宇宙的最終命運,是進入5維時空?
2019年08月05日08:45
繪圖:Karan Singh
繪圖:Karan Singh

  根據現有的宇宙學模型,宇宙要麼永遠存在,要麼將走向支離破碎。但一些科學家卻暗示了一種更加奇怪的宇宙命運。這篇文章,講述了物理學家對宇宙結局的探索之路。

  由於宇宙的持續膨脹,曾經相鄰的星系團將高速分離,速度快到連光都無法填補這個缺口。恒星將燃燒殆盡,宇宙陷入無盡的黑暗……這個“大凍結”(The Big Freeze)理論,描述了當今最為流行的宇宙結局模型。

  大凍結理論是宇宙學標準模型的直接結果。這個理論認為,宇宙加速膨脹的推動力——暗能量,將保持不變。這種加速背後的神秘驅動力被稱為暗能量,將永遠具有不變的力。

  大凍結並不是宇宙結局的唯一猜想。大擠壓(The Big Crunch)理論認為,暗能量非但不會永保不變,反而可能隨著時間的推移而減少,宇宙最終會自我坍縮,壓縮成一個奇點,就像大爆炸之前一樣。而大撕裂(The Big Rip)理論則認為,暗能量的力量在未來會增加,導致膨脹率繼續增加,直到達到光速。最終,所有的物體,包括恒星和星系都會被撕裂成基本粒子。

  大凍結,大擠壓還是大撕裂?或者三者都不是?對宇宙未來的第四種預測更加令人震驚。它暗示了一個更為奇怪的情形:宇宙可能不會完全終結,而是演化成一種我們目前無法描述的狀態。

  暗能量是現代宇宙學中最重要的發現。上世紀90年代末,天文學家發現,宇宙的膨脹非但沒有隨著宇宙年齡的增加而放緩,反而在加速。是什麼力量推動著宇宙不斷地加速膨脹呢?人們本能地認為是時空自身的真空能推動的。真空中的粒子會在瞬間產生和消失,瞬間消失的粒子可能會產生能量將空間推開。

暗能量的不同模型會演化出不同的結果。(圖片來源:NASA/CXC/M.WEISS)
暗能量的不同模型會演化出不同的結果。(圖片來源:NASA/CXC/M.WEISS)

  真空能(Vacuum energy)是一種存在於空間中的背景能量,即使在沒有物質的空間中依然存在。但是當用量子物理的原理計算真空能時,它的數值變得非常大。英國愛丁堡大學的觀測宇宙學家Catherine Heymans說:“真空能會讓宇宙在誕生後迅速膨脹,甚至連第一批恒星和星系都不會形成。”為了避免這個問題,物理學家們設想出一個量子過程將真空能抵消。Heymans說:“在理論物理學中,將某物歸零相對容易。”

  但是暗能量,或者延伸到真空能量的層面,並不為零。大多數觀測指出,宇宙中特定時空體積的真空能量,也就是暗能量密度,隨著時間是恒定的。這個數被稱作宇宙學常數,用來表示暗能量的強度。但是,要解釋其接近零但為正的數值是極其困難的。

  於是,另一種試圖描述宇宙本質的理論——弦論誕生了。

  棘手的問題

  上世紀90年代,弦理論已經成為“萬有理論”的主要候選者。弦論的一個基本觀點是,自然界的基本單元不是點狀粒子,而是非常細微的線狀的“弦”,這些弦在9+1維時空裡振動。為了符合我們能觀察到的4維時空,額外的空間維度必須被“壓縮”,緊致到無法被探測到。每一種緊致方法都會導致一個不同的宇宙。弦理論最大的挑戰,就是找到描述我們特定時空的唯一解。

  這項工作遇到了問題。德西特宇宙(De Sitter space-time)認為,我們生活在在一個由略大於零的宇宙學常數描述的宇宙中,所以怎樣用最簡單的方法壓縮額外的維度是弦理論學家需要努力解決的問題。

  2003年,Shamit Kachru、Renata Kallosh、Andrei Linde和Sandip Trivedi(簡稱KKLT)提出了一種通過用弦理論構建我們的時空的複雜方法。他們的工作被譽為理論的勝利,但卻付出了巨大的代價。

  弦論在高能環境中生效,例如宇宙大爆炸之後。所以,為了能使該理論描述當今能量較低的時空,弦理論必須尋找自己的有效場論。使用KKLT結構得到的確切時空取決於額外維度是如何壓縮的。2005年,弦論學家證明這至少可以用10500種方法來實現,每一種都給了我們一個可行的德西特時空。其結果是一個潛在宇宙的廣闊景觀,一個多重宇宙,其中所有可以想像的時空都能存在。在這個理論空間中,真空能的取值形成了一個複雜的“地形圖”,被理論家稱之為弦景觀(String Landscape)。雖然KKLT提出了一種建立描述德西特時空的有效場論的方法,但它不能為我們的宇宙提供一個精確的理論。

