这是一个非常让人激动又给人以挫败感的过程。我们过去认为，我们首先排除的就应该是大尺度的额外维度，因为大尺度的额外维度与低能量相联系，而低能量是我们目前可以在实验中做到的。然而现在，由于空间曲率的存在，所以有理论认为，存在一个无穷的四维空间，并且还与三维空间的特征相似，无法直接区分。
如果它们之间存在差异，那也是非常小的。例如，可能两个世界中黑洞的行为不同。由于能量可以从膜上泄漏，所以当黑洞衰退时它可能向额外维度中吐出粒子，导致黑洞的衰退速度加快。目前物理学家们正在做一些有趣的模拟实验，看如果引力子集中于膜周围的额外维度，那么黑洞看起来是怎么样的。然而，初步实验表明，像其他物体一样，三维或四维理论中的黑洞并不会表现出明显的差异。由于额外维度的存在，空间的整体结构会有无数种可能性。空间可能有不同的维数，或者空间中会存在任意数目的膜。膜并不必须有三维加一维，它可能有其他与我们所处的或与我们平行的膜不同的组成方式。这就带来了一个关于空间总体结构的一个非常有意思的问题：当膜的个数不同时，空间随时间的演化是不同的。那膜上或许会汇聚一系列我们不知道的力和粒子，这将会对宇宙学产生很大影响。
在以上例子中，物理学定律无论是在膜上还是在主体中，看起来都是三维的。就算在远离普朗克膜的地方，尽管有着更加微弱的引力耦合，物理学定律依然是三维的。在与安德烈亚斯·卡奇（Andreas Karch）的合作中，我们发现了一种更加惊人的可能性：不仅额外维度可以是无穷大的，不同区域的物理学定律也可以反映不同的维度。引力只位于我们附近，因为我们附近的区域看起来是三维的，而更远处的区域则反映了更高的空间维度。所以我们看到的三维并不是因为空间只有三维，而是因为我们被困在膜上，引力只集中在膜的附近，而周围空间并未察觉我们这个低维的“孤岛”。物质还是有可能进出这个孤立的四维区域的，当它们进入或离开我们的领域时会出现或消失。这种现象在实际中很难被观测到，但关于这些结构是如何互相融合的，在理论上有很多有趣的问题。
这些理论是否正确，从实验的角度来回答这个问题并无必要，但在理论方面还是有一定的探讨价值的，比如它们中的某些是否挑战了基本理论。我们用到了弦理论的基本构成元素，即膜的存在和额外维度，但我们很想了解是否真的存在膜结构。你能利用弦理论给出的膜来构建一个引力只存在于膜附近的宇宙吗？你是否能通过弦理论或者一些更加基础的理论来推得这个模型，是非常重要的。我们目前并没有做这件事情，并不说明它不存在，我和安德烈亚斯在弦理论基础上建立的理论已经是一个进步。解决这些复杂的几何结构是异常困难的。总之，已经被解决的问题虽然看起来非常困难，但从很多方面来看已经是简单的问题了。还有很多工作亟待去做，很多惊喜等我们去发现，并且还会对其他领域的工作产生一定的影响。
以宇宙学为例，阿兰·古斯提出的暴胀模型对于宇宙的迅速膨胀模拟得非常好，但还有其他理论提出了一种可能性：保罗·斯坦哈特的循环宇宙模型，也就是说这种宇宙膨胀会反复发生。这种理论将促使你提出一些问题。首先，这些模型和我们所看到的宇宙真的是相符合的吗？每个模型都提出了一种全新机制吗？在某种程度上说，循环宇宙的观点依然沿用了宇宙暴胀理论的观点，认为是暴胀使宇宙平稳地增大。有时候，想到这些理论可不怎么容易。你的理论是基于什么？是什么约束了它们？是什么使你的工作无法继续下去？它真的是一个全新观点吗？我们真的可以将这种机制应用在实际工作中吗？这个理论与一些更基本的理论有联系吗？如果有，这些基本理论可以帮我们进一步完善这个新理论吗？
最近，我正在研究额外维度对宇宙学有怎样的影响。结果发现，似乎暴胀理论在额外维度存在时比不存在时更加完善。这个理论最为美好的一点是，在不需要任何假设的前提下，你就可以计算额外维度的影响。此外，这个理论无疑会对宇宙学实验产生影响。自始至终，我都在强调我们真正看到的是什么。我希望时间和实验可以帮我们甄别所有的可能性。
注：丽莎·兰道尔，理论物理学大师。“宇宙三部曲”——《叩响天堂之门》（一本书读懂宇宙求索的漫漫历程）、《弯曲的旅行》（一本书读懂神秘的额外维度）、《暗物质与恐龙》（一本书读懂暗物质以及恐龙灭绝背后的秘密），是科学小白与科学大V都不可错过的年度科普巨作。该系列图书中文简体字版已由湛庐文化策划，浙江人民出版社出版。
06 时间之前
在过去10年间，我主要致力于研究一个问题：宇宙是如何开始的。又或者说，宇宙根本没有起点？大爆炸的时候发生了什么？对于我来说，这个问题似乎是科学的基本问题，因为就目前我们所知道的一切，无论是粒子、行星或恒星，甚至生命本身，都起源于大爆炸。
