許多物理學家認為弦理論是我們將量子物理學和引力結合成萬物統一理論的最大希望。然而,一個相反的觀點是,這個概念實際上是偽科學,因為它似乎幾乎不可能通過實驗來驗證。現在一些科學家說,我們可能有一種方法可以驗證弦理論,這要感謝一種新的推測,它將弦理論與宇宙膨脹對立起來。
歸結起來就是這個問題:宇宙是向我們展示了它所有的量子秘密,還是以某種方式向我們隱藏了一些細節?因為如果能看到細節,弦理論可能無法解釋它們。
一種排除這種想法的方法是,如果我們能證明它並不能預測宇宙的本質特徵。結果證明,弦理論有一個長期存在的問題,那就是如何描述宇宙大爆炸後最早期最普遍的現象:膨脹。
石溪大學的物理學家洛弗德說:「對於我們的宇宙為什麼是現在這個樣子以及它的結構從何而來,膨脹是最令人信服的解釋。」從某種意義上說,膨脹解釋了我們如何從無到有獲得宇宙中的一切。該理論認為,早期宇宙經歷了一個極度膨脹的階段。這個過程放大了量子真空中的隨機光點,並將它們轉化為星系和我們周圍的其他東西。
不過,理論家們很難證明,在弦理論中,膨脹是如何起作用的,或者是否起作用。最有希望實現這一目標的途徑並不能說服所有人。「這取決於你問誰,」麥吉爾大學的宇宙學家說。「在弦理論中,許多人心中一直有一個揮之不去的疑問:它真的有用嗎?」
在2018年,一群弦理論學家得到了一系列具有啟發性的結果,他們認為這種困難反映了一種不可能性——即在理論中可能不會發生膨脹。這個所謂的德西特沼澤猜想聲稱,任何能夠描述德西特空間(一個術語,指我們預期會發生膨脹的那種宇宙)的概念的版本,都會有某種技術缺陷,使其成為被否決的理論的「沼澤」。
沒有人能夠證明沼澤地猜想,一些弦理論學家仍然期望這個理論的最終形式不會有膨脹的問題。但許多人認為,儘管這個猜想可能無法站住腳,但接近它的東西會站住腳。
任何對膨脹的限制都會增加用實際數據檢驗弦理論的可能性,但是一個明確的檢驗需要對這個猜想的證明。根據沼澤猜想的作者之一、哈佛大學的物理學家卡朗·瓦法的說法,如果研究人員能夠將其與可信的物理定律聯繫起來,他們就可以開始為這個想法建立一個案例。
建立信心的一種方法可能試圖解釋什麼樣的物理規律會限制宇宙膨脹——或者,用一種更實際的方式來進行探究:弦理論學家怎麼可能希望說服宇宙學家重新考慮一個被偏愛的理論呢?
這些問題促使瓦法和他在哈佛大學的合作者阿列克去尋找一個基於物理學的理由來證明沼澤地猜想是正確的。他們在一個令人驚訝的地方發現了一個候選理論。事實證明,膨脹已經有了一個尚未解決的問題,需要尋找一個解決方案:當膨脹發生並放大真空的靜態狀態時,最微小的量子細節會發生什麼,理論家們尚未達成一致。
物理學家們缺乏一種可行的理論來描述普朗克長度以下的世界。普朗克長度是一種極其微小的距離,在這裡,他們預計引力的量子一面會出現。宇宙膨脹的支持者通常認為,他們總有一天會研究出那些「反普朗克」的細節,而且他們不會對任何預測產生大的影響。但這一步將如何實現仍是一個懸而未決的問題。
瓦法給出了一個簡單的答案:他們的新普朗克審查猜想斷言,儘管有膨脹的放大效應,極其微小的量子模糊性應該始終保持極其微小和量子性。如果這個想法是正確的,它意味著對可能發生的膨脹的數量的限制,因為過多的膨脹意味著對反普朗克細節的過度放大。
因此,在弦理論的一個新轉折中,研究人員實際上可以仰望天空尋找一些答案。對於實際的膨脹過程存在著幾種不同的模型,天體物理學家們還沒有數據來證實其中的任何一個,或者作為一個整體的基本思想,是對我們宇宙的正確描述。研究人員已經開始研究這個新猜想對多種形式的宇宙膨脹的限制。有些已經有了一種內置的方法來隱藏跨普朗克的細節,但是許多典型的模型都與推測相衝突。
一個明顯的矛盾來自「原始」引力波。這些波,理論家們預計在大爆炸階段出現,將在宇宙微波背景中留下一個微弱但清晰的信號。到目前為止,它們還沒有被觀測到,但是望遠鏡正在積極地尋找它們。審查猜想只會允許一個「可笑的、不可觀測的小」的量,如此之小以至於這些波的任何跡象都意味著這個猜想不適用於我們的宇宙,除非理論家們能對它們提出一個不同的解釋。
這個猜想真的是對弦理論的檢驗嗎?不,根據Vafa的說法,現在這樣說還為時過早。這些原則目前還只是猜測。人們越是把這些原則聯繫在一起——令人驚訝的、意想不到的關係——就越容易相信為什麼它是正確的。」