  進入沼澤地

  這讓哈佛大學的弦論學家Cumrun Vafa感到困擾,他對KKLT構造的模型並不滿意。除了沒有產生預期的結果,他還認為KKLT的提議在數學上過於複雜,難以驗證。

  Vafa開始從另一個角度看待這個問題:是否所有可能的有效場理論都能從弦論中產生,或者弦理論能否排除某些有效場論,從而排除掉某些類型的宇宙。他意識到,並非所有的有效理論都可以從弦論中導出。一旦引入引力,一些看似合理的理論就不能準確地描述我們的宇宙——這是一個常見的錯誤。Vafa將其命名為沼澤地,表示滿是站不住腳的想法。

  最近二十年來,弦論學家們一直未能構建出任何德西特時空的簡單模型。在他的德西特猜想中,所有有效場理論都屬於沼澤地。德西特宇宙不可能是弦理論方程的解。

  對於Linde來說,德西特宇宙只是個未經證實的解釋,他一直支援KKLT結構,即一個具有宇宙學常數的宇宙可以用弦理論來描述。“這是一個複雜的故事,”他說,“一個人不應該基於未經證實的論據,突然放棄以前的成果。”

  德西特的猜想“可能對,也可能不對”,Vafa表示,“當我們進一步研究它時,我們就會發現,如果被證明是正確的,它將對宇宙學的標準模型產生重大影響。”根據Vafa等人的研究,其中最重要的一點是,暗能量密度不是一個近似常數,而是隨著時間的推移而緩慢減小。

  如果這個結論成立,它將對宇宙的命運產生深遠的影響。在未來數百億年內,暗能量可能會趨於零,甚至變為負值。然後,也許宇宙會以大坍縮而告終,而不是永遠膨脹下去。

  這種改變暗能量的形式被稱為精質(quintessence)。精質是一種對於暗能量的假設形式,被提出來解釋對於宇宙加速膨脹的觀測。這一觀點在宇宙學常數走向主流之前非常流行。

  Linde是最早研究精質的科學家之一,但他對此並不信服。“精質是可能的,但它帶來的問題比它能解決的要多。”他說。過去幾年間,有跡象表明,暗能量密度的變化可能實際上解決了一場令人驚訝的宇宙學衝突。

  這一矛盾產生於測量當今宇宙膨脹速率,即哈勃常數的兩種不同方法。一種方法是通過研究附近星系中的恒星和超新星來直接測量它。另一種方法是研究宇宙微波背景,這是宇宙大爆炸後38萬年發出的第一束光,然後從這些數據推斷出今天的宇宙。兩種方法得到的結果有顯著差異。

  大扭曲——宇宙全新階段

  這種差異可能是實驗誤差造成的,但也可以通過暗能量隨時間的變化來解決,即將其視為一種精質。

  你可能認為遵循Vafa理論的弦論學家會為這個消息感到高興。但他們沒有。Wrase說:“哈勃常數和德西特沼澤猜想方向相反。”德西特猜想要求暗能量密度隨著時間的推移而減小;而只有當暗能量密度增加時,哈勃常數問題才能得到解決。

  至於宇宙的命運,日益增長的暗能量密度表明,大撕裂,而不是大擠壓,正蓄勢以待。約翰·霍普金斯大學的Adam Riess說:“這是一個可怕的版本。”最終,每一處時空都有無盡的暗能量,它的斥力會撕裂一切:星系、行星、分子、原子,最終,還有時空本身。“抵抗暗能量將是徒勞的。”Riess說。

  因此,我們似乎又回到了起點。暗能量正在減少,保持不變或隨著時間的推移而增加,各種觀點相互矛盾,宇宙的命運岌岌可危。這就是Vafa認為,有一種方法可以協調沼澤地猜想和哈勃常數的差異。

  除了暗能量,宇宙中另一個看不見的組成部分是暗物質。人們認為暗物質的引力將星系和星系團聚集在一起。Vafa說,如果暗能量正在減弱,這將對暗物質產生影響。“弦論告訴你應該有一個相互作用。”Vafa發現,這種相互作用會導致暗物質粒子的質量隨著時間的推移而減小。這改變了哈勃常數的外推值,可以縮小誤差。

  這是否意味著宇宙正走向大凍結,而不是大擠壓或大撕裂呢?不完全是。仔細觀察會發現,Vafa的想法會讓其他場景都顯得平淡無奇。這意味著,幾百億年後的宇宙將徹底改變。在弦論中,這通常意味著一個新的維度被打開了。“所以這是一個全新的宇宙,用我們當前宇宙的語言是無法描述的。我們現在生活在三維空間中。在這個新的理論中,它可能含有四個空間維度。”

  任何新出現的空間維度都是弦論的一個額外維度從緊化中跳出的結果。這個大扭曲所產生的宇宙將與我們的完全不同。“一個全新的階段開始了。”Vafa說。因此,雖然宇宙仍將存在,但它將具有什麼性質,以及它的後續軌跡將是什麼,目前還不清楚。

  現在弦論學家通過後續實驗,可能很快就會做出一些預測,哪怕只是些簡單的預測。例如,如果弦論學家能夠證明德西特猜想,就會導致一個預測,即傳統宇宙學所青睞的那種時空不可能存在。但如果實驗發現了無可爭議的證據,來支援宇宙學常數和我們宇宙的德西特真空,“我們可以說弦論是錯誤的”。

  無論發生什麼,宇宙的未來看起來一點也不無聊。

  來源:環球科學

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