【探尋多重宇宙的證據】

江南布衣

【探尋多重宇宙的證據】

 

作者: 克利夫‧伯吉斯　費爾南多‧克韋多

　　
　　

宇宙在創生之初經歷過一場暴漲，這得到了天文學觀測證據的支持，但暴漲為什麼發生，至今仍沒有合理的理論解釋。

 

弦論為暴漲提供了兩種解釋︰

 

我們的宇宙存在于一個九維空間之中，不同平行宇宙之間的踫撞和湮滅，或者看不見的空間維度發生形狀改變，都可以驅使我們熟悉的三維空間發生暴漲。

 

暴漲真的標誌著我們的宇宙與其他宇宙共處于一片更加廣袤的疆域之中嗎？ 　　
　　

如果說，宇宙學家在直徑460億光年、包含上千萬億億顆恆星的宇宙中還會有幽閉恐怖癥般的感覺，你相信嗎？

 

21世紀的宇宙學正涌現出越來越多的新觀念，其中之一就是，已知的宇宙（即我們所能看到的萬事萬物）可能僅僅是整個空間中極其微小的一部分。

 

作為種種宇宙學理論的副產品，各種各樣的平行宇宙（parallel universes）構成了龐大的“多重宇宙”（multiverse）。

 

但是，我們直接觀測到多重宇宙中其他宇宙的希望十分渺茫，因為它們不是離我們太遠，就是由于種種原因與我們的宇宙彼此分離。
　　

不過，盡管一些平行宇宙與我們彼此分離，它們依然能夠影響我們的宇宙，這樣我們就能探測到它們造成的效應。

 

那些宇宙是有可能存在的，弦論（string theory，描述自然界基本法則的主流候選理論）使宇宙學家們留意到了這一點。

 

雖然弦論中的弦尺度非常小，但操控它們性質的基本原理卻預言，存在著幾種尺度較大的薄膜狀物體，後者被簡稱為“膜”（brane）。

 

具體地說，我們所處的宇宙本身可能就是一張處于九維空間中的三維膜。

 

天文學家現在的一些觀測結果，可能恰恰來源于較高維空間的形狀改變，或者我們的宇宙與其他宇宙之間的踫撞。
　　

近年來，弦論一直經受著各種各樣的批評，大部分都超出了本文討論的範圍。

 

不過有一種批評與本文有關，那就是弦論還沒有被實驗驗證，這種擔憂是合乎邏輯的。

 

不過，這種批評並不僅僅針對弦論，描述極小尺度的物理理論本來就很難通過實驗加以驗證。

 

所有描述自然界基本法則的候選理論，包括圈量子引力理論（loop quantum gravity）在內，都會遭遇同樣的問題。

 

弦論學家們一直在尋找用實驗檢驗弦論的方法。

 

弦論是否可以解釋宇宙中尚未被解釋的現象，特別是解釋宇宙膨脹速度隨時間的改變，是一個很有希望的研究方向。
　　
　　

宇宙早期的瘋狂暴漲 　　
　　

宇宙在誕生之初曾經歷過一段急劇加速膨脹階段，這與今天的許多觀測事實完全相符，然而通常的物理學定律很難解釋暴漲發生的原因。
　　

9年前，科學家宣布，在某種被稱作“暗能量”（dark energy）的未知成分的驅動下，宇宙的膨脹速度正在不斷加快。

 

大多數宇宙學家認為，宇宙還經歷過一個速度更快的加速膨脹階段，這個階段被稱為暴漲（inflation），發生在宇宙誕生之初，那時連原子都還沒有形成，更別提星系了。

 

早期的暴漲階段結束後不久，宇宙的溫度比目前地球上能夠觀測到的最高溫度還高十億倍以上。

 

宇宙學家和粒子物理學家在共同努力，尋找能夠描述如此高溫度的物理學基本法則。

 

來自不同領域的靈感相互踫撞，促使科學家從弦論出發，對早期宇宙展開全新的思考。 　　
　　

暴漲概念的提出，是為了解釋一系列簡單卻令人困惑的觀測事實，其中許多都涉及宇宙微波背景輻射（cosmic microwave background radiation，縮寫為CMBR），即熾熱的早期宇宙留存至今的遺跡。

 

比如，微波背景輻射表明，早期宇宙近乎完美均勻——這一點非常奇怪，因為沒有哪種常見的物理過程（比如流體的流動），來得及讓早期宇宙中的物質變得如此均勻。

 

