謹以此文紀念 Joseph Polchinski 教授（1954.5.16-2018.2.2）
撰文?拉斐爾·布索（Raphael Bousso）?
約瑟夫·波爾金斯基（Joseph Polchinski） ?
翻譯?何頌
根據(jù)愛因斯坦在 1915 年提出的廣義相對論，引力源于時間和空間（二者合并為四維的時空）的幾何結構；任何有質量（或能量）的物體都會使時空彎曲。比如，在地球質量作用下，蘋果樹頂端的蘋果的時間，要比在樹下工作的物理學家的時間流逝得更快一些。蘋果從樹上落地，其實只是對時空彎曲的反應。這種時空彎曲使地球在軌道上繞著太陽轉動，也使遙遠的星系進一步離我們遠去。這一驚人而美妙的想法已經被很多精確的實驗證實。
用時空幾何的彎曲來取代引力相互作用的理論取得了巨大的成功，科學家自然地想到，能否找到一種幾何化的理論來解釋自然界其他基本相互作用，乃至基本粒子的種類？對這個問題的追尋耗盡了愛因斯坦的后半生，而特別吸引他的是德國科學家西奧多·卡盧察（Theodor Kaluza）和瑞士科學家奧斯卡·克萊因（Oskar Klein）的工作?；谝Ψ从沉怂木S時空的幾何結構這個想法，他們進一步提出，電磁相互作用其實來自于一個額外的空間維度（即第五維）的幾何結構，而這一維度因為太小目前無法被任何實驗直接探測到。愛因斯坦對這個統(tǒng)一理論的追求以失敗告終，因為當時的條件還不成熟。要想統(tǒng)一基本相互作用，首先要理解核力以及量子場論在基礎物理中的關鍵作用，而物理學家直到 20 世紀 70 年代才弄明白這些。
時至今日，對統(tǒng)一理論的追尋已經成了理論物理的核心問題之一。而正如愛因斯坦預計的那樣，幾何概念在其中扮演了重要的角色。在弦論這個最有希望統(tǒng)一量子力學、相對論和粒子物理的理論框架中，卡盧察和克萊因的想法重新受到重視和推廣，并成為弦理論的基本特征之一。在弦理論以及 Kaluza-Klein 猜想中，我們看到的物理定律是由這些額外的微觀空間維度的形狀和大小決定的。但又是什么決定了它們的形狀呢？最近幾年，理論和實驗的一些進展提供了一個驚人而又充滿爭議的回答。如果正確，這一回答將極大地改變我們對宇宙的理解。
Kaluza-Klein 理論和弦
在 20 世紀早期，卡盧察和克萊因提出第五維度的概念時，物理學家只知道自然界兩種基本的力：電磁力和引力。這兩種力都與相互作用距離的平方成反比，所以科學家自然地猜想，它們之間是不是有某種聯(lián)系?？ūR察和克萊因注意到，如果存在一個額外的空間維度（從而使時空成為五維），愛因斯坦把引力幾何化的理論或許可以把它們聯(lián)系起來。
圖片來源：http://www.diffusion.ens.fr/vip/tableJ02.html
這樣一個額外維的想法并沒有看上去那么瘋狂。因為如果額外空間維度蜷曲成一個足夠小的圈，那么我們最好的“顯微鏡”——能量最高的粒子加速器也無法看到它。不僅如此，從廣義相對論中我們已經知道，空間并不是絕對的，而是會扭曲和演化的。比如我們今天可以看到的三個空間維度一直在膨脹，在遙遠的過去它們的尺度都很小，所以如果還有額外的維度沒有膨脹，從而到今天都保持微觀的尺度，似乎也可以理解。
盡管我們無法直接觀測到額外維，它仍然可能有重要的、非直接的效應可以被我們觀測到。如果有一個額外維，廣義相對論可以直接描述整個五維時空的幾何結構，這一結構可以分為三部分：大尺度四維時空的形狀、小尺度額外維和四維時空之間的角度，以及額外維蜷曲的周長。四維時空由通常的四維廣義相對論描述；其中每一點上，額外維的角度和周長都有特定取值，就像是兩個在時空中每一點都有取值的場。令人驚訝的是，角度場模擬了四維時空中的電磁場，即該角度場滿足的方程和電磁場滿足的（麥克斯韋）方程組完全相同。另一方面，周長場決定了電磁力和引力之間的相對強度。因此，從五維引力理論出發(fā)，我們得到了四維時空中的引力和電磁力理論。
