弦理論或能統一自然力，卻解釋不了加速膨脹的宇宙。新設想大膽重塑現實：我們或住在高維與虛無邊緣的膜上，存在如影子般虛幻。

弦理論被視為“萬物理論”的最佳候選。它將常規物理學的紛亂線索編織成一幅壯麗的高維畫卷，能統一自然界四種力——包括最難搞定的引力。如果運氣好，它還能馴服大爆炸和黑洞，不至於迷失方向。可惜有個致命缺陷：它無法解釋像我們這樣加速膨脹的宇宙。

這問題已經困擾了25年。弦理論的數學能描繪出無數可能的宇宙——據說有10的500次方那麼多，數量大到超乎想像，簡直是對預測科學的嘲弄。但它偏偏搞不定我們這個宇宙。1990年代末，天文學家通過遙遠超新星觀測發現，我們的宇宙正越脹越快。這對物理學家來說是個謎，對弦理論家則是場災難。沒人知道是什麼驅動這種加速，常用“暗能量”來搪塞，可理論上，這種事壓根不該發生。

宇宙的加速膨脹聽起來稀鬆平常，可弦理論卻束手無策。原因藏在時空幾何里。Albert Einstein的廣義相對論和後來的Willem de Sitter給出了答案：時空可能是球形且加速膨脹的“de Sitter空間”，也可能是馬鞍形且無法膨脹的“anti-de Sitter空間”。弦理論偏愛後者，認為只有它穩定。可天文數據卻明明白白告訴我們，我們活在de Sitter空間裡。“有人懷疑，這種宇宙在弦理論里根本不可能，”瑞典Uppsala大學的Ulf Danielsson說，“到現在，我們還是沒搞清楚。”

弦理論的起點其實很樸實。1960年代末，它只是個簡單方程，用來解釋質子、中子等粒子在強力作用下的碰撞。那時沒人叫它弦理論，直到物理學家發現，這些碰撞概率可以看作量子弦的振動，才有了新名字。他們開始猜想，這些弦不僅是理解粒子的工具，或許就是粒子本身。電子、誇克、Higgs玻色子——每種基本粒子都可能是根極細小弦的末端，奏著獨特音調。

起初，弦理論在強力計算上栽了跟頭，但很快在別處開花結果。自然界有四種力：弱力管放射性，電磁力關乎光和日常化學，引力則是個怪咖，讓萬物相吸，還有黏合粒子的強力。弦理論最先搞定了引力，這是之前量子理論從沒做到過的。後來，弱力、電磁力和強力也陸續被它收編，一下子成了萬物理論的頭號種子選手。

它的數學很狂野，需要10維時空。我們熟悉的只有4維——3個空間加1個時間——但弦理論家相信還有6維，只是小到肉眼和儀器都看不到。這些額外維度讓方程運轉起來，給弦提供了蜷縮的空間，也順帶引出了一堆怪東西，比如叫“膜”的高維物體，簡稱brane。畢竟那是1980年代，一切皆有可能。

可弦理論太靈活了，描述的宇宙多得離譜，幾乎沒法預測。更糟的是，它和現實脫節。Danielsson回憶：“人們開始懷疑，我們的宇宙是不是壓根不在它的範圍里。”不過，最近有個瘋狂的想法冒了出來，或許能救場。簡單說，我們得把宇宙想像成更大圖景的一部分——一個嵌在高維超空間和虛無之間的薄膜。“我們的存在就像影子，投在世界盡頭的牆上，”英國Nottingham大學的Antonio Padilla這樣描述。

這想法的種子早在1999年就埋下了。當時，Lisa Randall和Raman Sundrum為了解決弦理論的另一個難題，提出了高維brane的概念。他們發現，兩個5維anti-de Sitter時空之間，可以夾一個4維的brane，正好像我們的宇宙。後來Randall和Andreas Karch還證明，這個brane會自然加速膨脹。可惜，這模型夾在兩個巨型AdS時空中間，穩定性堪憂，沒能徹底解決問題。

五年前，Danielsson和Uppsala大學的團隊靈光一閃：“如果不穩定性不是問題呢？能不能反過來利用它？”每個時空模型都有能量織在結構里，決定其中粒子、弦和brane的行為。如果能量不是最低，量子力學說它就不穩定，隨時可能“衰變”成新宇宙。他們設想一個5維AdS時空從高能量起步，哪怕一小塊衰變，也會迅速形成低能量的“暗泡”。這泡被4維de Sitter時空包裹，和我們的宇宙一模一樣。關鍵是，它從不穩定中誕生，不再受其擺布。

這暗泡膜不太穩，時不時會冒出新泡，層層嵌套，形成多元宇宙。我們所謂的大爆炸，只是母泡生出我們這泡的瞬間。Danielsson覺得這比傳統大爆炸理論更直觀：“常聽人說大爆炸像氣球脹進空間，但其實外面沒空間。可有了暗泡，外面還真有東西。”

可這泡也有隱患，尤其是引力的問題。引力弱得離譜，一個冰箱磁鐵就能對抗整顆星球的拉力。弦理論說，10維里引力被稀釋了，可如果它漏得太多，行星和銀河系早散架了。Padilla認為，暗泡多元宇宙無限大，引力隨便漏，Danielsson團隊只好加了些5維弦，把引力拴在膜上。

“他們得費盡心思讓引力顯得4維，”Padilla說。於是，他和Nottingham的Ben Muntz、Paul Saffin另闢蹊徑：去掉多元宇宙，只留一個泡。沒了無限時空，引力漏得少，弱而不散。我們的4維世界成了5維泡和虛無之間的屏障，真成了“世界盡頭”的膜。“當然，這也有麻煩，”Padilla笑說，“虛無是什麼？有還能生出東西？”

從無到有的問題自古難解。哲學家早就問：沒東西時，空間、時間、物質咋來的？物理學研究關係，怕是答不了。可2012年，Adam Brown和Alex Dahlen在Princeton大學時，借Ed Witten的思路，提出無限彎曲的AdS時空——像紙被揉成極小一點——是最接近“虛無”的定義。那兒啥也裝不下，但量子力學不認輸，總能擠出點空間讓泡誕生。

Nottingham團隊想用這招，可無限彎曲的母時空咋生出正常泡？幸好，物理學家有辦法。量子場論里，他們常“重整化”方程，去掉無限項，預測粒子碰撞准得驚人。去年，Padilla他們用類似招數，算出了有限彎曲泡的誕生。“結果就是個世界盡頭的膜，外面啥也沒有，”他說。

這麼說，我們的宇宙可能真是這膜，外面是虛無，裡面是5維泡。日常的弦其實活在5維里，我們看到的粒子只是弦端在4維上的投影，像影子般虛幻。可這想法還不是完整的弦理論，只有5維，得把剩下6維塞進去。德國Max Planck研究所的Ralph Blumenhagen說：“要把這嵌進弦理論，還會撞上新牆。”

西班牙的Angel Uranga也提醒：“這可能是技術難題，也可能是根本障礙。”但測試已有眉目。物理學家能通過實驗看引力是否漏進額外維度，比如桌面實驗或黑洞觀測，也能在粒子對撞機找引力子的能量信號。只是現在精度不夠，未來可期。

這些瘋狂點子給弦理論注入了新活力。Blumenhagen說：“現在下結論還早。”可要是我們真活在膜上，宇宙的加速膨脹或許不是弦理論的末日，而是新篇章的起點。現實，也許比我們想的怪得多。

本文譯自 New Scientist，由 BALI 編輯發佈。