1700944206
1700944207
我们这些已经习惯了宇宙演化思想的人，对于人们接受宇宙可能有起点的观点到底有多难，也只能在心里揣度了。不管怎么说，在相当长的一段时间里，并没有宇宙随时间变化或演进的证据，所以爱因斯坦把宇宙膨胀的预言看成他的理论存在缺陷的信号，并开始想办法让它与永恒宇宙的概念相容。
1700944208
1700944209
他发现，他的引力方程还有一种可能性，即真空的能量密度可能不等于零。而且，这个普适的能量密度对所有观察者来说都是一样的，而不管他们什么时候在什么地方进行观察，也不管他们在如何运动。所以他称它为宇宙学常数。他发现，常数的效应依赖于它的符号。当它是正数时，将引起宇宙膨胀——不仅膨胀，而且加速地膨胀。这不同于普通物质的影响，它们总是使宇宙收缩，因为它们总是相互吸引的。于是，爱因斯坦意识到，他可以利用这种新的膨胀趋势来平衡引力产生的收缩，从而达到一个静态而永恒的宇宙。
1700944210
1700944211
爱因斯坦后来说宇宙学常数是他一生最大的失误。实际上，那是一个双重的失误。首先，它没有什么成效，并没有阻止宇宙的收缩。你可以平衡物质引起的收缩与宇宙学常数引起的膨胀，但那只是暂时的。平衡根本就是不稳定的。稍微扰动一下，宇宙就会开始收缩或膨胀。不过真正的失误在于静态宇宙的思想一开始就是错的。10年后，一个叫哈勃（Edwin Hubble）的天文学家开始寻找宇宙膨胀的证据。自20世纪20年代以来，宇宙学常数就成了人们想摆脱的烫手的山芋。可是，随着时间的流逝，它变得越来越难摆脱了，至少在理论上是那样。我们不能只是规定它为零，然后忽略它。它就像角落里的大象，你可以视而不见，但它确实在那儿。
1700944212
1700944213
人们不久就开始认识到量子理论能对宇宙学常数有所解释。遗憾的是，它和我们想听的话正好相反。量子理论，特别是不确定性原理，似乎需要一个巨大的宇宙学常数。如果某个东西是完全静止的，那么它有确定的位置和动量，而这跟不确定性原理相矛盾，因为原理告诉我们，不可能同时知道粒子的这两样东西。结果，即使温度为零，事物也在不停地运动。任何粒子和任何自由度，即使在温度等于零的时候，也都伴随着一定的剩余能量。这叫真空能量或基态能量。当量子力学用于场（如电磁场）时，场振动的每个模式都有真空能量。但场振动的模式很多，所以量子力学预言的真空能量很大。在爱因斯坦广义相对论的背景下，这隐含着巨大的宇宙学常数。我们知道这是错误的，因为那意味着宇宙膨胀很快，从而不可能形成任何结构。星系的存在为宇宙学常数的大小强加了一些限制，那些极限大约比量子力学预言的小120个数量级。这大概是科学理论最拙劣的一个预言了。
1700944214
1700944215
出现大问题了。理智的人会认为我们还需要崭新的思想，在引力与量子理论的偏离得到解释之前，两者的统一是不会有什么进步的。几个最敏锐的人也有同感。其中一个是德国理论物理学家德雷耶（Olaf Dreyer），他猜想，只有当我们抛弃空间是基本的观念，才可能消解量子理论与广义相对论的不相容。他提出，空间本身是从某种迥然不同的更基本的描述中涌现出来的。几个在凝聚态物理学领域做过重要工作的理论家，如诺贝尔奖得主劳克林（Robert Laughlin）和俄罗斯物理学家沃洛维克（Grigori Volowik），也讨论过这个观点。但我们大多数做基础物理学工作的人都不在乎这个问题，而是继续走我们不同的路线，哪怕到头来一事无成。
1700944216
1700944217
直到不久以前，我们还一直有一点安慰：至少宇宙学常数的观测值为零——就是说，没有宇宙加速膨胀的证据。这令人满意，因为我们可以指望找一个新原理来清除方程中的所有令人不安的东西，并使宇宙学常数严格等于零。假如观测值是某个非零的小数，问题就严峻多了，因为要一个新原理将数值减小但不等于零，是更难想象的事情。于是，几十年来，我们都对各路神灵满怀感激，至少我们没有遭遇那个问题。
1700944218
1700944219