在20世紀80年代初，艾倫‧H‧古斯（Alan H. Guth，目前任職于美國麻省理工學院）發現，一段極為迅速的膨脹時期能夠解釋這種均勻性。

 

這樣一段加速膨脹時期能夠稀釋原先存在的任何物質，抹平不同區域之間的密度差異。
　　

同等重要的是，暴漲並沒有使宇宙變得完全均勻。

 

由于亞原子尺度上固有的量子統計學定律，暴漲期間空間能量密度會有所漲落。

 

暴漲就像一台巨大的復印機，將小尺度上的量子擾動放大到了天文學尺度，產生了後來宇宙演化時期可以預言的物質密度擾動。
　　

微波背景輻射的觀測與暴漲理論的預言驚人符合。觀測數據的支持使暴漲理論成了解釋宇宙極早期行為的主流理論。

 

未來的衛星，例如歐洲空間局（European Space Agency）計劃在明年發射的普朗克（Planck）衛星，將為暴漲理論尋找更加確鑿的證據。
　　

但是，物理學定律真的能夠產生這樣的暴漲嗎？

 

這就是整個故事含糊不清的地方。

 

如何才能讓充斥著正常物質的宇宙加速膨脹，這是一個眾所周知的難題。

 

宇宙的加速膨脹需要一種性質非常特殊的能量成分︰

 

它的能量密度必須是正值；

 

就算宇宙在急劇膨脹，能量密度也必須基本保持不變；

 

為了讓暴漲能夠結束，這種成分的能量密度還必須在暴漲末期突然下降。 　　
　　

初看起來，任何成分的能量密度似乎都不可能保持不變，因為空間的膨脹會稀釋這種成分。

 

但一種被稱為標量場（scalar field）的特殊能量來源可以避免這種稀釋。

 

你可以把標量場想象成一種充斥在空間各處的極端簡單的物質成分，好比一團氣體，但是標量場的性質和你見過的任何氣體都不一樣。

 

它更類似于我們熟悉的電磁場和引力場，只是標量場更加簡單，只需要一個數值（即場強）就可以描述，該數值還可以隨空間位置的不同而發生變化。

 

相比之下，磁場是一種矢量場（vector field），除了場強以外，在空間的每個位置還要指明一個方向，才能完全描述磁場的性質。

 

天氣預報為這兩種場都提供了例子︰溫度和氣壓是標量場，而風速則是矢量場。
　　

很明顯，驅動暴漲的標量場〔即暴漲子（inflaton）場〕使宇宙的加速膨脹持續了一段時間，接著又戛然而止。

 

這個動力學過程很像游樂場中過山車的開始階段。

 

暴漲子場就像過山車，先沿一個平緩的斜坡緩慢滑行。

 

（這裡的“緩慢”是一個相對概念，對人類來說，這個過程還是非常迅速的。）接著，“過山車”陡然下降，將勢能轉化為動能，最終轉化為熱量。

 

從理論上再現這一過程並非易事。

 

物理學家過去25年來提出過很多建議，但沒有一種具有足夠的說服力。

 

暴漲過程很可能涉及極端高能量下的物理過程，對此我們一無所知，因此構建暴漲理論模型的探索步履艱難。

 

 

引用：http://www.skylook.org/info/info-tw/info_2153_1.html

江南布衣

我們的宇宙是張膜？ 　　
　　

弦論認為︰空間有九個維度，巨大的D膜在其中飄浮；

 

萬物由弦構成，開弦的端點被約束在D膜上，因此不同的D膜就是不同的宇宙。

 

然而，這一理論尚未得到過實驗驗證。
　　

20世紀80年代，暴漲理論逐漸獲得人們的承認。與此同時，探索同一未知領域的另一條獨立線索——弦論，也在不斷取得進展。

 

弦論認為，亞原子粒子其實都是微小的一維物體，就像微縮版的橡皮筋。

 

一些弦形成閉合的圈，我們稱之為閉弦（closed string）；

 

另一些弦是有著兩個端點的線段，我們稱之為開弦（open string）。

 

弦論用開弦和閉弦的各種不同的振動狀態，來描述所有目前已經發現的基本粒子，還預言了許多尚未被發現的粒子。

 

弦論與其他基本粒子理論不同，它的最大優點在于，它可以把自身和引力有機地結合在一起。

 

換句話說，引力不是在構造弦論的時候假設的，而是在弦論中自然產生的。
　　

如果弦論正確的話，空間就會和表面看上去的模樣大不相同。

 

