撰文尼亞耶什·阿弗肖迪（加拿大滑鐵盧大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)系的助理教授）
羅伯特·B·曼（滑鐵盧大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)系的教授及前系主任，曾擔(dān)任加拿大物理學(xué)家協(xié)會(huì)主席）
拉茲·帕哈桑（圓周理論物理研究所和滑鐵盧大學(xué)的博士生）
翻譯易疏序（中科院高能物理研究所粒子天體物理專業(yè)博士生，研究方向?yàn)橹凶有怯?jì)時(shí)探測引力波）
古希臘哲學(xué)家柏拉圖在他的作品《洞穴寓言》（Allegory of the Cave）中，描述了這樣一群囚徒：他們終生居住在一個(gè)黑暗洞穴中，脖子和腳被鎖住，無法環(huán)顧四周，只能面向洞穴巖壁。在囚徒身后，有一堆篝火。在篝火與囚徒之間，有著形形色色的物體，火光將那些物體的影子投射到囚徒眼前的巖壁上。這些二維影子就是囚徒們所能看到的全部，他們認(rèn)為這就是現(xiàn)實(shí)世界。但真實(shí)情況是，世界要比他們認(rèn)為的二維世界多出一個(gè)維度，鎖鏈讓他們無法回頭看到這個(gè)真實(shí)的世界。這個(gè)不為囚徒所知的額外維度，精彩而復(fù)雜，可以解釋他們在巖壁上看到的一切。
柏拉圖的這一寓言，可能說出了我們的真實(shí)處境。
我們也許正生活在一個(gè)巨大的宇宙洞穴中，這個(gè)洞穴在萬物之初就出現(xiàn)了。按照標(biāo)準(zhǔn)說法，宇宙是由一個(gè)密度無限大的點(diǎn)經(jīng)過大爆炸而產(chǎn)生的。但通過最近開展的一些計(jì)算工作，我們可能會(huì)將宇宙的誕生追溯到大爆炸之前的紀(jì)元里，那時(shí)的空間要比現(xiàn)在的宇宙空間多出一個(gè)維度。即將開展的一些天文觀測，可能會(huì)找到這個(gè)“原初宇宙”（ protouniverse）留下的一些蛛絲馬跡。
以往的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，宇宙有3個(gè)空間維度和1個(gè)時(shí)間維度，我們將這種幾何結(jié)構(gòu)定義為“三維空間宇宙”。但在我們的新宇宙模型里，這個(gè)三維宇宙不過是一個(gè)四維宇宙的投影。明確來說，我們整個(gè)宇宙誕生于高維宇宙中的一次恒星塌縮。這次塌縮在四維宇宙中產(chǎn)生了一個(gè)四維黑洞；黑洞的三維表面，就是我們生活的宇宙。
我們干嘛要提出這樣一個(gè)聽起來很荒誕的理論？這有兩個(gè)理由。第一，我們的理論并非異想天開，它有堅(jiān)固的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，從而可以正確描述時(shí)空。
過去幾十年，物理學(xué)家發(fā)展出了完善的全息理論（theory of holography）。他們有一套數(shù)學(xué)工具，可以將某個(gè)維度上的物理過程，轉(zhuǎn)而在另一個(gè)維度上描述。舉例來說，二維空間中的流體動(dòng)力學(xué)方程相對簡單，研究人員就可以解出方程，并利用這些二維解來理解一些更復(fù)雜的系統(tǒng)，比如三維黑洞的動(dòng)力學(xué)過程。在數(shù)學(xué)上來說，這兩種描述是相通的——人們可以用流體來完美類比難以捉摸的黑洞。
全息理論的成功使很多科學(xué)家相信，它可能是一個(gè)深層次、根本性的理論，而不僅僅是一個(gè)數(shù)學(xué)變換那么簡單?；蛟S，不同維度之間的界限，并不像我們想象得那么難以逾越；或許，宇宙基本原理是存在于另一個(gè)維度中的，然后被轉(zhuǎn)換到我們看到的這個(gè)三維世界中；或許，就像柏拉圖寓言中的囚徒，日常經(jīng)驗(yàn)欺騙了我們，讓我們誤以為世界是三維的，只有當(dāng)我們把目光投向第四個(gè)維度時(shí)，一切才會(huì)豁然開朗。