宇宙学常数给所有物理学家提出了一个问题，不过弦论的情况似乎更好一点儿。弦论不能解释为什么宇宙学常数等于零，但它至少解释了它为什么不是正数。我们能从弦论得到的仅有的几个结论之一就是宇宙学常数只能为零或负数。我不知道有哪个弦理论家预言过宇宙学常数不能是正数，但一般都认为那就是弦论的一个结论。其中的道理太专业了，不能在这儿评说。
1700944220
1700944221
其实，负宇宙学常数的弦理论早就研究过了。例如，著名的马尔德希纳猜想就涉及一个具有负宇宙学常数的时空。困难还很多，直到今天也没人具体写出弦理论在负宇宙学常数世界里的细节。但人们相信，没写出具体的东西，只是一个技术问题——而不是原则问题。还没有什么理由说它在原则上就应该是不可能的。
1700944222
1700944223
于是你可以想象，当1998年的超新星观测表明宇宙在膨胀加速，意味着宇宙学常数必须是正数的时候，人们是多么惊奇。这是真正的危机，因为弦理论的预言与观测之间显然出现了矛盾。实际上，有定理表明，具有正宇宙学常数的宇宙——至少在忽略量子效应时——不可能是弦理论的解。
1700944224
1700944225
威藤不是悲观主义者，但他在2001年还是坦率承认“我不知道有什么好办法能从弦理论或M理论得到德西特空间[具有正宇宙学常数的宇宙]。”62
1700944226
1700944227
科学哲学家和科学史家，如拉卡托斯（Imre Lakatos）、费耶阿本德（Paul Feyerabend）和库恩，曾经指出，一个实验反常不足以否定一个理论。如果一个理论深得众多专家的信任，他们会用更极端的方式来挽救它。这对科学来说并非总是坏事，甚至还可能是好事。有时，理论的捍卫者会成功，而他们的成功往往伴随着意外的重大发现。但有时他们也会失败，大量的时间和精力都在科学家们的一步步努力中浪费了。最近几年发生的弦论的故事，应验了拉卡托斯和费耶阿本德的观点，因为它表现的是一大群专家在尽力挽救一个他们珍爱的然而却面对着矛盾数据的理论。
1700944228
1700944229
如果说弦论真的得救了，那么拯救它的是一个完全不同的问题的解：如何使高维稳定？回想一下，在高维理论中，额外维的卷曲产生了很多解。那些能再现我们观察的世界的解是很特殊的，其高维空间几何的某些方面必须冻结起来。否则，一旦几何开始演化，就可能一直继续下去，要么生成奇点，要么迅速膨胀，张开卷曲的维，使我们能看到它们。
1700944230
1700944231
弦理论家称它为模的稳定性问题。“模”是刻画额外维性质的常数的一般名字。这是弦理论必须解决的问题，但长期以来还不清楚应该怎么做。和其他情形一样，悲观者很忧虑，而乐观者相信我们迟早会找到答案的。
1700944232
1700944233
这回是乐观者说对了。进步从90年代开始，加州的几个理论家认识到问题的关键在于用膜来稳定高维。为明白这一点，我们必须认识问题的一个特征，即高维几何在为弦理论提供良好背景的同时可以连续变化。换句话说，你可以改变高维的形状或体积，并通过这种方式经历不同的弦理论空间。这意味着没有什么能阻止额外维的几何随时间演化。为避免这种演化，我们必须找一族弦理论，而不可能连续游移其间。为实现这一点，我们需要寻求那样的弦理论，其每一步变化都是离散的——就是说，你不能连续地从一个理论走到另一个，而只能突然地大踏步跳越。
1700944234
1700944235
波尔琴斯基告诉我们，弦论中确实有离散的东西：膜。回想一下，存在那样的弦背景，其中膜是缠绕在额外维曲面上的。膜以离散的形式出现。你可以有1，2，17或2040197个膜，却不能有1.003个膜。因为膜携带电荷与磁荷，这就生成电磁流的离散单位。
1700944236
1700944237
于是，90年代末，波尔琴斯基和一个叫波索（Raphael Bous-so）的博士后一起，开始研究额外维环绕着大量电流的弦理论。他们得到一个理论，其中的一些参数不再连续变化了。
1700944238
