尽管真空有能量,然而了解能量的大小却是主要的难题。一种解释是循环大爆炸假说;另一种则是人择原理——

斯坦哈特与图洛克合著的《无尽的宇宙》

　　量子力学中最奇特的结论之一就是真空具有能量。如何计算真空的能量已经无可争议地成为了理论物理领域中最具魅力的问题之一。几十年来,物理学界试图了解为什么真空能如此之小,但问题的确切答案始终没有找到。为了解决这个问题,物理学家斯坦哈特(P.J.Steinhardt)和图洛克(N.Turok)提出了一条新的途径。

　　真空是空空如也的空间,然而它却并不是什么都没有。这是一个复杂的物理图像,在真空中的一些粒子,例如,电子、正电子和光子,通过量子涨落不断地产生和湮灭。这些虚粒子的寿命仅仅在刹那之间,但是它们却赋予了真空非零的能量。这种真空能密度被称为不随时间变化的“宇宙学常数”,通常用希腊字母Λ来表示。问题是Λ的理论计算值大得惊人,比观测值大120个量级。根据爱因斯坦的广义相对论,真空能产生与引力作用相反的斥力作用,如果真空能太大,那么它就可能会在瞬间把宇宙“撕碎”。

　　可以想象得出,由一些粒子所产生的正的真空能量会被另一些粒子所产生的负的真空能量所抵消,所以最后的净结果是接近于零。但另一方面,这种抵消却是令人惊讶地精确,达到小数点以后120位。还没有一个很好的理由来解释这样一个奇迹般的对消现象。直到最近,许多物理学家认为:如果一些量实在太小的话很可能就等于零,一些隐藏的对称性应该会使宇宙学常数项的所有贡献精确地相互抵消。然而,20世纪90年代末对于遥远超新星爆发的观测得出了令人惊奇的发现,宇宙的膨胀是随着时间加速的——预示了一个非零(正的)宇宙学常数项所引起的斥力作用。

　　而Λ的观测值又带来了一个问题:它的值大约是宇宙中物质平均能量密度(或者可以等价成物质密度)的二倍。这一点令人称奇,因为物质和真空能量密度随着宇宙的膨胀有着大不相同的演化。真空能密度保持常数,而物质密度却在减少(过去物质密度要比现在大得多,而未来又会比现在小得多)。那么,为什么我们碰巧生活在两种密度如此接近的时期呢?这就成为了众所周知的宇宙巧合问题。

　　如果试着假定宇宙学常数不是一个常数,而是在宇宙遥远的过去和未来取不同的值,那么这两个问题就能得到解决。在那些宇宙学常数比观测值大很多的区域,它的斥力作用将更强劲而阻止物质成团为星系和恒星。在这样的区域中也不会演化出生命。

　　“人择原理”——宇宙的特征由是否能被其中的观测者探测到所决定——与物理学家们希望由第一性原理导出所有的自然常数背道而驰。人择原理被物理学界所不容,但最近它赢得了来自弦理论和宇宙学的支持。作为最有希望的自然基本理论,弦理论预言了由以Λ和其他常数的不同值为特征的大量的真空态。已被坚实的观测所支持的暴涨宇宙学,要求最大尺度的宇宙处于高能指数膨胀的状态,并且不断地产生像我们所生活的宇宙一样的低能宇宙,而在不同的宇宙中有着不同的常数值。星系和观测者仅仅存在于少数的几个宇宙中,在那里Λ很小,而且其他的常数也要被恰当地选择。分析表明,绝大多数星系形成于真空和物质密度在其形成时期大致相同的区域中。我们目前所处的时期就接近这一区域,这就解释了宇宙巧合问题。

　　斯坦哈特和图洛克提出对于Λ取值很小的又一个解释。以阿波特(Abbott)理论为基础,他们假设存在一系列的真空态,其中从一个态到另一个态Λ有微小的增加。如果宇宙开始之初有一个很大的宇宙学常数值,那么它的值将通过量子相变逐渐变得越来越小。阿波特证明了当Λ接近零时,量子相变会变得越来越慢,因此宇宙会长期处于Λ接近最小正值的状态。然而,他发现Λ在降低的过程中会花费相当长的时间,以至于所有的物质随着宇宙的膨胀被完全地稀释,并且产生了一个真空宇宙。为了弥补这个瑕疵,斯坦哈特和图洛克把阿波特的模型与循环宇宙模型结合在一起。在循环宇宙模型中宇,宇宙经历了多次的膨胀和收缩循环。而物质的高密度又产生于每次循环之初,所以真空宇宙的问题得以解决。当宇宙处于Λ的最小值时,绝大部分的循环将会发生,而且斯坦哈特和图洛克还声称:这一时期很可能会被观测到。

　　尽管斯坦哈特和图洛克的提议或许解释了Λ取值很小的原因,但它并不能解释宇宙巧合问题,即为什么Λ的最小可能值与宇宙现在的密度相当?因此,人择原理的解释似乎更具说服力。