科學家或發現弦理論首個觀測證據，新模型認為時空具量子性，其推論與暗能量觀測數據驚人吻合，有望揭示宇宙加速膨脹本質。

物理學家們提出了一種全新的時空模型，這或許為弦理論提供了“第一個觀測性證據”。根據一項新的預印本研究，這個模型甚至可能解開暗能量之謎——那股驅動宇宙加速膨脹的神秘力量。

研究者們的計算揭示，在微乎其微的尺度下，時空展現出深刻的量子特性，這與我們日常體驗中那個平滑、連續的世界截然不同。他們的發現指出，時空的座標是“不可交換”的，這意味著它們在數學方程中出現的先後順序，會直接影響計算結果。這種特性，其實與量子力學里描述粒子位置和速度的方式頗為相似。

而這種由弦理論預言的量子時空，其最驚人的推論之一，便是它自然而然地導向了宇宙的加速膨脹。更令人振奮的是，研究團隊發現，模型預測的加速膨脹隨時間減緩的速率，竟然與暗能量光譜儀器(DESI)最新觀測到的數據驚人地吻合。

研究的合著者、紐約州立大學奧爾德韋斯特伯里分校的教授 Michael Kavic 通過郵件向 Live Science 解釋道：“如果透過我們研究的視角來看，那麼DESI的觀測結果，或許可以被視為支援弦理論的第一個觀測證據，甚至可能是弦理論與量子引力理論首次展現出的、可被觀察到的具體效應。”

回溯到1998年，宇宙膨脹的奧秘迎來了轉捩點。當時，兩個獨立的研究團隊——超新星宇宙學專案組和高紅移超新星搜索隊，不約而同地發現了一個驚人事實：宇宙的膨脹非但沒有像先前認為的那樣減速，反而正在加速進行！他們的依據來自對遙遠超新星的觀測，這些瀕死恆星的亮度遠低於預期。這一發現強烈暗示著，宇宙空間中瀰漫著一種未知的神秘力量，後來人們將其命名為“暗能量”。

然而，暗能量究竟從何而來，始終是個懸而未決的謎題。一種流行的假說推測，它可能源自真空中的量子漲落，就像電磁場中觀察到的現象一樣。可是，當物理學家們嘗試基於這個想法去計算宇宙的膨脹率時，結果卻令人瞠目結舌：理論計算值竟然比觀測值大了整整120個數量級！這個巨大的鴻溝，無疑是對現有理論的嚴峻挑戰。

近期來自DESI的觀測數據，更是給這個謎團增添了新的複雜性。按照粒子物理學的標準模型，如果暗能量僅僅是真空能量的一種體現，那麼它的密度應該在整個宇宙歷史中保持恆定不變。但DESI的數據卻揭示了一個不同的故事：宇宙的加速膨脹率並非一成不變，而是在隨著時間推移逐漸減緩。這一點，恰恰是標準模型所無法解釋的。

為了突破這些理論困境，研究者們將目光投向了弦理論——當前最有希望統一引力與量子力學的候選理論之一。與標準模型將基本粒子視為無體積的“點”不同，弦理論描繪了一個更為精妙的圖景：構成萬物的基本單元並非點，而是極其微小、不斷振動的一維“弦”。這些弦的不同振動模式，對應著我們觀察到的各種不同粒子，其中就包括傳遞引力相互作用的假想粒子——引力子。

在一篇新近發佈於預印本資料庫arXiv、尚未經過同行評審的論文中，來自弗吉尼亞理工大學的物理學家 Sunhaeng Hur、Djordje Minic、Tatsu Takeuchi，以及來自威特沃特斯蘭德大學的 Vishnu Jejjala 和前文提到的 Michael Kavic，共同運用弦理論對量子層面的時空進行了深入分析。

他們採用弦理論的框架來替代標準模型對基本粒子的描述，由此發現，時空本身在最基礎的層面上就具有內稟的量子性和非對易性。正是這種對經典物理學觀念的根本性突破，使得他們能夠不再僅僅依賴實驗數據去擬合暗能量的性質，而是直接從一個基礎物理理論出發進行推導。

令人驚喜的是，他們的模型不僅計算出了與當前觀測數據高度吻合的暗能量密度值，更準確地預測了這種能量密度會隨著時間的流逝而逐漸降低——這恰好與DESI的最新觀測結果不謀而合。

這項研究成果中最引人深思的一點，或許在於它揭示了暗能量的數值竟然同時取決於兩個尺度懸殊的物理量：一個是代表量子引力基本尺度的普朗克長度，小到大約10⁻³³釐米；另一個則是浩瀚宇宙自身的尺度，橫跨數十億光年。在物理學中，將如此極端微觀與極端巨集觀的尺度聯繫起來是極為罕見的，這強烈暗示著暗能量可能深深植根於時空本身的量子屬性之中。

Michael Kavic 指出：“這暗示著量子引力與那些我們過去認為是恆定不變的宇宙動力學特性之間，可能存在著比預想中更深層次的關聯。也許我們一直以來都存在一個根本性的誤解，那就是認為宇宙的基本屬性是靜止不變的，但事實或許並非如此。”

當然，儘管這個團隊對宇宙加速膨脹的解釋堪稱理論上的重大突破，但其模型的正確性仍需通過獨立的實驗檢驗來最終確認。值得慶幸的是，研究者們已經提出了一些具體的實驗方案來驗證他們的想法。佛吉尼亞理工大學的物理學家、論文合著者 Djordje Minic 通過郵件解釋說，其中一個關鍵的驗證途徑，“涉及到探測一種複雜的量子干涉圖樣。這種現象在標準的量子物理框架下是不可能出現的，但根據量子引力理論，它卻應該存在。”

所謂干涉，是指當波(例如光波或物質波)疊加時，它們會相互增強或抵消，從而形成獨特的圖樣。在傳統的量子力學中，干涉遵循著明確的規則。然而，某些量子引力模型預測存在更複雜的相互作用，會產生超越標準模式的“高階干涉”效應。若能在實驗室中捕捉到這類效應，無疑將是對量子引力理論的革命性檢驗。Minic 補充道：“這些都是可以在不久的將來——比如三到四年內——在實驗臺上進行的實驗。”

當然，研究團隊並未止步於理論構建，等待實驗結果的最終宣判。他們正持續深化對量子時空的理解，並積極探索其他可能驗證其理論的途徑。

一旦這些發現得到證實，那將不僅僅是解開暗能量之謎的里程碑式突破，更將歷史性地為弦理論——這個基礎物理學領域孜孜以求數十年的終極理論之一——提供首個堅實的觀測證據。

本文譯自 Live Science，由 BALI 編輯發佈。