具體說來，弦論預言空間正好是九維的（如果把時間也包括進來，那麼時空就有十維），除了通常的長、寬、高三維以外，還多出了六個維度。

 

我們看不見這些額外的維度。它們有可能非常小，我們無法進入這些維度，所以才感覺不到它們的存在。

 

這就好比停車場上有一條裂縫，為二維的路面增加了第三個維度（深度）。

 

但是如果裂縫非常小，你也許永遠不會注意到它。

 

即便是弦論專家也很難形象地想象九維空間，但是物理學史告訴我們，世界的本性可能確實超越我們的直觀想象。
　　

盡管弦論以“弦”為名，但弦論並不僅僅是關于弦的理論，還包括另一種被稱為狄利克雷膜（Dirichlet brane）的物體，簡稱D膜（D-brane）。

 

D膜是漂浮在空間中的巨大的“表面”。

 

它們就像光滑的捕蠅紙︰開弦的端點可以在D膜上移動，但是不能離開D膜。

 

電子、質子這樣的亞原子粒子可能就是粘在D膜上的開弦。

 

只有少數幾種其他粒子，比如引力子（graviton，傳播引力的粒子），可以在額外維度中自由移動，它們必須是閉弦。

 

這種差異為我們提供了看不到額外維度的另一條理由︰

 

我們的實驗設備可能都是由被粘在膜上的粒子構成的。

 

如果確實如此的話，未來的設備也許可以用引力子來探測額外的維度。
　　

D膜的空間維數可以任意取值，最高是九維。

 

零維的D膜 （D0膜）是一種特殊的粒子，D1膜是一種特殊的弦（與弦論中最基本的那種弦不同），D2膜是一種薄膜狀或牆壁狀的物體，D3膜則是具有長、寬、高的三維物體，以此類推。

 

我們能夠觀測到的整個宇宙可能就束縛在一張D3膜上——我們稱之為膜世界（brane world）。

 

也許其他的地方還飄浮著其他的膜世界，對于束縛在膜上的物質來說，一張膜就是一個宇宙。

 

膜可以在額外維度中運動，因此它們的行為就像粒子一樣，可以運動、踫撞、湮滅，甚至構成一個“行星系統”，讓一張膜繞著另一張膜旋轉。
　　

盡管這些概念听起來很刺激，但它們必須面對實驗的嚴格檢驗。

 

在這方面，弦論很令人失望，因為盡管已經研究了20多年，目前仍然沒有任何實驗能夠檢驗弦論。

 

科學家一直想從弦論中得出一個預言，只要用實驗檢驗這個預言，就能明確告訴我們世界是否由弦構成。

 

然而事實證明，想找到這樣的確鑿證據非常困難。

 

就連日內瓦附近歐洲核物理研究中心（CERN）即將建造完成的大型強子對撞機（Large Hadron Collider，縮寫為LHC），可能也沒有足夠的威力來檢驗弦論。
　　
　　

感知隱藏的空間維度 　　
　　

雖然無法進入額外的空間維度，但弦論提供了足夠多的標量場，能讓我們間接感知額外維度的存在。

 

這些標量場的能量有可能驅使膜世界發生暴漲。
　　

讓我們回到暴漲理論。

 

如果暴漲發生時能量足夠高，弦論效應十分顯著的話，暴漲也許就能提供一種檢驗弦論的方法——這正是弦論專家孜孜以求的目標。

 

過去幾年來，物理學家開始研究弦論能不能解釋暴漲。

 

遺憾的是，這件事情說起來容易做起來難。　
　　

更具體地講，物理學家正在檢驗弦論預言的標量場能不能具備如下兩個性質︰

 

第一，標量場的勢能必須很大，是正值，而且近乎常數，這樣才能驅動暴漲的發生；

 

第二，標量場的勢能必須能夠突然轉化為動能，才能使暴漲結束。
　　

弦論的一個好處是，弦論中從來也不缺少標量場。

 

對于我們這些被囚禁于三維空間的人來說，這些標量場無疑是一種安慰獎︰

 

盡管我們不能進入額外維度，但我們仍能以標量場的形式，間接感知額外維度。

 

這就好比乘坐一架被遮住了所有窗戶的飛機，雖然我們看不到第三個維度（高度），但是可以通過耳膜的不適感受到第三維產生的效應。

 

