结构极难改变，因而物体在额外维中运动对额外维度影响较小时的情况。KKLT预言，额外维的几何结构有非常多的可能性，每一种结构都对应于一种可能出现的不同的宇宙。所有的可能性被总称为弦景观（string theory landscape）。每一种可能性也许都会在多重宇宙的某一角落找到属于自己的位置。
　　在KKLT框架内，至少有两种方式可以产生暴涨。第一种方式，暴涨可能是膜与反膜的运动在额外维度中产生的引力效应的结果。额外维度的几何结构可能非常奇特，就像章鱼一样有很多只长爪，这些延伸出去的部分又被称为“颈”（throat）。如果一张膜沿着一个颈运动，我们所在的三维空间和额外维之间将变得扭曲，于是膜与反膜之间的吸引力就会变弱。这让产生暴涨的“缓慢滑行”过程成为可能，从而解决了我们最初引入反膜时遇到的主要问题。这种暴涨被称作膜暴涨（brane inflation）。

　　第二种方式，暴涨可能完全由额外维度几何结构的改变所驱动，完全不需要膜的运动。两年前，我们和同事们按照这种思路，提出了这类暴涨的第一个例子。这种暴涨通常被称为模暴涨（moduli inflation），因为描述额外维度几何结构的模场起到了暴涨子场的作用。在模暴涨中，当额外维度的几何结构从其他形状转变为现在的形状时，我们熟悉的三个空间维度就会加速膨胀。从本质上讲，是宇宙自己塑造了自身的形状。因此，模暴涨把我们能够看到的三个维度的尺度，与我们无法看到的额外维度的尺度和形状联系在了一起。
　　
　　
　　天空中的弦
　　
　　弦论与暴涨的结合，让我们有机会通过观测，检验弦论和暴涨理论正确与否。我们甚至有可能在天空中找到尺度惊人的宇宙弦。
　　由弦论得到的暴涨模型不同于弦论的其他方面，它们有可能在不久的将来得到观测上的检验。宇宙学家早就在考虑暴涨可能产生的引力波，也就是时空结构的波动，这种引力波又被称为原初引力波（primordial gravitational wave）。弦论也许可以改变有关原初引力波的预言，因为现有的弦暴涨模型都预言，暴涨产生的引力波太弱，不可能被观测到。普朗克卫星探测原初引力波的灵敏度比现有设备更高。如果它能够探测到这种引力波，那么目前提出的所有弦暴涨模型都将被观测结果排除。
　　此外，一些膜暴涨模型预言，暴涨会产生一种叫做宇宙弦（cosmic string）的大型线状结构，它们会在膜和反膜湮灭的过程中自然产生。这些宇宙弦有可能是D1膜，也可能是膨胀到庞大尺度的基本弦，甚至可能是两者的组合。如果它们存在的话，天文学家应该可以探测到它们，因为它们会扭曲来自遥远星系的光线。
　　尽管理论上取得了一些进展，但还有很多问题需要解决。暴涨是不是真的发生过，目前还没有完全确定。如果进一步的观测不支持暴涨模型，宇宙学家就会转而研究取代暴涨的极早期宇宙模型。有些取代暴涨的模型就是在弦论的启发下诞生的。这些模型认为，我们的宇宙在大爆炸之前就存在，也许大爆炸只是宇宙创生与毁灭的永恒循环中的一部分。这些模型的难点在于，如何恰当地描述大爆炸时新旧宇宙的转换。
　　总之，弦论提供了产生宇宙暴涨的两种普遍机制：膜的碰撞和额外维度时空的形状改变。现在，物理学家们第一次可以在不作任何无法控制的特殊假设的条件下，完全从理论出发推导出宇宙暴涨的具体模型了。这个进展非常令人鼓舞。弦论是为了解释极小尺度的现象而被提出的，但被放大的弦却可能横贯长空。

木虎

很难能懂