1700944239
但你能以这种方式冻结所有的常数吗？这需要很多复杂的构造，但结果有一个额外的好处。它达成了具有正宇宙学常数的弦理论。
1700944240
1700944241
关键的突破发生在2003年，主人翁是一群来自斯坦福的科学家，包括卡洛什（Renata Kallosh，超引力和弦理论的先驱之一）、林德（Andrei Linde，宇宙暴胀的发现者之一）和两个优秀的年轻理论家卡齐鲁（Shamit Kachru）和特里维迪（SandipTrivedi）。63即使从弦论的标准看，他们的工作也太复杂了；他们的斯坦福同事苏斯金说它是“用疱丁杀鸡的技艺”。但它的影响很大，因为它不但稳定了额外维，还协调了弦理论与暗能量的观测结果。
1700944242
1700944243
斯坦福小组的工作可以简单说明一下。他们的出发点是一种经过了认真研究的弦理论——在每一点带有6维小几何的平直的四维时空。他们选择的6维卷曲的几何是卡丘空间（见第八章）。我们已经看到，至少有十万个那样的空间，而我们只需要选一个其几何依赖于很多常数的典型代表。
1700944244
1700944245
接着，他们让大量电磁流（通量）卷曲在每一点的6维空间周围。因为只能卷曲离散单位的电磁流，这就可能能清除不稳定性。为了进一步稳定这种几何，还必须借助某些量子效应，虽然我们不知道它们如何直接从弦理论产生，但在超对称规范理论中对它们已经有了一定的认识，因此它们有可能起一定的作用。将这些效应与流和膜的效应结合起来，就能得到所有模都稳定的几何。
1700944246
1700944247
通过这一点，也可能在四维时空出现负的宇宙学常数。原来，我们希望的宇宙学常数越小，需要卷曲的流就越多，所以我们卷曲大量的流得到的宇宙学常数虽然小然而却是负的。（前面说过，我们还不清楚如何在这样的背景下具体写出弦理论，但也没有理由相信它不存在。）但问题的关键在于得到正宇宙学常数，以满足宇宙膨胀速率的新观测结果。于是，下一步就是以不同方式卷曲其他的膜，这样可以增大宇宙学常数的值。正如有反粒子，也有反膜，而斯坦福小组在这儿就用了反膜。通过卷曲反膜，可以增加能量，从而使宇宙学常数成为小的正数。同时也抑制了弦理论相互游移的趋势，因为任何改变都必须是离散的跳越。这样，一举解决了两个问题：清除了不稳定性，宇宙学常数成了正的小数。
1700944248
1700944249
斯坦福小组本可以将弦理论从宇宙学常数引发的危机中解救出来，至少暂时可以，但他们的方法产生的结果太奇怪，也太出人意料，反倒使弦论的阵营四分五裂。在此之前，弦理论家们是步调一致的。20世纪90年代参加弦理论会议就像80年代初去中国，几乎每一个和你谈话的人都抱有同样的观点。不管是好还是坏，斯坦福小组破坏了团结。
1700944250
1700944251
记住，我们现在讨论的特殊的弦理论，是从紧化空间周围的卷曲流产生的。为了得到小的宇宙学常数，必须卷曲很多流。但流的卷曲方式不止一种；实际上有很多种。那么到底有多少呢？
1700944252
1700944253
回答这个问题之前，我必须强调，我们并不知道通过卷曲在隐藏维周围的流所生成的理论中，是否有哪个能给出优美而和谐的量子弦理论。用我们现有的方法很难回答这个问题。所以，我们要做的事情是求助检验，它能说明一个好的弦理论的必要但不充分的条件。我们的检验要求弦理论（如果存在的话）具有相互作用很弱的弦。这意味着如果能在这些弦理论中进行计算，那么结果应该非常接近我们所能进行的近似计算的预言。
1700944254
1700944255
我们能回答的问题是，这样有着在6个隐藏维周围的卷曲流的弦理论中，有多少通过了考验？答案依赖于我们想要多大的宇宙学常数。如果我们想一个负的或零的宇宙学常数，那么就有无限多个不同的理论。如果我们希望理论有一个正的宇宙学常数以满足观测结果，那么理论的数量就是有限的；目前证据表明大概有10500个。
[
上一页 ]
[ :1.700944206e+09 ]
[
下一页 ]