弦理论的新作用：现在可以描述一个拥有暗能量的宇宙

一个看似抽象的物理学装置，竟然成为解开弦理论最大困境的钥匙。马德里理论物理研究所的布鲁诺·本托和米格尔·蒙特罗利用七十多年前荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔预测的量子效应，构建出弦理论史上首个能够描述加速膨胀宇宙的显式模型。这项发表于2024年末的研究，让这个困扰理论物理学界近三十年的难题看到了曙光。

故事要从1998年说起。那一年，天文学家通过观测遥远超新星发现了暗能量的存在，证实我们的宇宙正在加速膨胀。这个震撼性的发现为两位天文学家赢得了诺贝尔奖，却给弦理论物理学家们出了一道几乎无解的难题。弦理论当时最成熟的模型只能描述能量为负值或零的宇宙，这些宇宙要么在收缩，要么处于静态平衡，与我们观测到的现实完全不符。

用专业术语说，弦理论擅长构建具有负曲率的反德西特空间，但我们生活的宇宙却是正曲率的德西特空间。这个矛盾就像试图用专门描述下坡的公式来解释登山运动，理论和现实对不上号。

卡西米尔效应的意外复活

本托和蒙特罗的突破来自于对一个古老物理现象的重新诠释。1948年，卡西米尔发现了一个奇特的量子力学效应。当两块导电板非常接近时，它们之间的真空并不真的是空无一物。量子场会在真空中不断涌现和消失，但在狭窄的板间空隙中，波长较长的量子场会被截断，无法存在。这导致板内的能量密度低于板外，从而产生一股将两板推向彼此的力。

这个效应在实验室中已经被多次验证，但很少有人想到把它应用到弦理论的紧致化过程中。所谓紧致化，是指将弦理论的十维空间转化为我们感知到的四维时空的数学操作。额外的六个维度必须卷曲成极其微小的形状，小到我们根本无法观测。

科学家们一直努力使弦理论与不断膨胀的宇宙相兼容。 纳什·韦拉塞克拉 (Nash Weerasekera) 为 《Quanta》杂志拍摄

研究团队的关键洞察是，这个容纳额外维度的六维流形内部空间，就像卡西米尔实验中的两块导电板之间的空间。在流形内部，量子场同样受到限制，产生类似的卡西米尔力。但仅有这个力还不够，它会让流形不断收缩。本托和蒙特罗引入了弦理论中的标准元素，即磁通量，来产生反向的扩张效应。磁通量由蜿蜒穿过额外维度的场线构成，它试图扩大流形的体积。

通过精心平衡这两种相反的力，研究人员计算出了一个小而为正的暗能量值。以普朗克单位表示约为十的负十五次方，虽然距离宇宙实际观测值十的负一百二十次方还有很大差距，但至少符号是对的，量级也在合理范围内。

简化的力量与五维的尴尬

这项研究的另一个亮点是它的简洁性。在选择容纳额外维度的几何形状时，本托和蒙特罗选择了环面这种最简单的拓扑结构。想象一个甜甜圈的表面，那是二维环面。他们使用的是六维版本，被称为黎曼平坦流形。这个选择大大简化了计算的复杂度。

布鲁诺·本托（左）和米格尔·蒙特罗发表了将弦理论的隐藏维度与我们宇宙的正能量联系起来的研究成果。劳拉·马科斯·马特奥斯

相比之下，2021年斯坦福大学的伊娃·西尔弗斯坦团队也提出过类似的卡西米尔效应思路，但他们选择了负曲率的双曲流形，计算难度呈指数级上升。本托和蒙特罗的简化策略让他们能够完成全面的弦理论紧致化计算，得到一个可以明确验证的显式解。

然而，这个解决方案也有一个令人头疼的问题。研究人员从M理论出发进行计算，这是一种被称为所有弦理论之母的更基础理论。M理论要求十一个维度，而不是通常弦理论的十个。当他们将六个额外维度卷曲到流形中后，剩下的竟然是五维宇宙，而不是我们生活的四维时空。

这个额外的维度就像多出来的一个轮子，让整辆理论之车变得古怪。比利时鲁汶大学的托马斯·范·里特评论说，虽然这是弦理论中首个显式德西特空间的例子，但我们并不生活在五维空间中。诺丁汉大学的安东尼奥·帕迪利亚也持谨慎态度，他认为研究开辟了新领域，但还未抵达终点。

马克·贝兰/ 《量子杂志》

时间衰减的暗能量与观测的惊人契合

有趣的是，本托和蒙特罗模型中的暗能量并非恒定不变，而是会随时间衰减。在物理学术语中，这被称为不稳定的德西特解。长期以来，大多数天文观测都支持暗能量是宇宙常数，即爱因斯坦在1917年提出的那个永恒不变的数值。

但最新的观测数据正在改写这个故事。2024年4月，暗能量光谱仪实验发布了初步结果，显示暗能量可能正在减弱。这个由美国能源部支持的大型天文项目，在过去11亿年的宇宙历史中绘制了近600万个星系的分布图。数据表明，暗能量在早期宇宙中更强，随着时间推移逐渐变弱，变得不那么强势。

2025年3月，DESI团队发布了更多数据，进一步强化了这一发现。如果这些观测结果最终被证实，那么本托和蒙特罗的不稳定德西特解反而成了一种优势，因为它与观测数据更加吻合。法国国家科学研究中心的大卫·安德里奥特指出，可变的动态暗能量比恒定的宇宙常数更容易从弦理论中获得。

Ryan Schude 为Quanta 杂志撰稿

伊娃·西尔弗斯坦 (Eva Silverstein) 于 2017 年在斯坦福大学拍摄了这张照片，她与人合著了一篇论文，这篇论文启发了本托和蒙特罗的解决方案。

未竟的征途与趋同的智慧

本托和蒙特罗已经明确表示，将五维解降到四维是他们的首要任务。如果找不到四维解决方案，他们的工作就无法成为最终答案。安德里奥特对此既充满希望又保持警惕，他说希望他们能成功，但也不会对弦理论继续设置障碍感到惊讶。

这项研究的意义超越了具体的技术细节。它证明了理论物理学中一个深刻的现象，即不同的物理系统可能遵循共同的数学原理。卡西米尔效应原本属于量子电动力学领域，却能被移植到弦理论的紧致化问题中。更令人惊讶的是，这种方法产生的暗能量性质恰好与最新的天文观测相符。

帕多瓦大学的詹圭多·达拉加塔和法比奥·茨维尔纳也独立发表了类似的研究，使用互补的技术达成了一致的结论。这种交叉验证增强了总体思路的可信度。

从更广阔的视角看，这项研究反映了理论物理学正在经历的范式转变。过去几十年，弦理论因为无法产生可观测的预言而饱受批评。但本托和蒙特罗的工作表明，通过简化模型、利用经典物理效应和关注可验证的预言，弦理论仍然可以为理解宇宙提供有价值的框架。当量子涟漪与暗能量相遇，当十一维理论试图描述四维现实，物理学的边界正在被重新定义。这场维度突围战才刚刚开始。