我們可觀測的宇宙或許僅是更高維度內(nèi)的一個泡沫

北京時間2月22日消息，據(jù)國外媒體報道，就像海浪最高點的泡沫一樣，我們可觀測的宇宙或許僅僅是一個不斷向更高維度擴(kuò)張的泡沫內(nèi)部的一塊小碎片而已。

這個令人費解的設(shè)想聽上去像是物理學(xué)家的臆想，但它其實是科學(xué)家們最新的研究目標(biāo)之一：研究人員正試圖將弦理論的數(shù)學(xué)原理與暗能量進(jìn)行調(diào)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(jì)物理學(xué)的兩大支柱——量子力學(xué)與引力進(jìn)行統(tǒng)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(zhì)量和電荷等性質(zhì)。該理論從數(shù)學(xué)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(lǐng)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(xí)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征。

研究人員在本世紀(jì)初意識到，根據(jù)弦理論，宇宙的數(shù)量可達(dá)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(jù)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(xué)家于上世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)，是目前宇宙加速擴(kuò)張的原因所在。

2018年，研究人員對弦理論發(fā)起了重重一擊，提出在弦理論描述的無數(shù)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(xué)理論物理學(xué)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(shù)學(xué)問題，這一點已經(jīng)越來越清楚。”

丹尼爾森稱基本問題在于，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(yīng)當(dāng)會快速衰變并消失。但他表示：“我們想化這一問題為優(yōu)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(dǎo)致這些含有暗能量的宇宙發(fā)生衰變的過程反而可以使其它維度產(chǎn)生的泡沫加速擴(kuò)張。我們就生活在這些不斷擴(kuò)張的泡沫之一的邊界之內(nèi)，“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(yīng)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(kuò)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(xué)家對早期宇宙和黑洞展開結(jié)果可觀測的預(yù)測。

但其他研究人員對此并不買賬。“這只是紙上談兵，根本沒有實驗證據(jù)可以提供支持。”德國法蘭克福高級研究所物理學(xué)家薩比娜•霍森菲爾德(Sabine Hossenfelder)指出。

霍森菲爾德對基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域的大多數(shù)最新權(quán)威意見都持批判態(tài)度，并于去年出版了一部名叫《迷失在數(shù)學(xué)中：美如何將物理學(xué)引入歧途》(Lost in Math： How Beauty Leads Physics Astray)的新書。她提出：“弦理論學(xué)家提出了看似無數(shù)個數(shù)學(xué)模型，但就我們所知，這些模型與實際觀測結(jié)果沒有任何關(guān)系。”

但丹尼爾森并不認(rèn)為我們永遠(yuǎn)無法檢驗弦理論的正確性，并認(rèn)為目前圍繞弦理論展開的討論已經(jīng)對弦理論下了戰(zhàn)書。“假如弦理論確實無法產(chǎn)生我們觀察到的那種暗能量，那么弦理論就不僅得到了檢驗，還會被證偽。”