小小的能量，大大的謎團

一個很有爭議的觀點認為，我們的宇宙只是無數泡泡多重宇宙中隨機的一個。這些宇宙來自於自然界中看上去最平凡無害的特徵：真空。具體而言，多重宇宙假說的種子是滲透在真空中的令人費解的微小能量——即所謂的真空能量、暗能量或宇宙學常數。每立方米的真空中只含有足夠讓一個燈泡被點亮11萬億分之一秒的能量。諾貝爾獎得主史蒂芬·溫伯格對此曾這樣說道：「如鯁在喉。」[1]真空中的能量應該至少是這個值的萬億萬億萬億萬億萬億倍，因為所有的物質場和力場都在其中穿梭。但不知何故，所有的這些場對真空的影響幾乎打了個平手，製造出全然的寂靜。為什麼真空如此之空？

這個問題被稱為「宇宙學常數問題」。雖然我們還不知道問題的答案，但對於我們的存在來說，真空的極致空白似乎是必要的。宇宙中充斥的這種引力排斥能量哪怕多一點點，空間的膨脹就會迅速到使人類、行星或星系這些結構根本無法形成。這種「微調過」的情況表明，或許有大量含有不同真空能量的宇宙存在，而我們恰巧居住在一個真空能量非常低的宇宙中，因為我們在其他地方沒有出現的可能。

一些科學家不喜歡談論「人擇原理」的論調，也不喜歡多重宇宙的不可檢驗性。即使是那些接受多重宇宙思想的人，也希望能為宇宙學常數問題找到一個其他的解決方案。但以目前我們所掌握的信息來看，如果沒有多重宇宙，宇宙學常數的問題就幾乎無法解決。馬里蘭大學理論物理學家 Raman Sundrum 說： 「暗能量的問題太棘手、太困難，以至於還沒有人能想出一兩個解決方案。」

為了弄清楚為什麼，我們先要思考的是真空能量究竟是什麼。阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論認為，物質和能量告訴時空如何彎曲，而時空的曲率告訴物質和能量如何移動。這些方程的一個自動特徵是時空可以擁有自己的能量，這是一種即使不存在任何物質時也能保持恆定不變的能量，愛因斯坦稱之為宇宙學常數。在過去的幾十年中，宇宙學家認為宇宙的膨脹速率基本穩定，因此假設這個值為零。但是，在1998年，天文學家發現宇宙的膨脹實際上是在逐漸加速的，這意味空間中滲透著一個排斥能，也就是天文學家所說的暗能量，它幾乎等同於愛因斯坦的宇宙學常數。它的存在使得宇宙膨脹得更快，而隨著宇宙的膨脹，就會形成新的空間，宇宙中的排斥能總量也隨之增加。

暗能量導致宇宙加速膨脹。|圖片來源：NASA

然而，對這種真空能量密度的推斷與量子場論對真空的描述是矛盾的（量子場論是粒子物理學的語言）。當沒有粒子激發穿過時，量子場是空的。但量子物理中的不確定性原理告訴我們的是，量子場的狀態永遠不能確定，因此它的能量永遠不會完全為零。可以將量子場想像成是由空間里每個點上的小彈簧組成，彈簧會不停地擺動，因為它們只會處於最鬆弛長度下的某個不確定範圍內。它們總是要麼過於壓縮，要麼過於拉伸，因此始終處於運動狀態從而擁有能量，這被稱為場的零點能。力場具有正的零點能量，而物質場具有負的零點能量，這些能量會加在真空總能量上，或從真空總能量中減去。

總的真空能量應該大致等於這些影響因素中最大值。（舉個例子說，假設你收到一1萬元禮金，即使你花出去100元，或又撿到3元，你仍然會覺得自己擁有大約1萬元。）然而觀測到的宇宙膨脹率表明它的值應該比零點能對它做出的貢獻小60到120個數量級之間，就好像所有不同的正、負項都以某種方式被抵消了一樣。而出現一個能實現這種抵消的物理機制是非常困難的，其中有兩個主要原因。

首先，真空能量的唯一效應是引力效應，因此讓它降低似乎需要一種引力上的機制。但是在宇宙最初時刻，當有這樣一個機制已經存在時，宇宙的體積是如此之小，以至於總的真空能量相較於物質和輻射量可以忽略不計。真空能的引力效應會完全被所有其他的引力所遮蓋。「這是解決宇宙常數問題中最大的困難之一。」物理學家 Raphael Bousso 於2007年寫道[2]。他說，在早期宇宙條件下，一個引力的反饋機制能精確調整真空能量：「可以粗略地把這比作為要讓一架飛機在風暴中按照制定好的路線，以原子尺度的精確度進行飛行。」

綜合這一難點，量子場論的計算表明，在大爆炸發生後不久，真空能量的值會根據冷卻宇宙中的相變產生變化。這就產生了這樣一個問題，即真空能量抵消的假設機制是發生在這些轉變出現之前還是之後。這種機制又是如何知道它們的效應如何，從而查漏補缺？

到目前為止，這些障礙都阻礙了在不藉助多重宇宙的情況下，來解釋真空中微小重量的嘗試。但最近，一些研究人員正在探索一條或許可行的途徑：如果宇宙沒有從大爆炸中誕生，而是隨著宇宙的收縮階段反彈而來，那麼在遙遠的過去，收縮的宇宙將是巨大的並由真空能量所支配。或許某種引力機制可以影響到大量的真空能量，然後隨著時間的推移自然地將其稀釋。這種想法啟發了物理學家 Peter Graham,、David Kaplan 和 Surjeet Rajendran，他們發現了一種新的宇宙反彈模型[3]，儘管他們還沒能表明真空稀釋在收縮宇宙中是如何運作的。

宇宙從何而來？| 圖片來源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

Bousso 認為他們的方法是非常值得去嘗試的。但他補充說，模型中的巨大缺口仍然存在，而「在技術上對這些缺口進行彌補並讓它運作則有著非凡的意義。這一建設已經是一台魯布·戈德堡機械（指代過分複雜的系統），在這些缺口被填補之前，它還會變得更加複雜。」 他和其他多重宇宙的擁護者通過比較，認為這種方案會更加簡單。

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