根據(jù)現(xiàn)有的宇宙學(xué)模型，宇宙要么永遠(yuǎn)存在，要么將走向支離破碎。但一些科學(xué)家卻暗示了一種更加奇怪的宇宙命運(yùn)。這篇文章，講述了物理學(xué)家對宇宙結(jié)局的探索之路。

　　由于宇宙的持續(xù)膨脹，曾經(jīng)相鄰的星系團(tuán)將高速分離，速度快到連光都無法填補(bǔ)這個(gè)缺口。恒星將燃燒殆盡，宇宙陷入無盡的黑暗……這個(gè)“大凍結(jié)”（The Big Freeze）理論，描述了當(dāng)今最為流行的宇宙結(jié)局模型。

　　大凍結(jié)理論是宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的直接結(jié)果。這個(gè)理論認(rèn)為，宇宙加速膨脹的推動力——暗能量，將保持不變。這種加速背后的神秘驅(qū)動力被稱為暗能量，將永遠(yuǎn)具有不變的力。

　　大凍結(jié)并不是宇宙結(jié)局的唯一猜想。大擠壓（The Big Crunch）理論認(rèn)為，暗能量非但不會永保不變，反而可能隨著時(shí)間的推移而減少，宇宙最終會自我坍縮，壓縮成一個(gè)奇點(diǎn)，就像大爆炸之前一樣。而大撕裂（The Big Rip）理論則認(rèn)為，暗能量的力量在未來會增加，導(dǎo)致膨脹率繼續(xù)增加，直到達(dá)到光速。最終，所有的物體，包括恒星和星系都會被撕裂成基本粒子。

　　大凍結(jié)，大擠壓還是大撕裂？或者三者都不是？對宇宙未來的第四種預(yù)測更加令人震驚。它暗示了一個(gè)更為奇怪的情形：宇宙可能不會完全終結(jié)，而是演化成一種我們目前無法描述的狀態(tài)。

　　暗能量是現(xiàn)代宇宙學(xué)中最重要的發(fā)現(xiàn)。上世紀(jì)90年代末，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宇宙的膨脹非但沒有隨著宇宙年齡的增加而放緩，反而在加速。是什么力量推動著宇宙不斷地加速膨脹呢？人們本能地認(rèn)為是時(shí)空自身的真空能推動的。真空中的粒子會在瞬間產(chǎn)生和消失，瞬間消失的粒子可能會產(chǎn)生能量將空間推開。

　　真空能（Vacuum energy）是一種存在于空間中的背景能量，即使在沒有物質(zhì)的空間中依然存在。但是當(dāng)用量子物理的原理計(jì)算真空能時(shí)，它的數(shù)值變得非常大。英國愛丁堡大學(xué)的觀測宇宙學(xué)家Catherine Heymans說：“真空能會讓宇宙在誕生后迅速膨脹，甚至連第一批恒星和星系都不會形成。”為了避免這個(gè)問題，物理學(xué)家們設(shè)想出一個(gè)量子過程將真空能抵消。Heymans說：“在理論物理學(xué)中，將某物歸零相對容易。”

　　但是暗能量，或者延伸到真空能量的層面，并不為零。大多數(shù)觀測指出，宇宙中特定時(shí)空體積的真空能量，也就是暗能量密度，隨著時(shí)間是恒定的。這個(gè)數(shù)被稱作宇宙學(xué)常數(shù)，用來表示暗能量的強(qiáng)度。但是，要解釋其接近零但為正的數(shù)值是極其困難的。

　　于是，另一種試圖描述宇宙本質(zhì)的理論——弦論誕生了。

　　棘手的問題

　　上世紀(jì)90年代，弦理論已經(jīng)成為“萬有理論”的主要候選者。弦論的一個(gè)基本觀點(diǎn)是，自然界的基本單元不是點(diǎn)狀粒子，而是非常細(xì)微的線狀的“弦”，這些弦在9+1維時(shí)空里振動。為了符合我們能觀察到的4維時(shí)空，額外的空間維度必須被“壓縮”，緊致到無法被探測到。每一種緊致方法都會導(dǎo)致一個(gè)不同的宇宙。弦理論最大的挑戰(zhàn)，就是找到描述我們特定時(shí)空的唯一解。

