當暗能量遇見“沼澤地”猜想_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2019-06-16 10:06
撰文 | 蔡一夫（中國科學技術大學）
來源：中國科學雜誌社
構建將廣義相對論和量子場論統一起來的萬物理論是許多理論物理學家的夢想，而弦理論是萬物理論的一個有力候選者。不過弦理論預言存在
種不同的時空，每一個都具有自己的物理學定律，這就形成了巨大的弦景觀（String Landscape）。但物理學家發現，許多看上去自洽的有效理論和絃理論並不兼容，那麼它們就不屬於弦景觀，只能被排除到所謂的“弦沼澤地（Swampland）”當中。最近的一項研究基於弦沼澤地猜想，對暗能量的動力學性質進行了細緻的研究。
自美國天文學家哈勃發現宇宙膨脹之後的半個多世紀以內，物理學家們認為我們的宇宙膨脹速度理應是越來越慢的，這是因為大多數物質的萬有引力效應是相互吸引的。然而這一觀點於1998年兩組天文學家在觀測遙遠星系中的超新星退行速度時被徹底推翻了，我們的宇宙正在經歷加速膨脹。
根據廣義相對論，如果有什麼奇異的物理起源能夠驅動整個宇宙進行加速膨脹的話，那麼它會擁有和普通物質截然不同的性質——負的壓強，物理學家把宇宙中這種奇異的能量形式稱為“暗能量”。後來，宇宙微波背景輻射、重子聲學振盪等天文觀測進一步確立了宇宙今天在加速膨脹的事實。而且現在我們知道，暗能量佔據了宇宙總能量密度的近70%。然而，暗能量的物理本質目前仍然是個謎團。例如，對暗能量最簡潔有效的描述是愛因斯坦在一百年前引入的宇宙學常數。在一個正的宇宙學常數主導的宇宙中，宇宙將會趨向於一段指數形式的加速膨脹，如果再考慮進去30%組分的暗物質和普通重子物質，就可以成功地刻畫我們宇宙誕生之後的熱膨脹歷史。但是，為什麼暗能量與暗物質和可見物質的比分是一個數量級的？暗能量是否具有其他動力學性質？這些都亟需宇宙學家的研究。
暗能量與其他物質共同驅動宇宙演化的熱歷史。 | 圖片來源：WMAP/NASA
在最近的一項研究當中，瑞士蘇黎世大學、德國海德堡大學、加拿大麥吉爾大學、蘇黎世天文所的物理學家們（拉薇妮婭·海森伯格、馬蒂亞斯·巴特爾曼、羅伯特·布蘭登伯格、亞歷山大·雷弗裏吉爾）基於來自弦理論中所給出的“沼澤地”猜想，針對暗能量的動力學性質進行了細緻的研究，並結合當前的宇宙學觀測給出了新的暗能量理論約束。論文分別發表在Physical Review D **[1]**和SCIENCE CHINA-Physics, Mechanics & Astronomy **[2]**期刊上。
由弦理論導出的所有有效理論描述了四維宇宙的各種可能性，形成了巨大的弦景觀。而早在2005年以瓦法為代表的弦論家們就提出了弦沼澤地的概念。他指出，並非所有的有效理論都可以從弦理論中導出。有許多看上去自洽的有效理論其實和絃理論並不兼容，那它們就不屬於弦景觀，只能被排除到所謂的“沼澤地”當中。那麼有沒有判據可以告訴我們，什麼樣的有效理論跟弦理論是兼容的，什麼樣的無法在弦理論中實現呢？
由於對量子引力的深刻理解還相差甚遠，物理學家們只能根據現有的一些蛛絲馬跡來拼湊可能合理的理論判據，而這些判據就是所謂的“沼澤地”猜想。一個著名的例子是“弱引力”猜想，該猜想認為，在合理的量子引力理論中引力作用必須是所有相互作用中最弱的**[3]**。換言之，如果一個理論包含了比引力還要弱的相互作用，那它很可能就處在沼澤地裏。在過去的十多年，這一猜想已經對弦理論中所構造的各種宇宙學圖像產生了不小的理論限制。
在2018年夏季，瓦法等人提出了一個新的“沼澤地”猜想**[4, 5]**：弦理論中給出的取值為正的真空能必須隨着宇宙的膨脹而衰減，並且衰減速度是非常快的。這一看似簡單直白的猜想論點，對宇宙學的研究會產生非同小可的影響。這是因為，如果這一論點正確的話，那麼弦理論與我們過往所認知的宇宙加速膨脹現象將存在極大的不兼容性！
弦理論中的“沼澤地”猜想藝術概念圖。 | 圖片來源：Harvard University
在最新的研究**[2]**中，拉薇妮婭·海森伯格等人指出，如果考慮一個指數形式的勢能函數，那麼一個正則標量場所刻畫的暗能量模型將會面對來自諸多宇宙學實驗的觀測數據和“沼澤地”猜想的共同約束。他們採用了超新星、宇宙微波背景輻射、重子聲學振盪以及哈勃常數測量等最新的實驗數據，並得出結論：對於一個正則標量場的動力學行為所依賴的勢能函數，它的勢能函數坡度將必須是極為平坦的，確切地説，在約95%置信度的概率統計上，該暗能量模型的坡度參數 λ>0.9 的參數空間會被“沼澤地”猜想所排除。並且，隨着天文實驗數據的日益增長，該限制將會變得越來越嚴格。不久的將來，我們基於宇宙學的實驗平台對弦理論進行檢驗或許能夠夢想成真！
生活在“沼澤地”中的暗能量所主導的宇宙藝術概念圖。| 圖片來源：Quanta Magazine
參考文獻
[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] （點擊左下角“閲讀原文”可讀全文）
[3] “The String Landscape, Black Holes and Gravity as the Weakest Force”, Nima Arkani-Hamed, Luboš 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]
版權聲明：本文經授權轉載自微信公眾號“中國科學雜誌社”。
《返樸》，致力好科普。國際著名物理學家文小剛與生物學家顏寧聯袂擔任總編，與幾十位學者組成的編委會一起，與你共同求索。關注《返樸》（微信號：fanpu2019）參與更多討論。二次轉載或合作請聯繫[email protected]。
相關閲讀
2 現實中的“降維攻擊”導致二維拓撲量子物態 | 文小剛點評
3 全息的宇宙