宇宙的最终命运，是进入5维时空？

Daphane

来源：环球科学


绘图：Karan Singh

根据现有的宇宙学模型，宇宙要么永远存在，要么将走向支离破碎。但一些科学家却暗示了一种更加奇怪的宇宙命运。这篇文章，讲述了物理学家对宇宙结局的探索之路。　　由于宇宙的持续膨胀，曾经相邻的星系团将高速分离，速度快到连光都无法填补这个缺口。恒星将燃烧殆尽，宇宙陷入无尽的黑暗……这个“大冻结”（The Big Freeze）理论，描述了当今最为流行的宇宙结局模型。
　　大冻结理论是宇宙学标准模型的直接结果。这个理论认为，宇宙加速膨胀的推动力——暗能量，将保持不变。这种加速背后的神秘驱动力被称为暗能量，将永远具有不变的力。
　　大冻结并不是宇宙结局的唯一猜想。大挤压（The Big Crunch）理论认为，暗能量非但不会永保不变，反而可能随着时间的推移而减少，宇宙最终会自我坍缩，压缩成一个奇点，就像大爆炸之前一样。而大撕裂（The Big Rip）理论则认为，暗能量的力量在未来会增加，导致膨胀率继续增加，直到达到光速。最终，所有的物体，包括恒星和星系都会被撕裂成基本粒子。
　　大冻结，大挤压还是大撕裂？或者三者都不是？对宇宙未来的第四种预测更加令人震惊。它暗示了一个更为奇怪的情形：宇宙可能不会完全终结，而是演化成一种我们目前无法描述的状态。
　　暗能量是现代宇宙学中最重要的发现。上世纪90年代末，天文学家发现，宇宙的膨胀非但没有随着宇宙年龄的增加而放缓，反而在加速。是什么力量推动着宇宙不断地加速膨胀呢？人们本能地认为是时空自身的真空能推动的。真空中的粒子会在瞬间产生和消失，瞬间消失的粒子可能会产生能量将空间推开。



