繪圖：Karan Singh繪圖：Karan Singh

來歷：全國際科學

根據現有的國際學模型，國際要么永久存在，要么將走向支離破碎。但一些科學家卻暗示了一種更加古怪的國際命運。這篇文章，敘述了物理學家對國際結局的探究之路。

因為國際的持續脹大，從前相鄰的星系團將高速分離，速度快到連光都無法填補這個缺口。恒星將焚燒殆盡，國際陷入無盡的漆黑……這個“大凍住”（The Big Freeze）理論，描繪了當今最為盛行的國際結局模型。

大凍住理論是國際學標準模型的直接作用。這個理論認為，國際加速脹大的推動力——暗能量，將堅持不變。這種加速背面的奧秘驅動力被稱為暗能量，將永久具有不變的力。

大凍住并不是國際結局的僅有猜想。大揉捏（The Big Crunch）理論認為，暗能量非但不會永保不變，反而或許跟著時間的推移而減少，國際畢竟會自我坍縮，緊縮成一個奇點，就像大爆炸之前相同。而大撕裂（The Big Rip）理論則認為，暗能量的力氣在未來會增加，導致脹大率繼續增加，直到到達光速。畢竟，悉數的物體，包含恒星和星系都會被撕裂成底子粒子。

大凍住，大揉捏仍是大撕裂？或許三者都不是？對國際未來的第四種猜想更加令人震驚。它暗示了一個更為古怪的現象：國際或許不會完全結束，而是演化成一種我們現在無法描繪的狀況。

暗能量是現代國際學中最重要的發現。上世紀90年代末，天文學家發現，國際的脹大非但沒有跟著國際年齡的增加而放緩，反而在加速。是什么力氣推動著國際不斷地加速脹大呢？人們天性地認為是時空本身的真空能推動的。真空中的粒子會在瞬間發作和消失，瞬間消失的粒子或許會發作能量將空間推開。

暗能量的不同模型會演化出不同的作用。（圖片來歷：NASA/CXC/M.WEISS）

真空能（Vacuum energy）是一種存在于空間中的布景能量，即使在沒有物質的空間中依然存在。但是當用量子物理的原理計算真空能時，它的數值變得十分大。英國愛丁堡大學的觀測國際學家Catherine Heymans說：“真空能會讓國際在誕生后敏捷脹大，乃至連榜首批恒星和星系都不會構成。”為了避免這個問題，物理學家們設想出一個量子進程將真空能抵消。Heymans說：“在理論物理學中，將某物歸零相對簡略。”

但是暗能量，或許延伸到真空能量的層面，并不為零。大多數觀測指出，國際中特定時空體積的真空能量，也就是暗能量密度，跟著時間是恒定的。這個數被稱作國際學常數，用來標明暗能量的強度。但是，要解說其挨近零但為正的數值是極端困難的。

所以，另一種試圖描繪國際本質的理論——弦論誕生了。

扎手的問題

上世紀90年代，弦理論已經成為“萬有理論”的主要候選者。弦論的一個底子觀念是，自然界的底子單元不是點狀粒子，而是十分細微的線狀的“弦”，這些弦在9+1維時空里振動。為了符合我們能觀察到的4維時空，額外的空間維度有必要被“緊縮”，緊致到無法被探測到。每一種緊致方法都會導致一個不同的國際。弦理論最大的挑戰，就是找到描繪我們特定時空的僅有解。

這項作業遇到了問題。德西特國際（De Sitter space-time）認為，我們日子在在一個由略大于零的國際學常數描繪的國際中，所以怎樣用最簡略的方法緊縮額外的維度是弦理論學家需求極力處理的問題。

2003年，Shamit Kachru、Renata Kallosh、Andrei Linde和Sandip Trivedi（簡稱KKLT）提出了一種經過用弦理論構建我們的時空的凌亂方法。他們的作業被譽為理論的成功，但卻付出了巨大的價值。

弦論在高能環境中收效，例如國際大爆炸之后。所以，為了能使該理論描繪當今能量較低的時空，弦理論有必要尋找自己的有用場論。運用KKLT結構得到的確切時空取決于額外維度是怎么緊縮的。2005年，弦論學家證明這至少能夠用10500種方法來實現，每一種都給了我們一個可行的德西特時空。其作用是一個潛在國際的寬廣現象，一個多重國際，其間悉數能夠想象的時空都能存在。在這個理論空間中，真空能的取值構成了一個凌亂的“地形圖”，被理論家稱之為弦現象（String Landscape）。盡管KKLT提出了一種建立描繪德西特時空的有用場論的方法，但它不能為我們的國際供應一個準確的理論。

進入沼澤地

這讓哈佛大學的弦論學家Cumrun Vafa感到困擾，他對KKLT構造的模型并不滿足。除了沒有發作預期的作用，他還認為KKLT的提議在數學上過于凌亂，難以驗證。

Vafa開端從另一個角度看待這個問題：是否悉數或許的有用場理論都能從弦論中發作，或許弦理論能否掃除某些有用場論，然后掃除去某些類型的國際。他意識到，并非悉數的有用理論都能夠從弦論中導出。一旦引入引力，一些看似合理的理論就不能準確地描繪我們的國際——這是一個常見的差錯。Vafa將其命名為沼澤地，標明滿是站不住腳的主見。