存在額外維度的可能性，在追求廣義相對論和量子力學統(tǒng)一的過程中，也已經起到了關鍵的作用。在目前最領先的弦論中，基本粒子其實是一維物體，即很小的、振蕩的弦。弦的尺度接近所謂的普朗克尺度，即 10-33 厘米（比原子核直徑的一百億億分之一還要小）。因此，從任何比普朗克尺度大得多的尺度上看，弦都完全像一個點。
為了使弦論的方程在數(shù)學上自洽，弦必須在 10 維的時空中振動，這也意味著存在額外的 6 個空間維度，因為尺度太小還無法被探測到。和一維的弦類似，時空中還存在各種維度的“膜”。在原始的 Kaluza-Klein 理論中，普通粒子的波函數(shù)可以充滿額外的維度，因此粒子本身必然擴散到所有額外維度。與之不同的是，弦可以被限制在某個膜上面；而且弦論中也可以有所謂的通量，即由“場線”表示的力場，正如經典電磁學中可由“場線”表示的電磁力一樣。
總的來說，弦論中額外維的圖景比 Kaluza-Klein 理論要復雜一些，但背后的數(shù)學結構更加統(tǒng)一和完備。Kaluza-Klein 理論的中心思想并沒有變，即我們看到的物理定律取決于隱藏的額外維的幾何結構。
太多的解？
關鍵問題是：什么決定了額外維的幾何結構？廣義相對論的答案是，時空幾何必須滿足愛因斯坦場方程——用普林斯頓大學的約翰·惠勒（John Wheeler）的話說，物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動。但愛因斯坦場方程的解不唯一，因此有大量可能的時空幾何。五維的Kaluza-Klein理論提供了這種不唯一性的一個簡單例子。蜷曲的額外維的周長原則上可取任意的值：在沒有物質的情況下，平坦四維時空，加上一個任意周長的圓圈，都是愛因斯坦方程的解（在有物質的情況下，類似的場方程也存在多個解）。
弦論方程的任何一個解都代表了時間和空間的一個位形，這個位形包括隱藏維度的排列方式，還有與之相關的膜（綠色）和通量線（也稱力線，橙色）。弦論預言我們的世界有六個額外的維度，所以在我們熟悉的三維空間中的每個點中都隱藏著一個六維的空間，或者說流形（manifold）。在三維空間看到的物理規(guī)律取決于這個六維流形的尺度和結構：有多少個多納圈一樣的把手、每個把手的長度和周長、膜的數(shù)量和位置，以及圍繞每個多納圈的通量線的數(shù)目。
圖片來源：http://lesmerveillesdelaconnaissance.over-blog.com/article-dossier-la-mysterieuse-energie-noire-partie-1-73205896.html
在弦論中，我們有多個（6個）額外維，從而有多得多的可調參數(shù)。一個額外維只能以圓圈的方式蜷曲起來；但當存在多個額外維度時，它們可以有各種不同的形狀（更準確的說，有不同的“拓撲”），例如一個球面，一個多納圈，兩個粘在一起的多納圈，等等。每個多納圈（即一個“把手”）都有各自的長度和周長，從而為額外維搭配出大量不同的幾何結構。除了這些“把手”還有其他參數(shù)，例如膜所在的位置以及繞著每個圈的“通量”數(shù)目等。
盡管如此，這些不同解的貢獻有很大的差別：由于額外維中的通量、膜以及空間曲率都會貢獻能量，每個解都有相應的勢能。我們把該能量稱為真空能，因為這是在大尺度的四維時空中完全沒有物質和場的情況下，時空本身的能量。正如一個放在斜坡上的球會向著最低處滾動下去，額外維的幾何結構也會向著真空能最低的方向演化。
