摘要：抛开多重宇宙家假说，我们就很难解释真空能量为何如此之小。但物理学家至少还有另外一个可供探索的方向。这个争议性观点的逻辑源头是看似最无关痛痒的自然界景象：空无一物的空间（empty spa。多重宇宙假说认为，我们的宇宙只是众多宇宙泡沫中的一个。...
抛开多重宇宙家假说，我们就很难解释真空能量为何如此之小。但物理学家至少还有另外一个可供探索的方向。
多重宇宙假说认为，我们的宇宙只是众多宇宙泡沫中的一个。这个争议性观点的逻辑源头是看似最无关痛痒的自然界景象：空无一物的空间（empty space）。
具体而言，多重宇宙假说是怎么推导出来的呢？
真空中弥漫着微量到难以名状的能量，它被称为真空能量、暗能量或宇宙学常数。一立方米空间内的真空能量只够一个灯泡亮一万亿分之一秒。然而考虑到泛过其间的所有物质场和能量场，真空能量至少应该比现在高万亿万万万万亿倍。用诺贝尔奖得主史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）的话来说，这“让人如鲠在喉”。但不知怎的，这些场几乎全部相互抵消，只留下一片寂静。
这就是著名的“宇宙学常数问题”，虽然谜底尚未解开，但对人类的存在而言，真空的这种极端虚空似乎不可或缺。这种反引力作用哪怕再强一丁点儿，空间膨胀的速度就会过快，致使星系、行星或人类的构造无法形成。这种恰到好处意味着，宇宙可能有千千万万个，它们的真空能量各不相同，而我们恰好活在一个异常低能的宇宙中，因为在别的宇宙里我们根本就没有可能存在。
有的科学家对各种形式的“人择原理”嗤之以鼻，很不待见多重宇宙假说，因为它无法验证。即便那些不排斥多重宇宙观点的，也巴不得绕过宇宙学常数问题，寻找别的探索途径。但直到目前，抛开多重宇宙，这个问题几乎无解。“暗能量问题太棘手、太难了，人们就连一两个解决方案都拿不出来，”马里兰大学理论物理学家拉曼·森德拉姆（Raman Sundrum）说。
要理解个中原因，我们不妨考虑一下，真空能量究竟是什么。
爱因斯坦的广义相对论告诉我们：物质和能量决定了时空如何弯曲，而时空弯曲决定了物质与能量的运动形式。这个等式自带一个推论：时空可以拥有自己的能量——即排除其他一切，最后剩下的那个常量，爱因斯坦称之为宇宙学常数。几十年来，宇宙学家们一直将它的值默认为零，因为宇宙膨胀的速度相对稳定，至于为何如此，他们也不清楚。到1998年，天文学家发现，宇宙膨胀其实是缓慢加速的，这意味着，太空中可能弥漫着一种排斥力。这种能量被称为暗能量，而且，它势必等于宇宙学常数。其存在导致了宇宙膨胀的不断加速，因为宇宙膨胀形成新的空间，这种排斥力的总量也就随之增加。
但一推算这种真空能量的密度，科学家就发现，它跟量子场论（粒子物理学理论）中的真空产生了冲突。当没有粒子激发泛过其间时，一个量子场就是空的。但根据量子物理学中的测不准原理，量子场的状态从来都不是确定的，因此，其能量永远不等于零。试想这样一个量子场：其在空间中的每一点都是一枚弹簧。每一刻，这些弹簧的长度不是比松弛状态长，就是比松弛状态短；不是处在压缩状态，就是处在拉长状态，因此，它们永远都在运动，因而拥有能量。这被称为量子场中的零点能量。物质场的零点能量为负，而能量场的零点能量为正。这些能量做个加减，就得出了真空总能量。
真空总能量应该大致等于参与加减的那个大头。（打个比方，别人给你1万块钱，你花去100，或从沙发缝里挖到三块，最后，你手里差不多还是1万。）然而，我们观察到的宇宙膨胀速度显示，它的值比某些零点能量值小了60到120个数量级，仿佛不知怎的，所有正负数值全都抵消干净了。但要为这种均衡态找一个物理机制，那可不简单，原因有二。
其一，真空能量唯一的作用是一种引力作用，因此，要抵消真空能量，需要的是一种引力机制。但在宇宙诞生之初，当这种机制发挥作用时，宇宙是那么的小，相对于物质和辐射的总量，那点真空总能量简直可以忽略不计。跟其他所有东西的引力比起来，真空能量的引力作用根本不够用。“这是宇宙学常数问题最大的难点之一，”2007年时，物理学家拉斐尔·布索（Raphael Bousso）这样写道。他说，在早期宇宙环境下，一个引力反馈机制要精准地调校真空能量，“大致就好比一架飞机在风暴之中，沿着精确到原子的预定路线飞行。”
综合这些难点，量子场论计算显示，在大爆炸发生之后不久，随着宇宙开始冷却，真空能量的值应该发生阶段性的转变。这就引出一个问题：这种假定的完全抵消真空能量的机制出现于何时，是在这种转变发生之前，还是之后？该机制又怎么知道其作用该有多大，才能恰好将其抵消？
到目前为止，因为这些障碍的存在，要是不诉诸多重宇宙这个“抽奖系统”，“真空之空”就难以得到解释。但近年来，一些研究人员探索起了另一条可能的途径：如果宇宙不源于一场大爆炸，而是在早期的一场收缩后，重新开始反弹，那么处于收缩阶段时的远古宇宙肯定极其巨大，而且充斥着真空能量。也许当时，某些引力相关机制作用于充裕的真空能量，并随着时间的流逝，将其自然稀释。在这一思路的启发下，物理学家彼得·格雷厄姆（Peter Graham）、大卫·卡普兰（David Kaplan）和苏吉特拉·金德伦（Surjeet Rajendran）开拓了一种新的“宇宙大反弹”模型，只是他们还需进一步证明：在宇宙收缩时，那个真空稀释过程具体是如何进行的。
在一封电子邮件中，布索称这些人的方法“值得一试”，是“面对一个重大难题所做的有理有据的诚实抗争。”但他也表示，这个模型中仍存在巨大的缺口，而“弥补这些缺口所面临的专业障碍不可小觑。这种（理论）构建已经是一台（过于繁复的）鲁布·戈德堡机器，等到这些缺口被填满时，它只会更加错综复杂。”布索和多重宇宙假说的其他拥趸都认为，多重宇宙的答案相对更为简洁。
翻译：雁行
校对：其奇
编辑：漫倩
来源：quantamagazine
点击蓝字“了解更多”，获取更多「造就」精彩内容。