过去几年间，对自然界基本理论的研究，促使我们对宇宙大爆炸进行了更加深刻的思考。根据目前最前沿的理论，弦理论和M理论，所有物理学定律都是由宇宙结构决定的，更具体地说是由空间中微小、卷曲的额外维度的分布决定的。这是一个非常美丽的物理学图景：粒子物理学成为宇宙学的一个组成部分。如果你想了解额外维度的分布方式，就要了解宇宙大爆炸，因为它才是万物的起点。
直到最近，基础物理学仍旧没有解决这个问题。将时间倒回到20世纪20年代，现代宇宙学的奠基人，爱因斯坦、弗里德曼和勒梅特等意识到，大爆炸存在一个奇点，也就是说当我们追溯到140亿年之前，会发现一切都不太对劲。物理学定律将给出无穷或者无意义的结果。爱因斯坦并没有将这一情况解释为时间的起点，他只是说：“我的理论不能解释这个问题。”大部分理论都会在某些情况下“失效”，这时将需要一个“替代者”。当粒子运动速度非常快时，牛顿的引力理论就不再能描述物体的运动，于是相对论出现了。同样，爱因斯坦说我们需要一个新的引力理论来取代他的相对论。
但在20世纪60年代，当观测事实给了大爆炸理论强有力的支持时，物理学家们以其跳跃性的思维得到了时间存在起点的结论。我不确定他们为什么这样想，但有可能是由于稳态学说（Steady State theory）的支持者弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）的影响。霍伊尔讽刺了宇宙大爆炸学说，说它只说明了时间的起点，听起来并没有什么意义。
之后宇宙大爆炸理论通过观测得到了证实。但此时所有人似乎都受到霍伊尔的影响：“好吧，宇宙大爆炸理论是真的，所以时间存在一个起点。”人们的思维开始进入一个既定但错误的轨道：时间以某种方式开始了，而那个过程或者说事件的开始并不能用物理学机制来描述。这是一个非常无力的现实，我们周围所有的一切都是那个事件残留下来的，但那个事件是什么，我们却无法描述。在之后的20年间，人们开始忙于研究其他方面的问题，这一宇宙学问题的研究却停滞不前。
时间走到20世纪80年代，当宇宙暴胀理论出现时，粒子物理学和宇宙学开始结合。虽然暴胀理论依然无法解决宇宙的起点问题，它却帮助我们向前迈进了一步。人们假设宇宙以某种方式开始，并且在它开始时就充满了一种奇怪的能量，并将这种能量称为暴胀能（inflationary energy）。这种能量具有排斥性，它的引力场并不像普通物质一样具有吸引力。它的主要性质是，它可以导致宇宙迅速膨胀，就像宇宙一下被炸开一样。
暴胀理论风靡一时，并对宇宙进行了一系列与观测事实相符的预测。这些预测一般比较简单或是对宇宙某一特征的定性描述：宇宙在大尺度范围内是平滑的，并存在一些密度变化，这些密度变化类似于随机噪声，就像大海表面的波纹，并且在任意尺度上，密度的变化都是大致相同的。这一预测得到了观测的广泛认可。所以人们开始被暴胀理论所吸引，越来越多的人开始将其奉为“圣经”。但暴胀理论从未真正触及宇宙的起点这一问题，我们只是假设宇宙开始时就充满了暴胀能，却没有解释存在这种能量的原因。
我在这一方向的研究大概始于10年前，当时我从普林斯顿大学搬到了剑桥大学，在那里我见到了霍金。他和詹姆斯·哈特尔（James Hartle）一起发展了宇宙起源的理论。我加入了霍金的工作，通过计算来弄清究竟他们的理论会描绘怎样的未来。然而，我们很快得到的结果却显示宇宙是空的。其实这个结果可能并没有那么出人意料，当你从“一无所有”出发，比起一个充满物质的宇宙，你更有可能得到另一种“一无所有”。虽然这只是个玩笑，但如果进行精密的数学计算，霍金的理论得到的也更可能是一个空宇宙。
我们尝试从不同的方面来解决这一症结，意图使这一理论的预测结果更加贴近事实，但是我们所做的一切努力，都只是在破坏这一理论的美感。理论物理学真的是一门让人惊艳的学科，它会将一切错误“扼杀在摇篮中”。你可以在短时间内粉饰太平，用不同的条件来使你的理论看起来是正确的，但是时间一长，你的理论便会分崩离析。我们对这个宇宙或者说自然法则有了足够的了解，也了解它们之间是怎样契合在一起的，根据这些建立一个自洽的理论体系是非常困难的。一旦你开始更改其中某些条件，你就破坏了某种特殊的对称性，而这种对称性是整体结构连续性的关键。这种对称性一旦被破坏，接下来整个理论都将崩塌。霍金的理论是一个还在发展中的研究课题，人们依旧在不断尝试，试图“修补”这一理论。但是在四五年后，当我确定这一理论不能解释宇宙起点的问题后，我觉得我们需要一种全新的观点来取代宇宙的零点充斥着暴胀能的想法。