在這個例子裡，氣壓（這是一種標量場）的變化是感知飛機飛行高度的間接途徑。
　　

氣壓代表著我們頭上大氣的重量，弦論中的標量場又代表什麼呢？

 

在弦論中，一些標量場代表不可見空間維度的大小或形狀。

 

用數學上的幾何術語來說，這些標量場被稱作模場（moduli field）。

 

其他一些標量場代表膜世界之間的距離。

 

舉例來說，如果我們所在的D3膜接近另一張D3膜，由于D3膜凹凸不平，在三維空間的不同地點，兩張膜之間的距離就會稍有不同。

 

假設加拿大多倫多的物理學家測得一個標量場的數值為1，而英國劍橋的物理學家測得數值為2，他們就能得出結論，劍橋到相鄰D3膜的距離是多倫多的兩倍。
　　

把兩張膜推到一起，或扭曲額外維度的空間，都需要消耗能量，這些都可以用標量場來描述。

 

這些能量也許會導致膜的暴漲，這種機制最早是在1998年，由美國紐約大學的格奧爾基‧德瓦利（Georgi Dvali）和美國康奈爾大學的戴自海（Henry S.-H. Tye）共同提出的。

 

但是，對各種標量場的初步計算都讓人氣餒︰

 

它們的能量密度非常低，根本不足以驅動暴漲。

 

這些標量場描述的更像是一列停靠在鐵軌上一動不動的火車，而不是一列在斜坡上緩緩滑行的過山車。

 

引用：http://www.skylook.org/info/info-tw/info_2153_2.html

江南布衣

引入反膜
　　 　　

膜與反膜就像正反電子一樣相互吸引並發生湮滅，可以為暴漲提供足夠的能量，並且能夠解釋暴漲的突然結束。
　　

標量場能量密度太低——這就是2001年本文兩位作者和當時在英國劍橋大學的馬赫布卜‧馬宗達（Mahbub Majumdar），以及當時在美國紐約州普林斯頓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‧諾爾特（Detlef Nolte），開始考慮這一問題時遇到的難點。

 

與此同時，美國紐約大學的德瓦利、斯維亞托斯拉夫‧索爾加尼克（Sviatoslav Solganik）和美國特拉華大學的凱薩‧沙菲（Qaisar Shafi）也在從事相關的研究工作。
　　

我們的創新之處在于，不僅考慮膜，也考慮反膜（antibrane）。

 

反膜之于膜，就如同反物質之于物質。

 

就像電子和它的反物質——正電子（positron）會互相吸引一樣，一張膜接近一張反膜的話，它們也會彼此吸引。

 

膜內的能量可以提供啟動暴漲所需的正能量，膜的相互吸引則給暴漲的結束提供了解釋︰

 

膜和反膜發生踫撞，在一場巨大的爆炸中彼此湮滅。

 

幸運的是，我們的宇宙不一定非得付出湮滅的代價，才能從這樣的暴漲過程中受益。

 

當膜和反膜相互吸引和湮滅時，暴漲效應會滲透到附近的其他膜里。
　　

我們計算了這個模型中的吸引力，發現它太強了，無法解釋暴漲。

 

但是這個模型從理論上證明，一個接近穩態的緩慢過程能夠突然結束，並使我們的宇宙充滿粒子。

 

我們關于反膜的假設還為另一個久懸不決的難題提供了靈感，那就是為什麼我們的宇宙是三維的（參見右頁文字框）。
　　

接下來需要進一步考慮的問題是，如果是空間本身，而不僅僅是空間中的膜發生變化，情況將會怎樣。

 

在最初的嘗試中，我們假設當膜運動的時候，額外維度空間的大小和形狀保持不變。

 

這是一個相當嚴重的漏洞，因為物質會使空間彎曲。

 

不過這是可以理解的，因為在2001年時，還沒有人知道如何精確計算弦論中額外維度的空間彎曲。
　　
　　

扭曲的空間 　　
　　

弦論中，至少有兩種方式可以產生暴漲︰

 

一種是膜與反膜的踫撞湮滅，另一種是額外維度的幾何結構發生改變。
　　

短短兩年，情況就發生了戲劇性的變化。2003年，美國斯坦福大學的沙米特‧卡赫魯（Shamit Kachru）、雷娜塔‧考洛施（Renata Kallosh）和安德烈‧林德（Andrei Linde），以及印度孟買塔塔基礎研究院（Tata Institute of Fundamental Research）的桑迪普‧特里維迪（Sandip Trivedi）共同提出了一個叫做KKLT（四位提出者的首字母縮寫）的新理論框架。