四維宇宙假說值得關(guān)注的另一個(gè)原因是，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)匮芯克木S宇宙，或許可以幫助我們了解宇宙的本質(zhì)，回答宇宙起源之謎，比如創(chuàng)世的閃光——大爆炸之謎?，F(xiàn)代宇宙學(xué)認(rèn)為，在大爆炸之后，宇宙緊接著進(jìn)入了空間極速膨脹的時(shí)期——暴脹（inflation），在此期間早期宇宙的體積增加了1078倍以上。不過，暴脹學(xué)說仍沒能回答，是什么導(dǎo)致了大爆炸。相比之下，四維宇宙模型回答了這個(gè)終極謎題：宇宙究竟從何而來？
已知與未知的宇宙
我們研究四維宇宙正是為了解決三維宇宙中存在的問題?，F(xiàn)代宇宙學(xué)已經(jīng)取得了巨大的成功，但成功的光環(huán)下，卻隱藏著深刻而復(fù)雜的謎團(tuán)。對這些謎團(tuán)的求索，讓研究人員想到了全息理論。
宇宙學(xué)家用幾個(gè)簡單的方程（其中最重要的幾個(gè)是愛因斯坦寫出來的）和5個(gè)獨(dú)立參數(shù)，就能描述整個(gè)宇宙的歷史——從今天一路回溯到大爆炸后的一剎那。這5個(gè)獨(dú)立參數(shù)為：普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量各自的相對能量密度（我們會(huì)在后面的內(nèi)容中詳細(xì)說明），以及早期宇宙量子漲落的幅度和功率譜。他們用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的宇宙學(xué)模型——Λ 冷暗物質(zhì)（lambda Cold Dark Matter，Λ-CDM）模型，描述了數(shù)百個(gè)甚至可能是數(shù)千個(gè)觀測數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)覆蓋的空間尺度從百萬光年到百億光年，到達(dá)了可見宇宙的邊緣位置。不過，觀測上的成功并不代表我們對宇宙的研究大功告成了。研究人員推測的這一宇宙演化版本，仍然有很多令人感到棘手的漏洞。我們遇到了有關(guān)宇宙本質(zhì)的最根本問題，而且到目前為止，我們?nèi)詿o法對這些問題做出解答。
問題1：我們并不理解這5個(gè)參數(shù)
讓我們來想想宇宙中物質(zhì)和能量的密度吧。哪怕只是數(shù)十年以前，天文學(xué)家都還相信，普通物質(zhì)（元素周期表里的那些物質(zhì)）是宇宙質(zhì)量能量的主要形式。后來的宇宙學(xué)觀測徹底顛覆了這個(gè)觀念（這也帶來了3個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)）。我們現(xiàn)在知道，在宇宙全部能量密度中，普通物質(zhì)只占5%，暗物質(zhì)則占到了25%。暗物質(zhì)是一種未知的物質(zhì)形式，科學(xué)家通過引力作用推測出了它們的存在。宇宙中剩下的70%是暗能量，普通物質(zhì)的引力作用理應(yīng)讓宇宙的膨脹減慢，而暗能量這種神秘的東西卻加速了宇宙的膨脹。暗物質(zhì)和暗能量是什么？它們?yōu)楹文苷紦?jù)25%和70%的宇宙成分？這些問題我們不得而知。
如果我們能更好地理解大爆炸，也許就能知道這些問題的答案了。在一團(tuán)由光和粒子組成的、溫度高達(dá)1027℃的等離子體中，時(shí)間和空間突然創(chuàng)生。很難想象，在那樣一種極端情況下創(chuàng)生的宇宙，居然會(huì)演化成我們今天所看到的這種情形——溫度幾乎處處相同，在大尺度上具有平直的空間曲率（在這樣的空間曲率下，三角形的內(nèi)角和是180°）。
暴脹可能是讓我們理解宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的最好假說了。暴脹能“拉直”宇宙，抹平時(shí)空的彎曲部分，讓宇宙的溫度變得均勻。就像宇宙放大鏡一樣，暴脹也把宇宙初期微小的能量密度量子漲落放大到宇宙學(xué)尺度。這些漲落最終變成大尺度結(jié)構(gòu)的種子，也就是星系、恒星、行星和包括我們在內(nèi)的生命的種子。