与保罗·斯坦哈特一起，我们在剑桥大学牛顿研究所成立了一个工作组，挑战固有的宇宙学基本理论。我们面临的最大问题是：如何提出一种新的理论来解释宇宙大爆炸。我们将当时所有最前沿的理论结合在一起，弦理论、M理论、宇宙学，并不断思索，来试图找到一种不同的方法。工作组中的所有人都非常有想法，而我们目前的研究方向就诞生于此。
弦理论和M理论是爱因斯坦本人也在不断追求的理论。他的引力理论是一个非常精美的理论，并且仍然是目前为止我们所知道的最成功的理论，但是它和量子力学并没有那么“融洽”，而量子力学是其他物理学的一个非常重要的组成部分。如果你只是单纯地尝试将引力量子化，那么在不更改其他理论预言结果的基础上你将得到无穷。弦理论利用一个自洽的数学框架成功地将引力与量子力学联系起来。所以非常不幸的是，直到目前我们唯一可以利用弦理论计算的问题却与物理学不相关。举个例子，我们目前可以对一个稳定的、空的、存在一些引力波的宇宙进行精密计算。无论如何，由于紧密且连续的数学结构，许多人认为弦理论可能是朝着正确的方向在发展。
弦理论的一些新理念非常奇怪。第一个是，我们看到的每个粒子都是弦的一小部分；另一个是，有一种叫作膜的物体存在，简单来说就是弦的“高维版本”。所以那时我们产生了一个新想法：我们的三个维度可能事实上是沿着其中一个膜的维度；我们所赖以生存的这个膜，可能是高维空间中某些书页状的飘浮物体。这一猜想成了一种新宇宙模型的支柱：这一模型和粒子物理学完美契合，并且表明宇宙由两个平行的膜构成，在两个膜中间有一个极度狭窄的缝。那时，我向组员斯坦哈特和伯特·欧洛特（Burt Ovrut）提出了一个问题：如果这两个膜发生碰撞将会怎样？在那之前，大家只考虑了静止的情况。他们只是说，膜在某个位置上，上面附着了很多粒子，而这一情况与我们当时所掌握的粒子和力的数据非常符合。但他们并没有考虑到膜也存在运动的可能性，实际上根据理论，这也是完全有可能发生的。一旦膜可以移动，就有发生碰撞的可能。我们认为，如果两个膜发生碰撞，这个碰撞或许就是大爆炸。碰撞是一个非常剧烈的过程，在撞击过程中两个膜将会产生大量的热、辐射和粒子，就像大爆炸那般。
我和欧洛特、斯坦哈特开始着手研究膜间碰撞的过程。我们意识到，如果这个理论可以成型，那么它就可以说明大爆炸并不仅是时间的起点，而是一个可以细致描述的物理事件。如果这一理论属实，那么除大爆炸之外还可以提供很多解释。例如，它不仅可以解释爆炸，也可以解释充满整个宇宙的辐射是怎样产生的，因为还存在一个两个膜运动之前的宇宙。你可能会问，这又怎样解释。这里就引入了循环宇宙模型。循环宇宙模型说的是，每一次大爆炸之后都会有下一次，而这个过程将无限循环。整个宇宙可能会永远存在，回溯遥远的过去或遥望无穷的未来，将会存在一系列这样的爆炸。
在过去的5年间，我们都在不断地完善这个模型。我们需要做的第一件事情，就是将这个模型与观测事实对应起来，来检验是否可以再现暴胀模型的成功。出乎意料的是，它竟然做到了，并且在某些方面比暴胀模型符合得更好。如果两个膜互相吸引，当它们互相拉扯靠近时产生了细微的“涟漪”，就像海上的波浪。当膜碰撞时，这些小“涟漪”变成了密度差，释放出物质和辐射，而之后这些密度的“不平坦”处形成了宇宙中的星系。
当我们进行一些非常简单的假设之后，循环宇宙模型对观测事实的解释和暴胀模型一样准确。这是非常具有建设性的结果，两种差异甚大的机制得到了同样的结论。两种模型都解释了宇宙的一些简单特征：宇宙在大尺度上基本是均匀的，像欧几里得空间一样，是平坦的，存在一些小的密度差异，单位长度上差异基本相同。这些特点无论在膜碰撞模型或者暴胀模型中都得到了解释。当然也有可能存在更好的模型，只是目前无人想到。科学界良性竞争的环境十分有利于不同理论的诞生，并且差异越大越好。这可以帮助我们确定观测数据、数学还有逻辑等一系列检测方法，哪些是检验理论正确性所必需的。模型间的竞争大有益处：它帮助我们看清理论的优势和劣势。
在这一前提下，更早建立的暴胀理论和新生的循环宇宙理论的主战场，就是理论上的瑕疵和疑团。暴胀之前发生了什么？是大部分宇宙都发生了暴胀还是只是很小一部分？循环宇宙模型可以计算出膜碰撞的所有细节，然后将粗略的讨论推进到精确的数学计算上吗？我们作为理论物理学家的任务就是将这些问题延伸至极致以寻找解决办法，或者证明这些问题是模型的致命之处。