暗能量的不同模型会演化出不同的结果。（图片来源：NASA/CXC/M.WEISS）

　　真空能（Vacuum energy）是一种存在于空间中的背景能量，即使在没有物质的空间中依然存在。但是当用量子物理的原理计算真空能时，它的数值变得非常大。英国爱丁堡大学的观测宇宙学家Catherine Heymans说：“真空能会让宇宙在诞生后迅速膨胀，甚至连第一批恒星和星系都不会形成。”为了避免这个问题，物理学家们设想出一个量子过程将真空能抵消。Heymans说：“在理论物理学中，将某物归零相对容易。”
　　但是暗能量，或者延伸到真空能量的层面，并不为零。大多数观测指出，宇宙中特定时空体积的真空能量，也就是暗能量密度，随着时间是恒定的。这个数被称作宇宙学常数，用来表示暗能量的强度。但是，要解释其接近零但为正的数值是极其困难的。
　　于是，另一种试图描述宇宙本质的理论——弦论诞生了。
　　棘手的问题
　　上世纪90年代，弦理论已经成为“万有理论”的主要候选者。弦论的一个基本观点是，自然界的基本单元不是点状粒子，而是非常细微的线状的“弦”，这些弦在9+1维时空里振动。为了符合我们能观察到的4维时空，额外的空间维度必须被“压缩”，紧致到无法被探测到。每一种紧致方法都会导致一个不同的宇宙。弦理论最大的挑战，就是找到描述我们特定时空的唯一解。
　　这项工作遇到了问题。德西特宇宙（De Sitter space-time）认为，我们生活在在一个由略大于零的宇宙学常数描述的宇宙中，所以怎样用最简单的方法压缩额外的维度是弦理论学家需要努力解决的问题。
　　2003年，Shamit Kachru、Renata Kallosh、Andrei Linde和Sandip Trivedi（简称KKLT）提出了一种通过用弦理论构建我们的时空的复杂方法。他们的工作被誉为理论的胜利，但却付出了巨大的代价。
　　弦论在高能环境中生效，例如宇宙大爆炸之后。所以，为了能使该理论描述当今能量较低的时空，弦理论必须寻找自己的有效场论。使用KKLT结构得到的确切时空取决于额外维度是如何压缩的。2005年，弦论学家证明这至少可以用10500种方法来实现，每一种都给了我们一个可行的德西特时空。其结果是一个潜在宇宙的广阔景观，一个多重宇宙，其中所有可以想象的时空都能存在。在这个理论空间中，真空能的取值形成了一个复杂的“地形图”，被理论家称之为弦景观（String Landscape）。虽然KKLT提出了一种建立描述德西特时空的有效场论的方法，但它不能为我们的宇宙提供一个精确的理论。
　　进入沼泽地
　　这让哈佛大学的弦论学家Cumrun Vafa感到困扰，他对KKLT构造的模型并不满意。除了没有产生预期的结果，他还认为KKLT的提议在数学上过于复杂，难以验证。
　　Vafa开始从另一个角度看待这个问题：是否所有可能的有效场理论都能从弦论中产生，或者弦理论能否排除某些有效场论，从而排除掉某些类型的宇宙。他意识到，并非所有的有效理论都可以从弦论中导出。一旦引入引力，一些看似合理的理论就不能准确地描述我们的宇宙——这是一个常见的错误。Vafa将其命名为沼泽地，表示满是站不住脚的想法。
　　最近二十年来，弦论学家们一直未能构建出任何德西特时空的简单模型。在他的德西特猜想中，所有有效场理论都属于沼泽地。德西特宇宙不可能是弦理论方程的解。
　　对于Linde来说，德西特宇宙只是个未经证实的解释，他一直支持KKLT结构，即一个具有宇宙学常数的宇宙可以用弦理论来描述。“这是一个复杂的故事，”他说，“一个人不应该基于未经证实的论据，突然放弃以前的成果。”
　　德西特的猜想“可能对，也可能不对”，Vafa表示，“当我们进一步研究它时，我们就会发现，如果被证明是正确的，它将对宇宙学的标准模型产生重大影响。”根据Vafa等人的研究，其中最重要的一点是，暗能量密度不是一个近似常数，而是随着时间的推移而缓慢减小。
　　如果这个结论成立，它将对宇宙的命运产生深远的影响。在未来数百亿年内，暗能量可能会趋于零，甚至变为负值。然后，也许宇宙会以大坍缩而告终，而不是永远膨胀下去。
　　这种改变暗能量的形式被称为精质（quintessence）。精质是一种对于暗能量的假设形式，被提出来解释对于宇宙加速膨胀的观测。这一观点在宇宙学常数走向主流之前非常流行。
　　Linde是最早研究精质的科学家之一，但他对此并不信服。“精质是可能的，但它带来的问题比它能解决的要多。”他说。过去几年间，有迹象表明，暗能量密度的变化可能实际上解决了一场令人惊讶的宇宙学冲突。
　　这一矛盾产生于测量当今宇宙膨胀速率，即哈勃常数的两种不同方法。一种方法是通过研究附近星系中的恒星和超新星来直接测量它。另一种方法是研究宇宙微波背景，这是宇宙大爆炸后38万年发出的第一束光，然后从这些数据推断出今天的宇宙。两种方法得到的结果有显著差异。
　　大扭曲——宇宙全新阶段
　　这种差异可能是实验误差造成的，但也可以通过暗能量随时间的变化来解决，即将其视为一种精质。
　　你可能认为遵循Vafa理论的弦论学家会为这个消息感到高兴。但他们没有。Wrase说：“哈勃常数和德西特沼泽猜想方向相反。”德西特猜想要求暗能量密度随着时间的推移而减小；而只有当暗能量密度增加时，哈勃常数问题才能得到解决。
　　至于宇宙的命运，日益增长的暗能量密度表明，大撕裂，而不是大挤压，正蓄势以待。约翰·霍普金斯大学的Adam Riess说：“这是一个可怕的版本。”最终，每一处时空都有无尽的暗能量，它的斥力会撕裂一切：星系、行星、分子、原子，最终，还有时空本身。“抵抗暗能量将是徒劳的。”Riess说。
　　因此，我们似乎又回到了起点。暗能量正在减少，保持不变或随着时间的推移而增加，各种观点相互矛盾，宇宙的命运岌岌可危。这就是Vafa认为，有一种方法可以协调沼泽地猜想和哈勃常数的差异。
　　除了暗能量，宇宙中另一个看不见的组成部分是暗物质。人们认为暗物质的引力将星系和星系团聚集在一起。Vafa说，如果暗能量正在减弱，这将对暗物质产生影响。“弦论告诉你应该有一个相互作用。”Vafa发现，这种相互作用会导致暗物质粒子的质量随着时间的推移而减小。这改变了哈勃常数的外推值，可以缩小误差。
　　这是否意味着宇宙正走向大冻结，而不是大挤压或大撕裂呢？不完全是。仔细观察会发现，Vafa的想法会让其他场景都显得平淡无奇。这意味着，几百亿年后的宇宙将彻底改变。在弦论中，这通常意味着一个新的维度被打开了。“所以这是一个全新的宇宙，用我们当前宇宙的语言是无法描述的。我们现在生活在三维空间中。在这个新的理论中，它可能含有四个空间维度。”
　　任何新出现的空间维度都是弦论的一个额外维度从紧化中跳出的结果。这个大扭曲所产生的宇宙将与我们的完全不同。“一个全新的阶段开始了。”Vafa说。因此，虽然宇宙仍将存在，但它将具有什么性质，以及它的后续轨迹将是什么，目前还不清楚。
　　现在弦论学家通过后续实验，可能很快就会做出一些预测，哪怕只是些简单的预测。例如，如果弦论学家能够证明德西特猜想，就会导致一个预测，即传统宇宙学所青睐的那种时空不可能存在。但如果实验发现了无可争议的证据，来支持宇宙学常数和我们宇宙的德西特真空，“我们可以说弦论是错误的”。
　　无论发生什么，宇宙的未来看起来一点也不无聊。