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按照量子場論的預言，我們的宇宙應該有一個非常大的宇宙學常數，它會推動宇宙急速膨脹，以至于近鄰天體發出的光都來不及到達地球。但現實的觀測結果與量子場論的預言差了 120 個數量級。如何解決這個沖突？有物理學家提出了一個新奇的模型：兩個宇宙學常數非常大的宇宙相互作用，可以在整體上得到一個非常小的宇宙學常數。我們的宇宙，會是全部現實的一半嗎？

撰文 | 白德凡

審校 | 王昱

在之前的推送中，我們講過了宇宙學常數幾度起落的歷史。今天，物理學家普遍接受廣義相對論愛因斯坦場方程中這一項的存在，并試圖用它來解釋宇宙的加速膨脹，而它的現實對應物就是大名鼎鼎的 " 暗能量 "。暗能量的性質決定著宇宙未來的演化方式，但這種神秘的能量到底是什么，如何從物理學上描述它，學界莫衷一是。

然而這還不是最麻煩的問題，更讓物理學家頭疼的是：量子場論獨立地給出了宇宙學常數的預言值，而這個值與實際的觀測差了 120 個數量級，這在物理學里絕對是個災難結果。針對這個 " 宇宙學常數疑難 "，物理學家提出了許多解決方案。而近期，有兩位物理學家從雙層石墨烯中獲得啟發，給出了一個新奇的解釋：兩個宇宙學常數非常大的宇宙，通過某種相互作用可以在整體上表現出非常小的宇宙學常數。如果這個解釋成立，這意味著，我們所生活的宇宙，僅僅是這個完整世界的一半而已。

災難的真空能

在量子場論中，有一種能量可以扮演暗能量的角色，這就是 " 真空能 "。量子物理學不允許存在絕對的 " 虛無 "，即使在看似空無一物的真空中，也會存在能量的漲落：數量龐大的虛粒子對迅速地產生又湮滅，貢獻了真空能。這種能量充斥在宇宙各處，也會推動宇宙的膨脹。

即使在真空中，也時刻有虛粒子迅速地成對生成和湮滅（圖片來源：Ahmed Neutron/Wikipedia）

既然量子場論已經有了現成的宇宙膨脹能量來源，那為什么暗能量還會成為一個謎題呢？原因在于，用量子場論計算出的真空能的值，和實際的觀測相差得太遠了。早在上世紀 20 年代，量子力學創立的早期，物理學家沃爾夫岡 · 泡利（Wolfgang Pauli）就做過估算，結果發現真空能實在太大了，在這種能量的推動下，宇宙會極其迅速地膨脹，以至于近鄰天體發出的光都無法趕上宇宙膨脹速度，整個可觀測宇宙的范圍甚至達不到現在的月球軌道。而到 1967 年，蘇聯物理學家雅科夫 · 澤爾多維奇（Yakov Zeldovich）正式計算了量子場論中的真空能，這種能量反映在愛因斯坦場方程中就是宇宙學常數項，然而這個量子場論版宇宙學常數的值和天文觀測得到的值差了 120 個數量級。

實際上，量子物理學與廣義相對論描繪的宇宙無法兼容，并不是什么新鮮事。這兩門理論在許多基本物理問題上都有沖突。所以，有物理學家將宇宙學常數疑難視作這種沖突的又一個體現，并相信要解決這個問題，需要等待未來更為完善的物理學。這些物理學家在發展不同的量子引力理論，在新的理論中，時空也會表現出量子效應，因而也會像粒子那樣發生漲落，這種效應很可能會消除現有量子場論中巨大的宇宙學常數帶來的影響。然而建立量子引力理論是一項浩大的工程，牽扯到物理學的方方面面，而目前物理學界仍然處在探索階段，并沒有公認的理論。

那么在寄希望于未來的新物理學之外，還有什么解決宇宙學常數疑難的辦法？今年 5 月發表于《物理評論快報》的一項研究中，研究人員運用新的宇宙模型提供了一種解決辦法：如果兩個宇宙像雙層石墨烯那樣相互作用，它們在整體上會表現出新的特性，這其中就包括一個大小合適的宇宙學常數。

雙宇宙模型

來自美國馬里蘭大學的維克多 · 加利茨基（Victor Galitski）和阿里雷扎 · 帕里茲卡爾（Alireza Parhizkar）給出了這個新的宇宙模型，而他們的靈感來自于看起來和宇宙學毫不相干的領域——雙層石墨烯。

石墨烯是碳原子以六邊形晶格排列成的二維材料。如果將兩層石墨烯以特殊的方式堆疊在一起——比如兩層石墨烯錯開一個角度，或者兩層石墨烯的晶格大小不同，就會產生干涉圖案，這被稱為 " 莫爾紋 "（Moiré pattern）。這種干涉圖案改變的不只是雙層石墨烯的外觀，還改變了材料的能帶分布，進而改變電子的行為。一些按特定角度錯開堆疊的雙層石墨烯會表現出超導性、鐵磁性等單層石墨烯并不具備的性質，它們也因此被稱為 " 魔角石墨烯 "。

兩張畫滿條紋的平板錯開一定角度堆疊，就會形成莫爾紋（圖片來源：P. Fraundorf/Wikipedia）

加利茨基和帕里茲卡爾借用了描述雙層石墨烯的物理模型，加以修改使之適用于宇宙學。在這個被稱為 " 莫爾引力 "（Moiré gravity）的模型中，有兩個獨立而完整的宇宙分別按照廣義相對論的規律演化，但是它們的一部分物質場是共有的，也就是所謂的 " 兩棲場 "（amphibian field）。這意味著，一些費米子會在兩個宇宙間發生隧穿，就像雙層石墨烯中的電子那樣。在這個雙宇宙模型中，每個宇宙都像量子場論預測的那樣，具有非常大的宇宙學常數。但是兩個宇宙在相互作用下，在整體上得到了一個非常小的宇宙學常數，接近于我們的現實世界的觀測數值。也就是說，實際觀測之所以和量子場論的預測相差那么大，是因為我們漏掉了對另一個宇宙的觀測。

那么模型中的另一個宇宙，可否通過觀測來驗證它的存在呢？研究人員表示，另一個宇宙如果真的存在，它應該會在我們宇宙的微波背景輻射中留下印記。然而研究人員也補充說，他們并沒有宣稱解決了宇宙學常數疑難——那樣太過傲慢，他們希望雙宇宙模型可以提供新的視角，啟發物理學家尋找日常材料和現實宇宙之間的關系。

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