同等重要的问题还要从观测上来验证这些模型，毕竟脱离观测事实的科学也就不再是科学。尽管循环宇宙模型和暴胀模型拥有同样的预测结果，但至少我们还有一种方法可以区分它们。如果在暴胀过程中存在这样一个阶段，即宇宙刚刚开始之后的极速膨胀期，那么宇宙曾经就会充满引力波，而这些引力波到今天依然可以被探测到。目前有很多实验正在对它进行测量，欧洲空间局的普朗克卫星将进行目前为止最精确的一次尝试：它应该可以探测到由最简单的暴胀理论预言的引力波。而根据我们的模型，无论是普朗克卫星还是其他与普朗克观测任务类似的实验，都将一无所获。此类实验可以对我们的理论进行证伪。
我们目前在做的工作中最让我感到兴奋的是，我们正在对大爆炸本身的数学模型进行更细致的分析。我们对奇点有了更加深刻的了解，根据爱因斯坦的理论，一切物质在奇点处都将变为无穷，空间全部缩成一点，导致辐射密度和物质密度都趋于无限大，在那一点上，爱因斯坦方程将分崩离析。
我们最新的工作是基于大约10年前弦理论中一个异常美丽的发现：反德西特共形场理论（Anti-de Sitter Conformal Field Theory）。简单来说，它是一个非常美丽的几何观点：如果我有一块非常大的时间和空间的区域，那么在某些情况下，我可以想象宇宙被边界所包围，也就是说是类似于一个被盒子包围的区域。大约在10年前的观点是，尽管盒子的内部可以用引力来描述，但伴随着它所带来的许多无法解释的部分，像黑洞的形成和众多的佯谬，这一理论所描述的情景更类似于，这个盒子内的所有物质都附着在盒子壁上，包围着内部。一个引力理论与另外一个不存在的引力理论互相符合，而并没有产生任何引力方面的佯谬。我们最近在做的事情就是利用这一个框架来研究宇宙的奇点。我们通过对环绕宇宙的盒子表面发生了什么这一间接方法来研究奇点。这样，我们发现，如果宇宙的坍缩产生了奇点，将伴随着“弹跳”，而这种弹跳将使宇宙恢复。当它通过奇点时，宇宙将充满辐射，然后产生密度差，这一情境与膜碰撞模型所描述的非常相似。
这是一项崭新的工作，但是当这一理论完成的时候，我觉得将会耗费相当长的时间来说服人们，大爆炸或者类似的事件，是可以用数学理论来描述的。我们所研究的模型并不依靠物理，因为这是一个四维空间的宇宙。就算是从技术层面来考虑，这也是一种最简单的切入法。当然，真正的宇宙只有三维空间，但是我们对此刻建立起了一个四维模型来简化数学的运算。定性地说，这个研究表明你可以在引力的框架下对奇点进行研究，并且这一研究是讲得通的。在我看来这是非常激动人心的，并且我们正在沿着一个十分有趣的轨迹在前进。我希望我们将来可以真正地理解在引力前提下奇点的形成，宇宙在这一过程中怎样演化，还有这些奇点又是怎样“离去”。
我认为循环宇宙模型将可以解释大爆炸，因为大爆炸就是宇宙中奇点的形成。通过对以上问题的理解，我们可以更好地解释目前我们所看到的物理学定律是怎样产生的：为什么会存在电磁学，为什么会有强相互作用力、弱相互作用力等。所有这些都是宇宙结构在小尺度上结出的“果”，而这一结构则是由大爆炸导致的。这是一个非常有挑战性的领域，但我很开心我们的确“有所作为”。
我认为目前我们的问题在于，理论物理学的主要研究方式是错误的，因为从我的角度来说，人们应该研究奇点和大爆炸，因为这才是万物的源头，但是大多数人却在回避这样一个问题，即根据弦理论所知的一切物理学定律都是空间额外维度的特殊形态所导致。我们有已知的正常三维空间，但在弦理论中还应该存在其他6个维度，卷成一个迷你球。在世界的每一点，都会存在其他六维，不过它们团成了一个结。问题是这些额外维度团成结的方式有千千万万种甚至无数种。粗略地说，你可以把它们用膜或者其他物质包在里面，把它们像手绢一样用很多弦和橡皮筋编起来。
这一点导致了很多人抓耳挠腮却百思不得其解。弦理论应该是一个独一无二的理论，并且只能根据它产生一套物理学定律，但现在这个理论却允许了由于额外维度的不同卷曲方式导致的多种宇宙的存在。我们到底生活在其中的哪个宇宙中呢？一些人曾经假设宇宙就是简单地从大爆炸之后开始，所以他们所做的工作就像掷骰子一样。他们说：“好吧，如果这些额外维度可以这样卷曲，也可以那样卷曲，我们也没有办法来判断哪种会好于其他方式，那我们不妨假设它是随机的。”但最终，他们没有得到任何结果。因为他们没有关于大爆炸的理论，也不知道那些维度为什么会成为它们最终的样子。他们将这称为大格局，而所有可能的宇宙形态组成了大格局，并且接受了我们生存在这个大格局中的一个特殊点。那么他们到底做了什么？