為了理解真空能最小化這一過程的后果，我們先考慮一個參量，即隱藏的額外維的總大小。我們可以畫出真空能隨著這一參數(shù)變化的曲線。上圖顯示了這樣一個曲線的例子。在額外維很小的情況下，真空能很高，所以在圖的左側，曲線是從比較高的位置開始的。從左向右，真空能先后到達過三個山谷，每個都比前一個更低。最終，在圖的右側，曲線慢慢下降到一個常數(shù)。這里最左邊的山谷的真空能數(shù)值是大于 0 的，中間那個山谷真空能恰為 0，而最右邊那個山谷真空能小于 0 。
隱藏的額外維的幾何結構如何演化還取決于初始條件，即“球”一開始處于曲線的哪個位置。如果演化開始于最后一個頂峰的右側，球會一直滾到無窮遠，也就是說額外維的尺度會無限增加（因此將不再是隱藏的）。否則的話它會停止在某個山谷的最底部，隱藏的額外維尺度會調整到使能量最低的值。這三個局部的最低點分別對應真空能為正、為負和為零的情況。注意我們宇宙的額外維尺度沒有隨時間變化，否則的話我們會看到自然基本常數(shù)隨時間變化。因此我們的宇宙肯定正處于某個山谷的底部，而且應該是處于一個真空能稍大于零的山谷。
真正的弦論景觀反映了額外維流形所有的參數(shù)，因此形成了一個維度非常多的“地形圖”。這個地形圖只畫出了依賴于兩個變化參量的真空能。額外維流形依然會傾向于處在某個谷底（對應一個穩(wěn)定的弦論解，或者說穩(wěn)定的真空）。換句話說，一旦流形處于谷底了，它就傾向于長時間停留在那里。圖中藍色的部分表示小于零的真空能。 但是，量子效應允許一個流形在某個時刻突然改變狀態(tài)——即通過量子躍遷穿過中間的山脈，到附近一個更低的山谷。宇宙的不同區(qū)域會在景觀中走隨機的不同路線。這個結果就像是無數(shù)個探險者在整個景觀中探索，從而經過了所有可能的山谷。
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因為額外維的幾何結構有多個參數(shù)，我們應該把剛才這個真空能曲線看成某個復雜的高維“山脈”的一個切面。斯坦福大學的倫納德· 薩斯坎德（Leonard Susskind）把這個“山脈”稱為弦論的“景觀”。這個高維的“景觀”的各個最小值——即球會最終停留的谷底，對應于時空幾何的穩(wěn)定位形（包括膜和通量的位形）；我們將這些位形稱為穩(wěn)定真空。
一張現(xiàn)實中的地形景觀圖只有兩個獨立方向（南北和東西），我們只能畫出二維的景象。而弦論的景觀要復雜得多，有很多（數(shù)百個）獨立的方向。我們不應該把弦論景觀的維度和空間的維度混淆起來；每個獨立方向量度的不是物理空間中的某個位置，而是時空幾何的某個方面，比如“把手”的大小或者膜的位置等。
目前我們還不能完整地描繪整個弦論的景觀。計算一個真空態(tài)的能量是個困難的問題，而且通常需要做某種適當?shù)慕啤＝陙砝碚撐锢韺W家開始取得了一些進展，特別是在2003年，斯坦福大學的沙米特·卡奇魯（Shamit Kachru）、雷納塔·考洛什（ Ren-ata Kallosh）和安德烈·林德 （Andrei Linde），以及印度塔塔基礎科學研究院（Tata Institute of Fundamental Research）的薩迪普·特里維迪（Sadip Trivedi）發(fā)現(xiàn)了很有說服力的證據(jù)，證明弦論景觀確實存在山谷，在這些山谷中我們宇宙的基本性質是穩(wěn)定的。