　　這項(xiàng)工作遇到了問題。德西特宇宙（De Sitter space-time）認(rèn)為，我們生活在在一個(gè)由略大于零的宇宙學(xué)常數(shù)描述的宇宙中，所以怎樣用最簡單的方法壓縮額外的維度是弦理論學(xué)家需要努力解決的問題。

　　2003年，Shamit Kachru、Renata Kallosh、Andrei Linde和Sandip Trivedi（簡稱KKLT）提出了一種通過用弦理論構(gòu)建我們的時(shí)空的復(fù)雜方法。他們的工作被譽(yù)為理論的勝利，但卻付出了巨大的代價(jià)。

　　弦論在高能環(huán)境中生效，例如宇宙大爆炸之后。所以，為了能使該理論描述當(dāng)今能量較低的時(shí)空，弦理論必須尋找自己的有效場論。使用KKLT結(jié)構(gòu)得到的確切時(shí)空取決于額外維度是如何壓縮的。2005年，弦論學(xué)家證明這至少可以用10500種方法來實(shí)現(xiàn)，每一種都給了我們一個(gè)可行的德西特時(shí)空。其結(jié)果是一個(gè)潛在宇宙的廣闊景觀，一個(gè)多重宇宙，其中所有可以想象的時(shí)空都能存在。在這個(gè)理論空間中，真空能的取值形成了一個(gè)復(fù)雜的“地形圖”，被理論家稱之為弦景觀（String Landscape）。雖然KKLT提出了一種建立描述德西特時(shí)空的有效場論的方法，但它不能為我們的宇宙提供一個(gè)精確的理論。

　　進(jìn)入沼澤地

　　這讓哈佛大學(xué)的弦論學(xué)家Cumrun Vafa感到困擾，他對KKLT構(gòu)造的模型并不滿意。除了沒有產(chǎn)生預(yù)期的結(jié)果，他還認(rèn)為KKLT的提議在數(shù)學(xué)上過于復(fù)雜，難以驗(yàn)證。

　　Vafa開始從另一個(gè)角度看待這個(gè)問題：是否所有可能的有效場理論都能從弦論中產(chǎn)生，或者弦理論能否排除某些有效場論，從而排除掉某些類型的宇宙。他意識到，并非所有的有效理論都可以從弦論中導(dǎo)出。一旦引入引力，一些看似合理的理論就不能準(zhǔn)確地描述我們的宇宙——這是一個(gè)常見的錯(cuò)誤。Vafa將其命名為沼澤地，表示滿是站不住腳的想法。

　　最近二十年來，弦論學(xué)家們一直未能構(gòu)建出任何德西特時(shí)空的簡單模型。在他的德西特猜想中，所有有效場理論都屬于沼澤地。德西特宇宙不可能是弦理論方程的解。

　　對于Linde來說，德西特宇宙只是個(gè)未經(jīng)證實(shí)的解釋，他一直支持KKLT結(jié)構(gòu)，即一個(gè)具有宇宙學(xué)常數(shù)的宇宙可以用弦理論來描述。“這是一個(gè)復(fù)雜的故事，”他說，“一個(gè)人不應(yīng)該基于未經(jīng)證實(shí)的論據(jù)，突然放棄以前的成果。”

　　德西特的猜想“可能對，也可能不對”，Vafa表示，“當(dāng)我們進(jìn)一步研究它時(shí)，我們就會發(fā)現(xiàn)，如果被證明是正確的，它將對宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型產(chǎn)生重大影響。”根據(jù)Vafa等人的研究，其中最重要的一點(diǎn)是，暗能量密度不是一個(gè)近似常數(shù)，而是隨著時(shí)間的推移而緩慢減小。

　　如果這個(gè)結(jié)論成立，它將對宇宙的命運(yùn)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在未來數(shù)百億年內(nèi)，暗能量可能會趨于零，甚至變?yōu)樨?fù)值。然后，也許宇宙會以大坍縮而告終，而不是永遠(yuǎn)膨脹下去。

　　這種改變暗能量的形式被稱為精質(zhì)（quintessence）。精質(zhì)是一種對于暗能量的假設(shè)形式，被提出來解釋對于宇宙加速膨脹的觀測。這一觀點(diǎn)在宇宙學(xué)常數(shù)走向主流之前非常流行。

　　Linde是最早研究精質(zhì)的科學(xué)家之一，但他對此并不信服。“精質(zhì)是可能的，但它帶來的問題比它能解決的要多。”他說。過去幾年間，有跡象表明，暗能量密度的變化可能實(shí)際上解決了一場令人驚訝的宇宙學(xué)沖突。