他们或许又会说，“也许我们需要加入人择原理”。人择原理认为，宇宙是它今天的样子是因为如果有任何不同，人类这种智慧生命将不复存在。这一观点是说，存在这样一个大格局，其中存在不同形态的宇宙，而只有一个容纳了人类的存在，即符合了我们目前已知的物理学定律的那个。这是一个非常奇怪的论证，它并没有作出任何预测，是后测理论的典型。它只是在说：“这件事必须是这样发展过来的，因为如果不这样的话，我们就不会在这里讨论它。”这一论证有很多缺陷，但最基本的问题是，这个论证并不能给出任何建设性的结果。不仅嚼之无味，弃之也并不可惜。人择原理对目前研究的进展不能提供任何帮助，更有甚者，它还会阻止人们去解决一些重要问题，像弦理论的本质，因为目前我们所了解的部分仍旧不完善，需要继续拓展才能用于解释大爆炸。然而，这样明显的一点，竟然很少有人去关注。
我对大格局存在的真实性还持观望态度。因为仍然存在一些数学方面的疑问有待解决，比如不同卷曲形态的合理性，目前还并未证实。但是如果所有卷曲形态都合理，那么下一个问题就是：宇宙在无数种形态中到底“选择”了哪种？对于我来说，无论你要以何种方式解决这个问题，都不能绕过大爆炸。你需要一个数学模型来描述大爆炸是怎样发挥作用的，时间是怎样开始的，或者描述宇宙在经历类似于大爆炸这种事件时发生了什么，它在经历这些事件时对那些卷曲维度产生了怎样翻天覆地的影响。最能说服我的一个解释是，宇宙的动力学特征将选择一种特定的形态，这种形态可以让它最有效率地挨过每次大爆炸，并且可以在之后的超长周期中维持稳定。
举个例子。如果你问，“为什么房间里的空气分布得非常均匀”，我们需要用一个物理学理论来解释这个问题。但如果回答说，“如果空气分布不均，房间里就会存在一些真空区域，一旦人不小心踏入，就会送上小命。因此如果空气分布不均，我们就不会活很久”，这对回答这个问题没有任何帮助。而这就是人择原理给出的答案，并没有从科学的角度来解决这个问题。其实是因为分子在整个房间里“四处乱晃”，当你了解它的动力学机制后，就可以明白它们最可能的稳定结构就是均匀分布。与人类存在与否并没有直接关系。
同样，我觉得解决宇宙学谜团的最好方式应该从了解大爆炸的机制开始。之后，通过研究爆炸的动力学特性，我们希望可以发现导致宇宙演化成今日之貌的动力学机制。如果你不明白动力学，就不能进行深入的研究，而只能转而求助人择原理。这是非常明确的一点，但是奇怪的是，这却是少数人的观点。在我们的课题中，大多数人持有的观点是，在大格局中，某些随机过程替我们选择了我们目前生活的宇宙。
循环宇宙模型背后蕴含的原理是，我们正在经历的世界或者说三维空间，实际上是一个延展物体，你可以将它画成一个薄膜。但你要记得它是一个三维结构，而我们将它画成两维是为了更直观。根据这样一幅图景，我们生存在其中一个薄膜上，而且它并不孤单，周围还有其他的薄膜“伙伴”，它们之间有着非常狭窄的间隔。一个薄膜存在3个维度，而第4个维度使2个薄膜分开。这个理论中也存在着其他6个维度，也都卷曲成迷你球，但我们先不做考虑。
所以你目前已经建立了这样两个在几何上平行的世界，它们被小间隔所分开。我们并不是凭空想象了这样一幅物理图景。这幅图景诞生于由基本粒子和力建立起来的最为复杂的数学模型下。当我们试图去讨论实物比如夸克、电子、光子和所有的事物，我们就会被牵扯进这样被小间隔分割的两个平行世界的图景中，并且我们的出发点就是假设这一理论是正确的。
这些薄膜有时候被称为“世界尽头的膜”。本质来说是，因为它们更像镜子或者说反射镜。在它们之外是空无一物的，就像是“世界的尽头”。如果你跨越两个薄膜间的间隔，你将会撞到其中一个薄膜上，然后被反弹回来。在它之后什么都没有，所以你拥有的就只有两个平行的膜和一个间隔。但是这两个膜却是可以移动的。想象一下，我们所在的宇宙是其中一个薄膜。在离我们非常近的地方还有另一个，但由于光只能沿着薄膜传播，所以我们看不见它。但我们之间的距离比原子核的尺度还要小，甚至趋于无限小。我们还知道，宇宙中存在一种叫作暗能量的东西。暗能量是空宇宙的能量。在循环宇宙理论中，两个薄膜之间吸引力的能量与暗能量相对应。
想象这样两个薄膜，它们互相吸引。当把它们拉远时，你需要向系统中增加能量。这种能量就是暗能量，并且暗能量导致了两个薄膜间的相互吸引。我们由观测得知，现在的宇宙充满了暗能量。根据我们的模型，暗能量实际上是不稳定的，并且不能永远存在。将它与球滚上山作一个类比，当球的位置越高时，它储存的能量也在不断增长。同样，膜之间的距离越远，暗能量也就越大。但到某一点后，球就开始转向，向山下滚动。类似地，在暗能量主宰一段时间之后，两个膜开始相互靠近，然后碰撞，这就是大爆炸。循环宇宙模型认为，暗能量的减少将导致下一次大爆炸的发生。