我們還無法確定有多少穩(wěn)定的真空——即有多少個點可以讓“球”停住，但這個數(shù)字很有可能是無比巨大的。有研究表明，可以有帶 500 個左右“把手”的解，把手數(shù)目不會比這個數(shù)字大太多。對每個把手，可以有一定數(shù)目的通量線繞著它；這個數(shù)目不會太大，否則它們會導致真空不穩(wěn)定。如果我們假設每個把手可以有 0 到 9 條可能的通量線（10 種可能），那么總共 500 個把手對應 10500 種可能的位形。即使每個把手只有 0 或 1 條可能的通量線，也有大約 2500（大約 10150 ）種可能性。
除了影響真空的能量外，這些解中的每一個，都會在我們四維的宏觀世界導致完全不同的現(xiàn)象：定義我們世界有哪些種類的粒子和相互作用，以及它們有怎樣的質量和強度。盡管弦論可能提供了唯一的基本定律，我們在宏觀世界中看到的物理定律仍然會依賴于額外維的幾何結構。
很多物理學家都希望，物理學最終可以解釋為何宇宙要有這樣一些特定的基本法則。但即使這個愿望成為現(xiàn)實，仍然有很多關于弦論景觀的深刻問題需要回答。哪一個穩(wěn)定的真空描述了我們的宇宙？為什么自然選擇了這一個特定的真空而不是別的？其他穩(wěn)定的解是否只是純粹數(shù)學上的可能性，而永遠不可能成為物理現(xiàn)實？如果弦論是正確的，似乎它無法實現(xiàn)最終的“民主”：盡管理論上有大量的可能的世界，最終在所有可能之中卻只挑出了對應我們現(xiàn)實世界的那一個。
是否必須要在弦論景觀中挑出一個特殊解呢？根據(jù)兩個重要的想法，我們在 2000 年提出了一個完全不同的圖景。第一個想法是，我們的世界不必永遠處于一個弦論解（或者說額外維的位形），因為有罕見但可以發(fā)生的量子過程允許額外維從一種位形跳到另一種。第二個想法是，根據(jù)作為弦論一部分的愛因斯坦的廣義相對論，宇宙可以演化得足夠快，從而允許多個不同位形共存于不同的“子宇宙”中，而這些子宇宙每個都足夠大，以至于在其中無法觀測到其他宇宙。在這個圖景里，為何真實存在的唯有我們世界對應的那個真空的謎團，就不存在了。不僅如此，我們進一步提出，這個想法還可以解決另一個重大的自然謎題。
景觀中的一條路徑
正如前面提到的，每個穩(wěn)定的真空都可以由“把手”的個數(shù)、膜和通量的數(shù)目來描述。但現(xiàn)在我們要考慮到，這些要素都是可以被創(chuàng)造和毀滅的，因此在一段時間的穩(wěn)定期之后，我們的世界可以跳到一個完全不同的位形。在弦論景觀里，一個通量線的消失（衰變），或者其他形式的拓撲改變是穿過“山脈”進入更低的一個山谷的量子躍遷。
這樣的后果是，隨著時間的演化，不同的真空都可以依次存在。假設一開始我們例子里的 500 個把手每個都有 9 個通量，一個接一個，這 4500 個通量會按照量子力學預言的某種順序依次衰變，直至所有通量都用完。我們從景觀中較高的山谷出發(fā)，經過一系列隨機的躍遷，經過了 4500 個越來越低的山谷。我們在弦論景觀中看到了一系列不同的風景，但對于 10500 種可能的真空來說，這一過程只經過了極小的一部分。似乎大多數(shù)真空連個露臉的機會都沒有。
但其實我們忽略了這個故事中的一個關鍵部分：真空能對宇宙演化的重要效應。我們知道，通常物質（比如我們的恒星和星系）會讓宇宙的膨脹減緩，甚至最終導致其重新塌縮。但正的真空能起到的效果則像是反引力一樣：根據(jù)愛因斯坦場方程，它會導致我們的三維空間以越來越快的速度膨脹。當隱藏維通過量子效應躍遷到一個新位形時，這一加速膨脹會產生重要而令人意外的效果。