　　這一矛盾產(chǎn)生于測量當(dāng)今宇宙膨脹速率，即哈勃常數(shù)的兩種不同方法。一種方法是通過研究附近星系中的恒星和超新星來直接測量它。另一種方法是研究宇宙微波背景，這是宇宙大爆炸后38萬年發(fā)出的第一束光，然后從這些數(shù)據(jù)推斷出今天的宇宙。兩種方法得到的結(jié)果有顯著差異。

　　大扭曲——宇宙全新階段

　　這種差異可能是實(shí)驗(yàn)誤差造成的，但也可以通過暗能量隨時(shí)間的變化來解決，即將其視為一種精質(zhì)。

　　你可能認(rèn)為遵循Vafa理論的弦論學(xué)家會為這個(gè)消息感到高興。但他們沒有。Wrase說：“哈勃常數(shù)和德西特沼澤猜想方向相反。”德西特猜想要求暗能量密度隨著時(shí)間的推移而減�。欢�只有當(dāng)暗能量密度增加時(shí)，哈勃常數(shù)問題才能得到解決。

　　至于宇宙的命運(yùn)，日益增長的暗能量密度表明，大撕裂，而不是大擠壓，正蓄勢以待。約翰·霍普金斯大學(xué)的Adam Riess說：“這是一個(gè)可怕的版本。”最終，每一處時(shí)空都有無盡的暗能量，它的斥力會撕裂一切：星系、行星、分子、原子，最終，還有時(shí)空本身。“抵抗暗能量將是徒勞的。”Riess說。

　　因此，我們似乎又回到了起點(diǎn)。暗能量正在減少，保持不變或隨著時(shí)間的推移而增加，各種觀點(diǎn)相互矛盾，宇宙的命運(yùn)岌岌可危。這就是Vafa認(rèn)為，有一種方法可以協(xié)調(diào)沼澤地猜想和哈勃常數(shù)的差異。

　　除了暗能量，宇宙中另一個(gè)看不見的組成部分是暗物質(zhì)。人們認(rèn)為暗物質(zhì)的引力將星系和星系團(tuán)聚集在一起。Vafa說，如果暗能量正在減弱，這將對暗物質(zhì)產(chǎn)生影響。“弦論告訴你應(yīng)該有一個(gè)相互作用。”Vafa發(fā)現(xiàn)，這種相互作用會導(dǎo)致暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量隨著時(shí)間的推移而減小。這改變了哈勃常數(shù)的外推值，可以縮小誤差。

　　這是否意味著宇宙正走向大凍結(jié)，而不是大擠壓或大撕裂呢？不完全是。仔細(xì)觀察會發(fā)現(xiàn)，Vafa的想法會讓其他場景都顯得平淡無奇。這意味著，幾百億年后的宇宙將徹底改變。在弦論中，這通常意味著一個(gè)新的維度被打開了。“所以這是一個(gè)全新的宇宙，用我們當(dāng)前宇宙的語言是無法描述的。我們現(xiàn)在生活在三維空間中。在這個(gè)新的理論中，它可能含有四個(gè)空間維度。”

　　任何新出現(xiàn)的空間維度都是弦論的一個(gè)額外維度從緊化中跳出的結(jié)果。這個(gè)大扭曲所產(chǎn)生的宇宙將與我們的完全不同。“一個(gè)全新的階段開始了。”Vafa說。因此，雖然宇宙仍將存在，但它將具有什么性質(zhì)，以及它的后續(xù)軌跡將是什么，目前還不清楚。

　　現(xiàn)在弦論學(xué)家通過后續(xù)實(shí)驗(yàn)，可能很快就會做出一些預(yù)測，哪怕只是些簡單的預(yù)測。例如，如果弦論學(xué)家能夠證明德西特猜想，就會導(dǎo)致一個(gè)預(yù)測，即傳統(tǒng)宇宙學(xué)所青睞的那種時(shí)空不可能存在。但如果實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了無可爭議的證據(jù)，來支持宇宙學(xué)常數(shù)和我們宇宙的德西特真空，“我們可以說弦論是錯(cuò)誤的”。

　　無論發(fā)生什么，宇宙的未來看起來一點(diǎn)也不無聊。