暗能量在1999年被观测确定，这给了暴胀模型一个不小的打击。在暴胀模型中，它的存在是毫无道理的：暗能量在早期宇宙中只是无名之辈。而在循环宇宙模型中，暗能量却至关重要，它的衰减预示着下一次大爆炸。
膜循环碰撞的图景解决了循环宇宙模型中多年来悬而未决的谜团。循环宇宙理论并不是一个新理论：弗里德曼及其他科学家在20世纪30年代就建立了这一模型。他们想象了一个有限的宇宙，在碰撞和反弹间循环往复。但是理查德·托尔曼不久后指出，这个理论并没有解决时间起点的问题。循环宇宙理论未能一展身手的原因在于，每次反弹都会产生更多的辐射，这意味着宇宙将承载更多的物质。根据爱因斯坦方程，这将导致每次碰撞后宇宙尺度的增大，所以每一个周期都将长于之前的周期。我们往前追溯就会发现，碰撞的间隔将越来越短，周期终将减小至零，这意味着，宇宙仍然在有限的时间之前存在一个起点。所以在旧的理论框架内，永恒循环宇宙模型是不可能存在的。而我们的理论中新加入的内容就是暗能量，以及在无限宇宙中，每次爆炸产生的辐射和物质都得到了稀释，所以可以得到一个永恒循环的宇宙。
07 宇宙为何是今日之貌？
“宇宙为何是今日之貌”这个问题的答案虽然看起来显而易见，细想却又十分难以回答，因为我们并没有“参照系”。毕竟我们的宇宙不是众多宇宙中的一个。我们并没有见过不同种类的宇宙让我们可以说，“这是一个非同寻常的宇宙”或者“这是一个非常典型的宇宙”。然而，当从物理学角度出发，我们的确可以确定“纯天然”的宇宙应该是什么样子。但随着步伐不停向前，我们发现宇宙并非天生如此。这就是指引我们发现未知之物的线索。
近年来，大家都十分关心的一个经典案例就是宇宙的加速膨胀和暗能量。1998年，天文学家对宇宙中距离我们十分遥远的一种天体即超新星进行观测，试图弄清楚宇宙中到底有多少“填充物”。因为如果“填充物”变得越来越多，也就是说物质和能量变得越来越多，宇宙将会膨胀，并且由于这些“填充物”间的相互拉扯，宇宙膨胀速度会越来越慢。
然而，通过对IA型超新星的观测，这些遥远的明亮天体告诉我们的结果却是，宇宙在加速膨胀，天体间互相远离的速度变得越来越快。对这一观测事实最好的解释是暗能量。这是一种当我们将空间中每一立方厘米或者说每一个非常小的空间中的所有原子、暗物质、辐射、可见物质全部清空后，依然存在的一种能量。它“寄居”在真空区域中。我们可以通过计算得出真空区域中需要多少能量，才能与宇宙加速膨胀的事实相符合，而且这种真空能推动这个宇宙。它提供了一种推动力使得宇宙保持加速。我们得到的答案大概为10-8 erg/cm3。
我们还可以估计它的量级有多大；也可以提出这样的问题，“这些真空能的‘前世’是什么”；也可以利用已知的量子场论（研究空间存在虚粒子突然出现和消失的理论）进行一个大概的计算。我们可以确定应该有一定量的真空能存在。实际的计算结果应该为10112 erg/cm3。也就是说，理论预言的量级比观测事实大了10120倍。这是一个宇宙并非天生如此的例子。宇宙存在一个参数，这个我们生活其中的宇宙，其真空区域中能量的多少与我们所预测的并不符合。
试图解释物理学定律与观测事实的差别，是过去10年间或者在那之前最受瞩目的研究主题之一。人们提到了人择原理，试图用“如果真空能更大一些，我们人类就不可能在这里讨论这些问题”这种说法，来解释理论和实际观测的不符。也有人提到选择效应，认为人们只能生存在物理参数经过精细调整后的宇宙中。但是还会存在不同的调整方式以及其他种类的非天然状态，那种宇宙应该是什么状态，无论是现在还更早期。这里我们就要引入熵与时间箭头。
这是我目前最感兴趣的一个问题。目前对我们观测的宇宙来说有这样一个事实，那就是宇宙中的粒子有各种各样不同的存在形态。我们有很多种不同的方式来重新组合宇宙中的不同成分，以使它看起来不同。根据19世纪由波尔兹曼、麦克斯韦、约西亚·吉布斯（Josiah Willard Gibbs）和其他科学泰斗们提出的统计力学，任何物质的自然形态都是其处于高熵的状态，即极度的无序。熵告诉我们可以有多少种不同的方式来重新配置物质中的成分，而使它看上去并没有变化。在一个充满空气的房间中，我们有许多种不同方法在不被察觉的前提下，来重新分配房间中的空气。如果房间中的所有空气都被压缩到角落，那么重新分配的方式就非常有限了。当采取这种分布时，空气处于低熵状态。空气充满整个房间，才是高熵状态。物理学系统总是从较低熵开始，向高熵发展，而发展成高熵的方式有很多种。
