构建将广义相对论和量子场论统一起来的万物理论是许多理论物理学家的梦想，而弦理论是万物理论的一个有力候选者。不过弦理论预言存在10500种不同的时空，每一个都具有自己的物理学定律，这就形成了巨大的弦景观（String Landscape）。但物理学家发现，许多看上去自洽的有效理论和弦理论并不兼容，那么它们就不属于弦景观，只能被排除到所谓的“弦沼泽地（Swampland）”当中。最近的一项研究基于弦沼泽地猜想，对暗能量的动力学性质进行了细致的研究。
撰文 | 蔡一夫（中国科学技术大学）
自美国天文学家哈勃发现宇宙膨胀之后的半个多世纪以内，物理学家们认为我们的宇宙膨胀速度理应是越来越慢的，这是因为大多数物质的万有引力效应是相互吸引的。然而这一观点于1998年两组天文学家在观测遥远星系中的超新星退行速度时被彻底推翻了，我们的宇宙正在经历加速膨胀。
根据广义相对论，如果有什么奇异的物理起源能够驱动整个宇宙进行加速膨胀的话，那么它会拥有和普通物质截然不同的性质——负的压强，物理学家把宇宙中这种奇异的能量形式称为“暗能量”。后来，宇宙微波背景辐射、重子声学振荡等天文观测进一步确立了宇宙今天在加速膨胀的事实。而且现在我们知道，暗能量占据了宇宙总能量密度的近70%。然而，暗能量的物理本质目前仍然是个谜团。例如，对暗能量最简洁有效的描述是爱因斯坦在一百年前引入的宇宙学常数。在一个正的宇宙学常数主导的宇宙中，宇宙将会趋向于一段指数形式的加速膨胀，如果再考虑进去30%组分的暗物质和普通重子物质，就可以成功地刻画我们宇宙诞生之后的热膨胀历史。但是，为什么暗能量与暗物质和可见物质的比分是一个数量级的？暗能量是否具有其他动力学性质？这些都亟需宇宙学家的研究。
暗能量与其他物质共同驱动宇宙演化的热历史。 | 图片来源：WMAP/NASA
在最近的一项研究当中，瑞士苏黎世大学、德国海德堡大学、加拿大麦吉尔大学、苏黎世天文所的物理学家们（拉薇妮娅·海森伯格、马蒂亚斯·巴特尔曼、罗伯特·布兰登伯格、亚历山大·雷弗里吉尔）基于来自弦理论中所给出的“沼泽地”猜想，针对暗能量的动力学性质进行了细致的研究，并结合当前的宇宙学观测给出了新的暗能量理论约束。论文分别发表在Physical Review D[1]和SCIENCE CHINA-Physics, Mechanics & Astronomy[2]期刊上。
由弦理论导出的所有有效理论描述了四维宇宙的各种可能性，形成了巨大的弦景观。而早在2005年以瓦法为代表的弦论家们就提出了弦沼泽地的概念。他指出，并非所有的有效理论都可以从弦理论中导出。有许多看上去自洽的有效理论其实和弦理论并不兼容，那它们就不属于弦景观，只能被排除到所谓的“沼泽地”当中。那么有没有判据可以告诉我们，什么样的有效理论跟弦理论是兼容的，什么样的无法在弦理论中实现呢？
由于对量子引力的深刻理解还相差甚远，物理学家们只能根据现有的一些蛛丝马迹来拼凑可能合理的理论判据，而这些判据就是所谓的“沼泽地”猜想。一个著名的例子是“弱引力”猜想，该猜想认为，在合理的量子引力理论中引力作用必须是所有相互作用中最弱的[3]。换言之，如果一个理论包含了比引力还要弱的相互作用，那它很可能就处在沼泽地里。在过去的十多年，这一猜想已经对弦理论中所构造的各种宇宙学图像产生了不小的理论限制。
在2018年夏季，瓦法等人提出了一个新的“沼泽地”猜想[4, 5]：弦理论中给出的取值为正的真空能必须随着宇宙的膨胀而衰减，并且衰减速度是非常快的。这一看似简单直白的猜想论点，对宇宙学的研究会产生非同小可的影响。这是因为，如果这一论点正确的话，那么弦理论与我们过往所认知的宇宙加速膨胀现象将存在极大的不兼容性！
弦理论中的“沼泽地”猜想艺术概念图。 | 图片来源：Harvard University
在最新的研究[2]中，拉薇妮娅·海森伯格等人指出，如果考虑一个指数形式的势能函数，那么一个正则标量场所刻画的暗能量模型将会面对来自诸多宇宙学实验的观测数据和“沼泽地”猜想的共同约束。他们采用了超新星、宇宙微波背景辐射、重子声学振荡以及哈勃常数测量等最新的实验数据，并得出结论：对于一个正则标量场的动力学行为所依赖的势能函数，它的势能函数坡度将必须是极为平坦的，确切地说，在约95%置信度的概率统计上，该暗能量模型的坡度参数 λ>0.9 的参数空间会被“沼泽地”猜想所排除。并且，随着天文实验数据的日益增长，该限制将会变得越来越严格。不久的将来，我们基于宇宙学的实验平台对弦理论进行检验或许能够梦想成真！
生活在“沼泽地”中的暗能量所主导的宇宙艺术概念图。| 图片来源：Quanta Magazine
参考文献
[1] “Dark Energy in the Swampland”, Lavinia Heisenberg, Matthias Bartelmann, Robert Brandenberger, Alexandre Refregier, Phys. Rev. D 98(12) : 123502 (2018) , e-Print: arXiv:1808.02877 [astro-ph.CO]
[2] “Dark Energy in the Swampland II”, Lavinia Heisenberg, Matthias Bartelmann, Robert Brandenberger, Alexandre Refregier, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 62(9): 990421 (2019), e-Print: arXiv:1809.00154 [astro-ph.CO] （点击左下角“阅读原文”可读全文）
[3] “The String Landscape, Black Holes and Gravity as the Weakest Force”, Nima Arkani-Hamed, Lubo? Motl, Alberto Nicolis, Cumrun Vafa, JHEP 0706: 060 (2007), e-Print: arXiv:0601001 [hep-th]
[4] “De Sitter Space and the Swampland”, Georges Obied, Hirosi Ooguri, Lev Spodyneiko, Cumrun Vafa, e-Print: arXiv:1806.08362 [hep-th]
[5] “On the Cosmological Implications of the String Swampland”, Prateek Agrawal, Georges Obied, Paul Steinhardt, Cumrun Vafa, Phys. Lett. B 784: 271-276 (2018), e-Print: arXiv:1806.09718 [hep-th]
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