暴脹學(xué)說是一個(gè)被廣泛接受的成功理論（見“大爆炸之前”）。數(shù)十年來，宇宙學(xué)家通過觀測宇宙微波背景輻射（cosmic microwave background，CMB）來檢驗(yàn)暴脹學(xué)說的各種預(yù)言。CMB記錄了早期宇宙的密度擾動(dòng)情況。歐洲空間局（European Space Agency）的普朗克衛(wèi)星最近的觀測結(jié)果，證實(shí)了我們的宇宙是平直（或者非常接近平直）而且均勻的（各向異性不超過六萬分之一）——這兩點(diǎn)都是暴脹學(xué)說的重要預(yù)言。此外，人們認(rèn)為原初物質(zhì)漲落是暴脹將量子漲落放大得來的，衛(wèi)星觀測到的原初物質(zhì)的漲落功率譜和幅度，與理論預(yù)期符合得非常好。
問題二：我們并沒有真正理解暴脹
我們可能會(huì)問：是什么驅(qū)動(dòng)了暴脹的發(fā)生？如何提供這么大的能量？在我們的想象中，在大爆炸結(jié)束后極短的時(shí)間內(nèi)，宇宙充滿了能量，這些能量以一種假想粒子的形式存在，即“暴脹子”（inflaton）。最近，科學(xué)家在歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）上發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子（Higgs particle），與“暴脹子”這一假想粒子有很多相似的性質(zhì)，可能是“暴脹子”的候選者之一?！氨┟涀印辈粌H能解釋宇宙早期的加速膨脹，也能解釋如今的宇宙結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵谠缙谟钪嬷校?“暴脹子”場能量的微小量子漲落，是唯一能導(dǎo)致顯著的能量密度差異的機(jī)制。
不過，“暴脹子”并不能解決我們的問題，它只是把問題又向前推進(jìn)了一步。我們不知道“暴脹子”的性質(zhì)，不知道它從何而來以及如何找到它，我們甚至不確定它是否真的存在。
此外，物理學(xué)家不知道暴脹是如何自然地停止的——這就是所謂的“優(yōu)雅退場疑難”（graceful exit problem）。如果一種能量場驅(qū)動(dòng)了宇宙以指數(shù)級膨脹，那么，是什么讓這個(gè)能量場突然“關(guān)閉”？同時(shí)，在Λ-CDM模型中的5個(gè)宇宙學(xué)參數(shù)，其中一些參數(shù)必須被精確地調(diào)整到當(dāng)前數(shù)值，否則我們觀測到的宇宙會(huì)面目全非，但對于這5個(gè)參數(shù)的起源，我們也沒有一個(gè)令人信服的解釋。并且，對于暴脹發(fā)生之前的宇宙——宇宙誕生的最初萬億億億億分之一秒（10-36秒）內(nèi)，我們也沒有一個(gè)確定的描述。
問題三：我們不理解大爆炸是如何開始的
宇宙學(xué)領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)是，如何理解大爆炸本身的性質(zhì)：在一個(gè)密度無窮大的點(diǎn)——奇點(diǎn)（singularity），一切時(shí)間、空間、物質(zhì)突然劇烈地噴薄而出。奇點(diǎn)是一個(gè)令人難以理解的“怪物”，時(shí)間和空間蜷曲于其中，在那里根本無法分辨過去和未來，一切物理定律也都失效。奇點(diǎn)是一個(gè)沒有秩序、沒有規(guī)則的宇宙。從奇點(diǎn)中跳出任何東西，在邏輯上都是成立的。但從奇點(diǎn)中跳出來一個(gè)像我們看到的宇宙一樣有秩序的宇宙，是不太可能發(fā)生的。
我們能夠想象的情形是，從奇點(diǎn)中有可能跳出一個(gè)高度混亂的宇宙，那個(gè)宇宙的特點(diǎn)是，溫度有劇烈的空間漲落，也就是說，在宇宙空間中，不同點(diǎn)的溫度有著巨大的差異。而且，那個(gè)宇宙里的暴脹可能不能將這些漲落抹平。事實(shí)上，如果溫度的漲落太大的話，暴脹可能都沒有機(jī)會(huì)發(fā)生。因此，奇點(diǎn)的問題不能全靠暴脹來解決。
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