如果你除了以上知识，对宇宙学的其他方面统统不了解，当你被问到宇宙应该是什么样子、应该以什么形态存在的时候，你可以这么回答：它将以高熵的形态存在。处于高熵形态有很多不同的方式，处在杂乱而混沌的状态的方式，总要比处在有序和均衡的状态的方式要多得多。
然而，真实世界是非常有序的，它的熵要低得多。形成这一现状的原因在于，早期宇宙即大约在140亿年前的大爆炸时期，那个时候的熵要远远低于我们对它的期待值。这是宇宙学中的一个绝对谜题。现代宇宙学家无法回答这个问题：为什么我们的可观测宇宙开始于这样一个相当规律、有序并且低熵的状态？我们知道，如果万事万物存在，则必然有其存在的意义。可以这样设想，如果我们从超低熵状态开始，沿着我们现在生活的宇宙描绘未来。宇宙并不会再次回到低熵的状态，而是会变为超高熵，并且永远维持着一种状态。这就是我们目前描绘宇宙发展过程的最好模型，它在140亿年之前从超低熵状态开始，并将以高熵状态在未来永远存在。
为什么我们处于距离这样一个超低熵离奇事件（大爆炸）这么近的时间范围内？我们并不清楚答案。人择原理不足以解释这个问题。我们需要深刻思考的问题是：在大爆炸甚至大爆炸之前发生了什么？我最喜欢的一种猜测是，宇宙之所以从如此低熵的状态开始，和鸡蛋从低熵状态开始是类似的。
在熵的领域中一个最经典的例子是，你可以将一个鸡蛋变成荷包蛋，却不能把荷包蛋再还原成鸡蛋。这是因为当你将鸡蛋搅散时它的熵增大了。那鸡蛋为什么一开始是处于低熵状态呢？因为它在宇宙中并不是唯一的。宇宙一定会有不只一个鸡蛋存在。鸡蛋由鸡生出来，它是被某些低熵的物质创造出来的，是更大系统的一部分。
将这个观点移植到宇宙学上，就是说我们的宇宙是一个更大系统的一部分，然后在这个基础上来思考为什么宇宙要从低熵状态开始。事实上我认为，目前我们观测到早期宇宙的超低熵性质，是证明我们生存在一个多重宇宙中的最好证据。我们观测到的宇宙并不是全部，而是被镶嵌在一个更大结构上的一部分而已。
我们目前处于科学史上一个不同寻常的阶段，物理学开始成了它自身成功的受害者。我们拥有的理论与数据拟合得非常完美，这对于理论物理学家而言是一个噩耗。因为人们都想成为发明这些理论的人，而并不想生活在一个理论已经被完全建立的时代，因为一旦已建立的理论与观测事实相符，再想对它作出修正就会难于登天。所有人都希望当用数据检验理论出现异常情况时，却没有现成的理论来解释这种异常。
目前，我们有两套非常成功的模型；如果把引力也算上的话，应该是三套。在引力领域，我们有爱因斯坦的广义相对论，这套理论早在1915年就已经建立。从太阳系到非常早期的宇宙（大爆炸之后一秒），它对引力在这中间的每个过程是如何作用的，作出了完美解释。
在粒子物理学领域，我们有基于量子场论的粒子物理学标准模型，它预言了一系列粒子。这套模型大概在20世纪六七十年代就已经基本成型，之后在八九十年代被证明是正确的。我们得到越来越多的证据证明它与目前所有的数据都是相符合的。标准模型毫无疑问与我们的观测是一致的。
在宇宙学领域，我们有宇宙大爆炸标准模型，这个理论阐释了我们的宇宙开始于大爆炸附近的高温、高密状态。之后的140亿年，宇宙不断膨胀和降温。对于宇宙的初始状态我们也有一套理论，在那个时候，宇宙存在细微的密度涨落，最终发展成星系或星系团。
这三个主要理论分支，即广义相对论、粒子物理学标准模型和宇宙大爆炸标准模型，合在一起基本符合了目前我们所掌握的所有观测数据。这使得我们很难继续发展，但是由于这三个理论并不互洽，所以继续完善这些理论又是非常必要的。这三个理论并不会是解释万物的“终极答案”。我们还有不少悬而未决的问题。你如何使量子场论，或者从更广义的角度来说，量子力学这个基于标准模型的理论，与广义相对论这个描述引力的理论互洽？量子力学和广义相对论这两个理论完全在自说自话，所以如何让它们“互相理解”非常困难。
在宇宙学领域，我们有大爆炸理论，而它本身就是一系列谜团的源泉。宇宙是怎样开始的？为什么初始状态是高温、高密的？这是我们需要搞清楚的问题。除此之外，还存在与模型不那么符合的“异类们”。像暗物质就与粒子物理学模型相悖，而使宇宙加速膨胀的暗能量，更难被目前的理论解释。我们其实可以很简单地在模型中增加一个经验系数来使数据和它相符，但是接下来的问题就变成了如何解释增加的项、它从哪里来。