 

他們的理論框架描述了額外維度幾何結構極難改變，因而物體在額外維中運動對額外維度影響較小時的情況。

 

KKLT預言，額外維的幾何結構有非常多的可能性，每一種結構都對應于一種可能出現的不同的宇宙。

 

所有的可能性被總稱為弦景觀（string theory landscape）。

 

每一種可能性也許都會在多重宇宙的某一角落找到屬于自己的位置。
　　

在KKLT框架內，至少有兩種方式可以產生暴漲。

 

第一種方式，暴漲可能是膜與反膜的運動在額外維度中產生的引力效應的結果。

 

額外維度的幾何結構可能非常奇特，就像章魚一樣有很多只長爪，這些延伸出去的部分又被稱為“頸”（throat）。

 

如果一張膜沿著一個頸運動，我們所在的三維空間和額外維之間將變得扭曲，于是膜與反膜之間的吸引力就會變弱。

 

這讓產生暴漲的“緩慢滑行”過程成為可能，從而解決了我們最初引入反膜時遇到的主要問題。

 

這種暴漲被稱作膜暴漲（brane inflation）。
　　

第二種方式，暴漲可能完全由額外維度幾何結構的改變所驅動，完全不需要膜的運動。

 

兩年前，我們和同事們按照這種思路，提出了這類暴漲的第一個例子。

 

這種暴漲通常被稱為模暴漲（moduli inflation），因為描述額外維度幾何結構的模場起到了暴漲子場的作用。

 

在模暴漲中，當額外維度的幾何結構從其他形狀轉變為現在的形狀時，我們熟悉的三個空間維度就會加速膨脹。

 

從本質上講，是宇宙自己塑造了自身的形狀。

 

因此，模暴漲把我們能夠看到的三個維度的尺度，與我們無法看到的額外維度的尺度和形狀聯系在了一起。
　　
　　 　　
　　

天空中的弦 　　
　　

弦論與暴漲的結合，讓我們有機會通過觀測，檢驗弦論和暴漲理論正確與否。

 

我們甚至有可能在天空中找到尺度驚人的宇宙弦。
　　

由弦論得到的暴漲模型不同于弦論的其他方面，它們有可能在不久的將來得到觀測上的檢驗。

 

宇宙學家早就在考慮暴漲可能產生的引力波，也就是時空結構的波動，這種引力波又被稱為原初引力波（primordial gravitational wave）。

 

弦論也許可以改變有關原初引力波的預言，因為現有的弦暴漲模型都預言，暴漲產生的引力波太弱，不可能被觀測到。

 

普朗克衛星探測原初引力波的靈敏度比現有設備更高。

 

如果它能夠探測到這種引力波，那麼目前提出的所有弦暴漲模型都將被觀測結果排除。
　　

此外，一些膜暴漲模型預言，暴漲會產生一種叫做宇宙弦（cosmic string）的大型線狀結構，它們會在膜和反膜湮滅的過程中自然產生。

 

這些宇宙弦有可能是D1膜，也可能是膨脹到龐大尺度的基本弦，甚至可能是兩者的組合。

 

如果它們存在的話，天文學家應該可以探測到它們，因為它們會扭曲來自遙遠星系的光線。
　　

盡管理論上取得了一些進展，但還有很多問題需要解決。

 

暴漲是不是真的發生過，目前還沒有完全確定。

 

如果進一步的觀測不支持暴漲模型，宇宙學家就會轉而研究取代暴漲的極早期宇宙模型。

 

有些取代暴漲的模型就是在弦論的啟發下誕生的。

 

這些模型認為，我們的宇宙在大爆炸之前就存在，也許大爆炸只是宇宙創生與毀滅的永恆循環中的一部分。

 

這些模型的難點在于，如何恰當地描述大爆炸時新舊宇宙的轉換。
　　

總之，弦論提供了產生宇宙暴漲的兩種普遍機制︰

 

膜的踫撞和額外維度時空的形狀改變。

 

現在，物理學家們第一次可以在不作任何無法控制的特殊假設的條件下，完全從理論出發推導出宇宙暴漲的具體模型了。

 

這個進展非常令人鼓舞。

 

弦論是為了解釋極小尺度的現象而被提出的，但被放大的弦卻可能橫貫長空。

 

引用：http://www.skylook.org/info/info-tw/info_2153_3.html