由于三維空間中的每個點都隱藏著一個六維空間，而這個六維空間對應著弦論景觀中的一個點。當這個六維空間躍遷到一個新位形的時候，這個躍遷并不是在三維空間中的所有地方同時發(fā)生的。躍遷首先在三維宇宙中的某個點發(fā)生，而這個新的、能量更低的位形周圍形成了一個泡泡，這個泡泡迅速膨脹。如果三維空間沒有在膨脹的話，這個迅速膨脹的泡泡會最終占據(jù)宇宙中的每個點。但是，舊的區(qū)域也在膨脹，而且有可能比這個新的泡泡膨脹得更快。
大家都是贏家：舊的和新的區(qū)域都增大了，所以新的區(qū)域永遠不會完全毀掉舊的區(qū)域。根據(jù)愛因斯坦的理論，時空幾何結構是動態(tài)變化的，因此這樣的情況完全可能出現(xiàn)。廣義相對論不是一個零和游戲：空間構造的擴張使得舊和新的真空都有更多空間被創(chuàng)造出來。類似的過程在新真空“變老”的時候也會發(fā)生。當新真空開始衰變的時候，它并不會徹底消失，而是在內部長出另一個真空能量更低的、不斷膨脹的泡泡。
由于舊的區(qū)域也在增長，最終真空會在另一個地方發(fā)生衰變，而躍遷到弦論景觀中另一個附近的山谷。這個過程會繼續(xù)發(fā)生無數(shù)次，以所有可能的方式衰變，而相距足夠遠的區(qū)域會在不同的把手上失去通量。因此，宇宙不再只是經歷了單個衰變的序列，而是經歷了所有可能的序列，最終的結果是成為泡泡套著泡泡的多重宇宙。這個結果和麻省理工學院的艾倫·古思（Alan Guth），塔夫茨大學（Tufts University）的亞歷山大·維連金（ Alexander Vilenkin） 以及林德的永恒暴脹理論得到的結果很類似。
我們提出的這個圖景可以比喻成，有無數(shù)個探險者去探索圖景中每種可能的路徑，經過了所有的山谷。每個探險者代表宇宙中的一個點，而它們互相遠離。每條探索的路徑代表了宇宙中這個點經歷的一系列真空。只要該探險者在圖景中開始的點足夠高，實際上所有的山谷都會被探索到。事實上，每個山谷都會被來自更高處山谷的每條可能路徑穿過無窮次。這個“瀑布”一般的下降過程只有到“海平面”才停止——即當真空能變?yōu)樨摰臅r候。負的真空能對應的時空幾何結構不允許這種無窮膨脹和泡泡繼續(xù)形成。與之相反，一個局部的“大塌縮”將會發(fā)生，就像黑洞內部的過程一樣。
在每個泡泡里，一個在足夠低的能量下做實驗的觀察者（正如我們一樣）將會看到一個有自己特定物理規(guī)律的四維宇宙。觀察者無法獲取來自其泡泡之外的信息，因為泡泡之間的空間膨脹太快，以至于光速也無法跑贏它。觀察者之所以只能看到自己這個真空對應的物理定律，是因為看得不夠遠。在我們這個圖景里，我們宇宙的起源（即宇宙大爆炸的開始）不過是我們附近某個位置最近發(fā)生的一次真空躍遷，而如今這一泡泡已經膨脹到幾百億光年的大小了。遙遠未來的某一天（遙遠到我們應該不需要擔心），宇宙的這個部分可能會經歷又一次躍遷的過程。
真空能危機
我們剛剛描述的這個圖景解釋了弦論景觀中不同的穩(wěn)定真空是怎樣在宇宙中的不同位置出現(xiàn)，從而形成了無數(shù)個“子宇宙”的。這一結果也許將解釋理論物理中最重要也是最難解決的問題之一——真空能問題。對愛因斯坦來說，我們剛剛說的真空能其實只是廣義相對論場方程中大小任意的一項，即所謂的“宇宙學常數(shù)”——為了與他所相信的宇宙靜止這一觀念一致，他曾經在方程里加了這一項。為了得到靜止宇宙，愛因斯坦要求宇宙學常數(shù)是一個特定的正值，但當后來的觀測證明宇宙在膨脹之后，他又拋棄了這一想法。
有了量子場論之后，曾經被認為是虛空的空間（即真空）變成了熱鬧的地方：這里充滿不斷產生和湮滅的虛粒子和場，而且每個粒子和場都帶有正或負的能量。基于量子場論的一個很簡單的計算表明，這些虛粒子的能量達到了一個極高的能量密度：大約每立方厘米 1094 克，也即每普朗克體積（即普朗克長度的 3 次方）有一個普朗克質量。我們把這個能量密度叫做 ΛP。這一計算結果被稱為物理學史上最著名的錯誤預言，因為實驗觀測很早就告訴我們真空能肯定不會超過 10-120 ΛP。理論物理因此陷入了一個巨大的危機。