我们想做的事情，是要更新这些仅在表面上与观测事实相符的模型，并对其进行更深入的思考。除了引力和粒子物理学之外，还有哪些基础的理论分支？大爆炸时发生了什么？目前，有很多人提出了很多不同的理论。
对于基础物理学来说，我们有弦理论作为主导的理论框架。但我们并不知道弦理论是否正确。它可以是错的，但是对弦理论有多年研究的科学家们提出，我们可以用微小的弦端环套来替代组成宇宙的各种微小粒子。而根据这一想法，他们得到了很多非常激动人心的预言。但不幸的是，这些物质或现象目前只存在于预言中，并没有被实际观测到。这个问题就变成了，我们实验水平的高低决定了弦理论是否能在理论体系中占有主导地位。我们不能制造出弦。我们也不能观测到普通粒子的弦性，因为能量太高。
在弦理论中，人们预测空间中存在额外维度。空间中不只有我们所知道并且热爱的三维——上、下、前、后，还应该有额外维度，而这些维度人是看不到的。它们都会卷曲成迷你球，只是我们看不到而已。事实上，我们永远不能看到它们，因为它们太小。或者有一些可能大一些，但我们却因为某些原因看不到。根据弦理论中我们生活在膜上的这个观点，我们无法到达那些额外维度。弦理论提出并重点关注的一个问题是，如果弦理论本身预言了额外维度的存在，那么它们在哪里？它们为什么是不可见的？宇宙中发生了什么才使这些维度不可见？这些问题的答案多种多样。
最近我与丽莎·兰道尔和马特·约翰逊（Matt Johnson）写了一篇文章，关于拥有额外维度的宇宙是怎样开始并演化至目前的状态，而某些维度发生了卷曲。这是一个非常有挑战性的观点，并且涉及了宇宙学。在不涉及宇宙学和宇宙初始状态的情况下，是不可以仅仅简单地试图将广义相对论和量子力学互相融合的。我们需要迈出的第一步，是探究大爆炸时发生了什么。目前，对大爆炸时发生了什么解释得最好的模型是暴胀模型。这个理论描述了宇宙存在一个短暂的快速膨胀过程，在这个过程中，宇宙从一点开始增大，并且充满能量，之后这些能量加热成了普通物质粒子和暗物质，也即我们今天所说的大爆炸。
不过，暴胀理论存在很多它自己也无法解释的问题。最明显的一个是，为什么宇宙会发生暴胀？你可能会回答说：“因为存在一个与周围环境不同的点，这个点被某些形式的能量所主导。”这件事情发生的可能性有多大？罗杰·彭罗斯和其他科学家曾强调过，这件事发生的可能性微乎其微。所以，除非你可以给我一个答案解释为什么宇宙会开始暴胀过程，否则暴胀理论就无法解释早期宇宙的形态。我们需要回到暴胀与大爆炸之前，针对宇宙的不同部分来理解为什么发生了暴胀而不是其他过程。这个时候你就要用到膜理论和循环宇宙模型。
我实在不喜欢目前已提出的所有理论。我们需要更深刻地思考宇宙应该是什么样子。如果忽略实验结果，而不对这个问题有任何偏见，我们就要从基本原则出发来推测宇宙是什么样子，然后将结果与实际宇宙相对比，来观察它们之间是相差不多还是相距甚远。只有我们确认理论所预测的宇宙的样子，然后将它与观测到的宇宙相比较，才能充分利用实验给我们的线索，来对量子力学、万有引力、弦理论以及宇宙学的观点进行更正，以使它们可以互洽。
弦理论所带来的一个非常有意思的问题是，成功的标准发生了一定的变化。不再是这个或那个理论提出一个预测，然后你可以来验证。我们都希望最终可以检验我们的理论，但当无法找到与已有理论不符合的数据时，这就变成了一个长期目标。我们都知道这些已有理论是有问题的，因而需要对其进行修正。
量子力学和广义相对论是不相容的，但是自然与其本身却并不互斥。大自然找到了一些方法，来让这些理论共存。弦理论就是其中之一，并且这一从20世纪六七十年代被提出的理论，经过了80年代的兴起，已经得到了充分的研究和发展。直至2010年，在与实验没有任何联系的情况下，这一理论已经成了一股不可忽视的力量。有些人或许会要求给出一些实质性的成果。从这一理论中到底可以得到什么？弦理论学家已经对弦理论有了充分的研究，但问题仍旧存在。我们能否从中得到对自然更本质的了解？这目前还是一个开放性问题。
弦理论之所以如此盛行的其中一个原因是，它的确可以引导人们发现新的东西，并且硕果累累。这并不是说你必须要作出一些像“或许时空是不连续的”、宇宙是由小原子组成的等假设，然后问“你从这些中得到了什么”。而是当我们将这些猜测粒子用弦代替的话，将引导你思考“如果我将这些带入量子力学的框架中，我将得到十维空间”，以及“我还需要一个超对称结构。在自然界中我们实际可以看到很多种不同的粒子，如果尝试将这些额外维度折叠，并将它们隐藏，我们将会得到与标准模型相似的东西。我们目前的确是走在正确的道路上”。