最近二十年來，弦論學家們一向未能構建出任何德西特時空的簡略模型。在他的德西特猜想中，悉數有用場理論都屬于沼澤地。德西特國際不或許是弦理論方程的解。

關于Linde來說，德西特國際只是個未經證明的解說，他一向支撐KKLT結構，即一個具有國際學常數的國際能夠用弦理論來描繪。“這是一個凌亂的故事，”他說，“一個人不應該根據未經證明的論據，遽然扔掉從前的作用。”

德西特的猜想“或許對，也或許不對”，Vafa標明，“當我們進一步研討它時，我們就會發現，假設被證明是正確的，它將對國際學的標準模型發作重大影響。”根據Vafa等人的研討，其間最重要的一點是，暗能量密度不是一個近似常數，而是跟著時間的推移而緩慢減小。

假設這個定論建立，它將對國際的命運發作深遠的影響。在未來數百億年內，暗能量或許會趨于零，乃至變為負值。然后，或許國際會以大坍縮而告終，而不是永久脹大下去。

這種改變暗能量的方式被稱為精質（quintessence）。精質是一種關于暗能量的假定方式，被提出來解說關于國際加速脹大的觀測。這一觀念在國際學常數走向干流之前十分盛行。

Linde是最早研討精質的科學家之一，但他對此并不信服。“精質是或許的，但它帶來的問題比它能處理的要多。”他說。曩昔幾年間，有痕跡標明，暗能量密度的改變或許實際上處理了一場令人驚奇的國際學沖突。

這一敵對發作于丈量當今國際脹大速率，即哈勃常數的兩種不同方法。一種方法是經過研討鄰近星系中的恒星和超新星來直接丈量它。另一種方法是研討國際微波布景，這是國際大爆炸后38萬年宣布的榜首束光，然后從這些數據推斷出今日的國際。兩種方法得到的作用有明顯差異。

大曲解——國際全新階段

這種差異或許是實驗過失形成的，但也能夠經過暗能量隨時間的改變來處理，即將其視為一種精質。

你或許認為遵從Vafa理論的弦論學家會為這個消息感到高興。但他們沒有。Wrase說：“哈勃常數和德西特沼澤猜想方向相反。”德西特猜想要求暗能量密度跟著時間的推移而減小；而只有當暗能量密度增加時，哈勃常數問題才能得到處理。

至于國際的命運，日益增長的暗能量密度標明，大撕裂，而不是大揉捏，正蓄勢以待。約翰·霍普金斯大學的Adam Riess說：“這是一個可怕的版本。”畢竟，每一處時空都有無盡的暗能量，它的斥力會撕裂悉數：星系、行星、分子、原子，畢竟，還有時空本身。“反抗暗能量將是白費的。”Riess說。

因而，我們似乎又回到了起點。暗能量正在減少，堅持不變或跟著時間的推移而增加，各種觀念互相敵對，國際的命運危如累卵。這就是Vafa認為，有一種方法能夠和諧沼澤地猜想和哈勃常數的差異。

除了暗能量，國際中另一個看不見的組成部分是暗物質。人們認為暗物質的引力將星系和星系團集合在一起。Vafa說，假設暗能量正在減弱，這將對暗物質發作影響。“弦論告訴你應該有一個互相作用。”Vafa發現，這種互相作用會導致暗物質粒子的質量跟著時間的推移而減小。這改變了哈勃常數的外推值，能夠縮小過失。

這是否意味著國際正走向大凍住，而不是大揉捏或大撕裂呢？不完滿是。仔細觀察會發現，Vafa的主見會讓其他場景都顯得平淡無奇。這意味著，幾百億年后的國際將完全改變。在弦論中，這通常意味著一個新的維度被打開了。“所以這是一個全新的國際，用我們當時國際的言語是無法描繪的。我們現在日子在三維空間中。在這個新的理論中，它或許含有四個空間維度。”

任何新出現的空間維度都是弦論的一個額外維度從緊化中跳出的作用。這個大曲解所發作的國際將與我們的完全不同。“一個全新的階段開端了。”Vafa說。因而，盡管國際仍將存在，但它將具有什么性質，以及它的后續軌跡將是什么，現在還不清楚。

現在弦論學家經過后續實驗，或許很快就會做出一些猜想，哪怕只是些簡略的猜想。例如，假設弦論學家能夠證明德西特猜想，就會導致一個猜想，即傳統國際學所喜愛的那種時空不或許存在。但假設實驗發現了無可爭議的根據，來支撐國際學常數和我們國際的德西特真空，“我們能夠說弦論是差錯的”。

無論發作什么，國際的未來看起來一點也不無聊。