為什么理論和實驗之間會存在巨大分歧？過去幾十年，搞清楚這個問題一直是理論物理的中心目標之一，但物理學家提出的無數(shù)個解決方案中沒有一個得到廣泛接受。很多方案都假設真空能是嚴格為零的——考慮到我們要得到一個小數(shù)點后面至少有 120 個零的數(shù)字，這顯然是一個很合理的假設。因此我們的任務就是要解釋物理學為何能得到一個嚴格為零的真空能。很多嘗試都基于一個設想，即真空能可以將自己調整為零，但目前并沒有令人信服的解釋告訴我們這一調整如何發(fā)生，以及為何結果很接近零。
本文作者在 2000 年發(fā)表的一篇文章中提出了一個解釋，我們利用了弦論大量的解和其宇宙學意義，并把它們與得克薩斯大學奧斯汀分校的史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）在 1987 年提出的一個想法結合起來。
首先考慮弦論的大量解。真空能可以看成是這些解在弦論景觀中對應的點的海拔。海拔的范圍可以從最高點對應的 ΛP 一直到最低點對應的 -ΛP。假設弦景觀一共有 10500 處山谷，它們的海拔可以是這兩個極端值之間的任意值。如果我們把這些解畫出來，并用縱軸代表它們的海拔，那這些山谷在縱軸方向的平均間隔就該是 10-500ΛP。因此，我們會看到很多解的真空能是在 0 和 10-120ΛP 之間的，盡管它們只占總量的很少一部分。這一結果解釋了怎樣能得到很接近零的真空能。
這個想法并不是全新的。早在 1984 年，已故的蘇聯(lián)物理學家安德烈 ·薩哈羅夫 （Andrei Sakharov）就提出，額外維的復雜幾何結構也許可以使真空能的取值處于實驗觀測范圍內。另外一些研究者也提出過一些似乎不依賴于弦論的解釋。
圖片來源：http://news.qudong.com/article/324383_2.shtml
至此，我們就解釋了宇宙演化是怎樣實現(xiàn)弦景觀中絕大部分穩(wěn)定解的，其結果是一個很復雜的、有大量泡泡的宇宙，泡泡對應的真空能可以取遍所有可能的值（包括很接近零的那些）。但問題是，我們的宇宙處在其中哪個泡泡里？為何我們宇宙的真空能如此接近于零？這里我們就需要借助溫伯格的想法了。當然這里有概率的因素，但因為很多地方是完全不適宜生命存在的，所以我們沒有“生活”在那些地方并不是一件奇怪的事情。這其實是一套我們很熟悉的邏輯了，就像一個人不太可能出生在南極或者馬里亞納海溝或者沒有空氣的月球上。與之相反，我們發(fā)現(xiàn)我們生活在太陽系中這一極小的、適合生命生存的部分。同樣的道理，只有很小的一部分穩(wěn)定真空是適于生命存在的。宇宙中那些有比較大的、正的真空能的區(qū)域會發(fā)生極其劇烈的膨脹，與之相比，超新星爆發(fā)簡直可以用平靜一詞來形容。而有較大的、負的真空能的區(qū)域會以很快的速度消失在一次宇宙塌縮中。如果我們所在的泡泡的真空能大于 10-118ΛP 或者小于 -10-120ΛP，我們將不可能存在，正如我們不會存在于溫度太高的金星或者重力太大的木星上一樣。這種邏輯通常被稱為人擇（anthropic）原理。
