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微波背景辐射有助于证明弦理论

不用说许多人一直对弦理论看不顺眼。他们称弦理论是在玩弄"娱乐数学式的神学"，是"黑暗世纪"的死灰复燃，是对"信仰专制"的完全屈服，还是带有玄学性质的"滑稽科学"。任何一项自称无所不包的理论都会激起人们本能的抵触，但对弦理论的口诛笔伐反映了一个严肃的问题:既然目前粒子加速器的能量还不足以探索尺度在10^-19米以下的现象，那么我们如何能够检验一个涉及10^-35米这样微小的尺度的理论呢?

然而，过去几年中，对弦理论的冷嘲热讽越来越站不住脚了。弦理论 (以及同弦理论互补的开创量子引力理论的研究) 已经取得了一系列观念上的成功。而且，实验工作者也绞尽脑汁想出各种方法来检验这类理论，最新的方法就是利用宇宙微波背景辐射。弦理论家的领军人物、美国哥伦比亚大学的R.Greene说“即使弦理论不会取得成功，但能把‘弦理论’和‘观测’这两个词放在同一个句子里，就已经具备诱惑力了。”

同其他宇宙学测量一样，新近提出的检验方法也利用了微波背景辐射复杂的不均匀性。据认为这种不均匀性起源于暴胀时期，即宇宙在其历史早期看来经历过的一个急速膨胀阶段。推动暴胀的能量场像所有量子场那样不停地涨落。在通常情况下，这类涨落瞬间就达到平衡，因此不会被人们注意到。但是宇宙的膨胀会打乱它们的平衡，把它们拉长，使它们的强度变弱，最终则把它们锁定，就像水面上冻结的波浪一样。

弦理论及其相关模型进一步发展了上述看法，认为在大约10^-35米的尺度上，距离就不能再分为更小的单位了。空间就像一幅水彩画一样(水彩画中每画一笔，其颜料会渗开而连成一片)，不可能容纳无限多的细节。如果取一个物体并把它放大足够的倍数，那么它的边界看起来将显得模糊不清。宇宙膨胀正好就起着这种作用。假定宇宙在暴胀期间膨胀了10^26倍，并在暴胀之后又膨胀了相同的倍数，那么一个10^-35米大小的涨落现在将达到十几光年的范围。

Greene与他的同事Easther和H.Kinney以宾夕法尼亚大学的Shiu考虑了使这一效应可能被观测到的条件。像10^-32米这样大的涨落可能会被弄模糊；一旦这类涨落膨胀到10^-30米，达到最强程度的暴胀将把这些涨落冻结起来。在这个增大100倍的膨胀期间，模糊程度并不会以同样的比例增加，从而使涨落的分布与标准预测存在着1%的差异。这种情况可能正好出现在微波各向导性探测卫星或其后继装置普朗克卫星的观测数据中。

另外两个研究小组加拿大滑铁卢大学的Kempf和德国普朗克天体物理研究所的C.Niemeyer，以及美国斯坦福大学的Kaloper，Kleban，Lawrence与Shenker——则认为该效应几乎可以肯定要弱得多。但所有研究人员都同意只有在观测之后才能知道究竟是怎么回事。Kaloper说：“这是一个不容错过的机会。”

华盛顿大学的宇宙学家J.Hogan提出的另一项构想涉及一种可能更强也更与众不同的现象。该构想的基础是新兴的量子引力理论所蕴含的最深刻的概念之一，即全息原理。全息原理限制了一定时空区域所能含有的信息量，而说来也怪，此信息量不是取决于该时空区域的体积，而是取决于它的边界面积。每个面积量子(边长为10^-35米的方形区域)可以存储1比特位的信息。

全息原理甚至适用于整个宇宙。在暴胀期间，涨落的冻结界定了空间的有效边界。在10^-30米的范围，其边界的面积应为10^10个量子，相当于1千兆字节的数据。这1千兆字节将编码我们现今观察到的所有涨落。如果观测者足够接近地观察微波背景辐射，他们或许会注意到像素或离散的色彩，就好像天空是一面巨大的计算机屏幕一样。虽然上述数字仅是猜测，但最显著的像素——即编码那些最大的涨落的像素一一对于不确定的参数的依赖程度是最低的。Hogan估计这些像素始终代表了约10千字节的数据，不会超过一幅较小的计算机图像所包含的信息量。

甚至连那些对细节持怀疑态度的研究人员也赞同下面这个基本观点:量子引力己不仅仅是黑板上潦草的板书了。事实上，空间和时间的基本性质可能己经写在了天空上，而宇宙的整个初始状态或许可以存进一张只读光盘中。