小小的能量，大大的谜团
一个很有争议的观点认为，我们的宇宙只是无数泡泡多重宇宙中随机的一个。这些宇宙来自于自然界中看上去最平凡无害的特征：真空。具体而言，多重宇宙假说的种子是渗透在真空中的令人费解的微小能量——即所谓的真空能量、暗能量或宇宙学常数。每立方米的真空中只含有足够让一个灯泡被点亮11万亿分之一秒的能量。诺贝尔奖得主史蒂芬·温伯格对此曾这样说道：“如鲠在喉。”[1] 真空中的能量应该至少是这个值的万亿万亿万亿万亿万亿倍，因为所有的物质场和力场都在其中穿梭。但不知何故，所有的这些场对真空的影响几乎打了个平手，制造出全然的寂静。为什么真空如此之空？
这个问题被称为“宇宙学常数问题”。虽然我们还不知道问题的答案，但对于我们的存在来说，真空的极致空白似乎是必要的。宇宙中充斥的这种引力排斥能量哪怕多一点点，空间的膨胀就会迅速到使人类、行星或星系这些结构根本无法形成。这种“微调过”的情况表明，或许有大量含有不同真空能量的宇宙存在，而我们恰巧居住在一个真空能量非常低的宇宙中，因为我们在其他地方没有出现的可能。
一些科学家不喜欢谈论“人择原理”的论调，也不喜欢多重宇宙的不可检验性。即使是那些接受多重宇宙思想的人，也希望能为宇宙学常数问题找到一个其他的解决方案。但以目前我们所掌握的信息来看，如果没有多重宇宙，宇宙学常数的问题就几乎无法解决。马里兰大学理论物理学家 Raman Sundrum 说： “暗能量的问题太棘手、太困难，以至于还没有人能想出一两个解决方案。”
为了弄清楚为什么，我们先要思考的是真空能量究竟是什么。阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论认为，物质和能量告诉时空如何弯曲，而时空的曲率告诉物质和能量如何移动。这些方程的一个自动特征是时空可以拥有自己的能量，这是一种即使不存在任何物质时也能保持恒定不变的能量，爱因斯坦称之为宇宙学常数。在过去的几十年中，宇宙学家认为宇宙的膨胀速率基本稳定，因此假设这个值为零。但是，在1998年，天文学家发现宇宙的膨胀实际上是在逐渐加速的，这意味空间中渗透着一个排斥能，也就是天文学家所说的暗能量，它几乎等同于爱因斯坦的宇宙学常数。它的存在使得宇宙膨胀得更快，而随着宇宙的膨胀，就会形成新的空间，宇宙中的排斥能总量也随之增加。
○ 暗能量导致宇宙加速膨胀。| 图片来源：NASA
然而，对这种真空能量密度的推断与量子场论对真空的描述是矛盾的（量子场论是粒子物理学的语言）。当没有粒子激发穿过时，量子场是空的。但量子物理中的不确定性原理告诉我们的是，量子场的状态永远不能确定，因此它的能量永远不会完全为零。可以将量子场想象成是由空间里每个点上的小弹簧组成，弹簧会不停地摆动，因为它们只会处于最松弛长度下的某个不确定范围内。它们总是要么过于压缩，要么过于拉伸，因此始终处于运动状态从而拥有能量，这被称为场的零点能。力场具有正的零点能量，而物质场具有负的零点能量，这些能量会加在真空总能量上，或从真空总能量中减去。
总的真空能量应该大致等于这些影响因素中最大值。（举个例子说，假设你收到一1万元礼金，即使你花出去100元，或又捡到3元，你仍然会觉得自己拥有大约1万元。）然而观测到的宇宙膨胀率表明它的值应该比零点能对它做出的贡献小60到120个数量级之间，就好像所有不同的正、负项都以某种方式被抵消了一样。而出现一个能实现这种抵消的物理机制是非常困难的，其中有两个主要原因。
首先，真空能量的唯一效应是引力效应，因此让它降低似乎需要一种引力上的机制。但是在宇宙最初时刻，当有这样一个机制已经存在时，宇宙的体积是如此之小，以至于总的真空能量相较于物质和辐射量可以忽略不计。真空能的引力效应会完全被所有其他的引力所遮盖。“这是解决宇宙常数问题中最大的困难之一。”物理学家 Raphael Bousso 于2007年写道[2]。他说，在早期宇宙条件下，一个引力的反馈机制能精确调整真空能量：“可以粗略地把这比作为要让一架飞机在风暴中按照制定好的路线，以原子尺度的精确度进行飞行。”
综合这一难点，量子场论的计算表明，在大爆炸发生后不久，真空能量的值会根据冷却宇宙中的相变产生变化。这就产生了这样一个问题，即真空能量抵消的假设机制是发生在这些转变出现之前还是之后。这种机制又是如何知道它们的效应如何，从而查漏补缺？
到目前为止，这些障碍都阻碍了在不借助多重宇宙的情况下，来解释真空中微小重量的尝试。但最近，一些研究人员正在探索一条或许可行的途径：如果宇宙没有从大爆炸中诞生，而是随着宇宙的收缩阶段反弹而来，那么在遥远的过去，收缩的宇宙将是巨大的并由真空能量所支配。或许某种引力机制可以影响到大量的真空能量，然后随着时间的推移自然地将其稀释。这种想法启发了物理学家 Peter Graham,、David Kaplan 和 Surjeet Rajendran，他们发现了一种新的宇宙反弹模型[3]，尽管他们还没能表明真空稀释在收缩宇宙中是如何运作的。
○ 宇宙从何而来？| 图片来源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine
Bousso 认为他们的方法是非常值得去尝试的。但他补充说，模型中的巨大缺口仍然存在，而“在技术上对这些缺口进行弥补并让它运作则有着非凡的意义。这一建设已经是一台鲁布·戈德堡机械（指代过分复杂的系统），在这些缺口被填补之前，它还会变得更加复杂。” 他和其他多重宇宙的拥护者通过比较，认为这种方案会更加简单。
▶ 扩展阅读：《为什么量子场才是最基本的？》
文：Natalie Wolchover
译：二宗主
原文首发于https://www.quantamagazine.org/why-the-dark-energy-problem-spawned-the-multiverse-hypothesis-20180312/。中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。
参考链接：
[1] http://hetdex.org/dark_energy.html
[2] https://arxiv.org/abs/0708.4231
[3] https://www.quantamagazine.org/big-bounce-models-reignite-big-bang-debate-20180131/