弦論景觀中有大量的山谷是處在適宜范圍內的（海平面向上或向下不超過一根頭發(fā)絲直徑的范圍）。因為我們這樣的生命存在，我們所在的泡泡的真空能很小并不奇怪。但我們同樣也沒有任何理由期待它剛好是零。大概有 10380 種真空是在適宜范圍內的，但只有極小一部分的真空能會嚴格為零。如果真空的分布是完全隨機的，那么 90% 的真空分布于能量在0.1x10-118 到 1x10-118ΛP 這一范圍內。所以如果弦論景觀這個圖景是正確的，我們應該會觀測到非零的真空能，而且其數(shù)值很可能不比 10-118ΛP 小太多。
對遙遠的超新星的觀測表明，可觀測到的宇宙正在加速膨脹——這是實驗物理歷史上最令人震驚的發(fā)現(xiàn)之一，也是我們的宇宙具有正的真空能的重要證據(jù)。從宇宙加速膨脹的速率可以推出，真空能的數(shù)值大約就是 10-120ΛP——這一數(shù)值足夠小，以至于其他實驗無法探測到；但又足夠大，可以符合人擇原理的解釋。
因此，弦論的圖景似乎解決了物理學的真空能危機，但這一解釋也有一些令人不安的后果。愛因斯坦曾經問過，上帝在創(chuàng)造宇宙的時候是否有選擇的余地，還是說宇宙的定律已經完全由一些最基本的原理確定了。作為物理學家，我們也許期待的是后一種情況。盡管我們還沒有完全理解弦論背后的基本原理，但似乎這些原理是完全確定且不可避免的——因為其背后的數(shù)學不允許我們有任何選擇。但是，我們所能看到的這個世界的物理定律并不是基本原理，而是取決于有無數(shù)種選擇的額外維幾何結構。我們所看到的一切并不是必然存在的，它只是依賴于我們居住在某一特定泡泡里這樣一個事實。
除了可以自然地給出很小但非零的真空能之外，弦論景觀能否給出其他預言呢？要回答這個問題，我們需要對真空的能量分布有更深的理解，而這也是一個涉及多個研究前沿的很熱門的領域。不僅如此，目前我們還沒能找到一個特定的穩(wěn)定真空，它的物理定律和我們這個四維時空里的完全一致?？偟膩碚f，弦論景觀基本上還是個沒怎么被探索的領域。在這個問題上，物理實驗可能會給我們提供幫助。也許某天，我們能夠直接在加速器上看到弦、黑洞或者 Kaluza-Klein 理論里的新粒子，從而直接看到高維的物理定律。又或許我們可以直接通過天文觀測，看到宇宙學尺度上的弦，這些弦有可能在宇宙大爆炸開始時就被創(chuàng)造出來，一直隨宇宙膨脹而變大。
我們給出的這整個圖景其實是很不確定的。目前我們還沒有一個可以與廣義相對論媲美的、精確而完整的弦論體系。廣義相對論擁有建立在已經得到充分理解的物理原理之上的精確方程；而對于弦論，目前我們還不清楚它的精確方程，還有可能尚未發(fā)現(xiàn)某些重要的物理概念。如果搞清楚了這些，我們這里講的弦論景觀，包括形成泡泡的機制，可能會完全改變，甚至被推翻。在實驗方面，從宇宙學觀測的結果來看，非零的真空能幾乎是一個確定的結論了，但我們也知道，宇宙學的數(shù)據(jù)是“善變”的，所以也許還會有令人驚奇的新發(fā)現(xiàn)。 當然，也許其他理論也能解釋一個非零而又極小的真空能，現(xiàn)在就停止尋找，顯然為時過早。但同樣，我們也不能完全排除弦景觀圖景——也許我們真的身處一個豐富多變的宇宙中的一個宜居角落。
本文作者?拉斐爾·布索和約瑟夫·波爾金斯基的這篇文章始于在圣巴巴拉召開的一次關于弦論對偶的研討會。文章結合了布索在量子引力和暴脹宇宙學方面的知識和波爾金斯基在弦論方面的知識。布索當時是加利福尼亞大學伯克利分校的助理教授，他的研究方向主要是聯(lián)系時空幾何和信息的全息原理。波爾金斯基當時是加利福尼亞大學圣巴巴拉分?？凭S理理論物理研究所的教授，他第一個發(fā)現(xiàn)了膜在弦論中的重要地位。
本文譯者?何頌是中國科學院理論物理研究所副研究員，主要研究方向為量子場論、弦論、數(shù)學物理。
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