對於當今許多理論物理學家來說，他們的聖盃是一個完整的引力量子力學理論——可用於理解黑洞、宇宙大爆炸和整個宇宙的行為。但是，要彌合現實中最小和最大組成部分之間的差距，可能需要一些全新的概念（並動搖我們對一些舊概念的信念）。哈佛大學的拉斐爾·布索就是一位尋找這些缺失部分的學者。這位 31 歲的學者因其在所謂全息原理方面的工作而榮獲去年一項國際青年物理學家競賽的一等獎，該原理旨在調和量子力學與黑洞物理學。他的研究也使他對弦理論和宇宙學進行了深入思考。
大眾科學：弦理論告訴我們，粒子是所有纏繞在一起的微小環或彎曲線條。弦理論做了什麼讓我們應該相信這一切？
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拉斐爾·布索：弦理論提供了一個框架，在這個框架中，所有力都被自然而完整地統一起來，包括引力。我們真的沒有其他任何東西可以實現同樣的統一。如果你問弦理論做了什麼，例如，它原則上描述了構成引力的粒子是如何相互作用的。並且它在某些非常特殊的情況下解釋了黑洞的熵，這是量子引力中的一個大問題。
大眾科學：在過去的幾年裡，弦理論家已經開始思考宇宙學，特別是似乎使星系隨著時間推移更快地擴散開來的暗能量。這種迷戀是什麼？
拉斐爾·布索：我們真的不知道這東西是什麼。對於會像暗能量那樣作用於我們宇宙的物質型別，有很多不同的可能性。從理論家的角度來看，它們是非常不同的東西。這種區別的一個例子是暗能量是否真的是我們所說的宇宙學常數，在這種情況下，它的密度是固定的，永遠不會改變。或者它是否像宇宙學常數一樣作用一段時間，加速宇宙，但最終會被稀釋。那是我們目前無法用實驗證據很好地區分的東西，但它對宇宙的大尺度結構以及遙遠未來的世介面貌具有巨大的影響。如果能從理論的角度理解哪種暗能量更受青睞，那就太好了。最大的問題是，它為什麼會存在？我們真的很難理解這一點，因為它非常小，但又不是零。這給理論解釋帶來了巨大的挑戰。
大眾科學：到目前為止，弦理論家在解決暗能量問題上並沒有取得多大進展，對嗎？
拉斐爾·布索：那裡存在一種張力。大多數人會同意的是，宇宙學常數起源的解釋很可能來自引力的量子理論。那不一定是弦理論。但弦理論是我們擁有的最好、最準確、最強大的候選理論。現在的張力來自於，在弦理論中找到宇宙學解決方案非常困難，特別是具有正暗能量的解決方案。[在廣義相對論中，宇宙學常數可以是正的且具有排斥性，也可以是負的且具有吸引力。] 雖然弦理論是我們量子引力的最佳候選理論，但我們有點失望的是，到目前為止，我們還沒有設法在弦理論中模擬具有暗能量的宇宙。
大眾科學：是什麼使這個問題變得困難？
拉斐爾·布索：在具有正宇宙學常數的宇宙中存在一個問題。現在這個問題並非發生在所有型別的暗能量中，但對於某些型別的表現出暗能量的宇宙，你無法測量[粒子相互作用的] [最終] 狀態，因為粒子在因果關係上被分離了。沒有人能夠看到所有這些粒子。從這個意義上說，你無法測量任何散射[粒子] 的結果。高能物理實驗最好用稱為 S 矩陣的形式體系來描述，該形式體系給出你放入的所有不同事物，以及所有可能輸出的不同事物的機率。這種形式體系來自於我們認為物理學的整個世界都是粒子加速器的年代，在那裡我們扮演著“上帝” [更字面地說，是時空邊緣的觀察者] 的角色，坐在外面傳送一些粒子——比如一個電子和一個正電子或類似的東西——以巨大的力量將它們撞擊在一起，並觀察輸出了什麼。
描述你從遠處射入的東西與從相互作用區域返回的東西之間關係的這個東西，當粒子再次很好地分離並在你的探測器中被探測到時，那個東西就是 S 矩陣。因為我們當時在非常小的尺度上進行物理學研究，所以那種語言是描述世界的有用語言。弦理論，從歷史上看它植根於粒子物理學，喜歡預測 S 矩陣，而不是其他太多東西。但顯然，那種語言不可能是正確的，無法描述宇宙學中的實驗，在宇宙學中，我們無法控制“上帝”送入了什麼。我們只是透過望遠鏡觀察並看到一些擊中我們的東西。因此，宇宙學與 S 矩陣之間的區別在於，在 S 矩陣中，你在外面向內看，而在宇宙學中，我們在裡面向外看。
大眾科學：這僅僅是具有暗能量的宇宙的問題嗎？
拉斐爾·布索：你可能已經非常懷疑，無論是否有暗能量，S 矩陣可以描述宇宙學中的實驗的想法。人們最近明確指出的是，你根本無法在許多宇宙時空中定義 S 矩陣，尤其是在一些存在暗能量的宇宙時空中。原因是為了定義 S 矩陣，你必須能夠觀察到實驗在任意大的距離尺度上輸出的結果。你必須讓粒子彼此遠離，以便它們停止相互作用，你才能真正說，這就是輸出的結果，而不是其他東西。如果宇宙加速得太快，單個觀察者不可能看到所有輸出的粒子。其中一些粒子消失在所謂的事件視界之後。我無法觀察它們，然後將資訊帶回給我，我和粒子之間的時空加速得太快了。因此，這構成了一個挑戰，因為我們根本不知道用什麼來代替 S 矩陣作為正確的“可觀測物”。我們不知道在這樣的宇宙學中，我們希望我們的理論回答的正確問題是什麼。如果事實證明我們可以在弦理論的某些模型中描述暗能量，那麼我們期望弦理論會告訴我們，什麼是可觀測物，在那個模型中我們可以問什麼問題？
大眾科學：弦理論能應對這個挑戰嗎？
拉斐爾·布索：我們應該關注的問題是，弦理論目前的發展是否足以理解宇宙學和暗能量，或者我們是否仍然遺漏了一些重要的部分。如果你回顧歷史，我們今天所說的弦理論是一個比 10 年前我們所說的弦理論 [當時物理學家無法用它來計算黑洞的熵] 豐富得多的結構。在我看來，真正有可能的是，嘗試使用我們今天看到的弦理論來解釋宇宙學常數問題，就像嘗試使用 10 年前的弦理論來解釋黑洞熵一樣。也許我們還沒有完全到位，也許我們需要在理論上取得一些概念上的進展才能做到這一點。因此，我自己的興趣在於嘗試獲得一些關於我們可能遺漏了哪些東西的提示，以及我們需要探索哪些方向。
大眾科學：你和其他人看到了什麼樣的提示？
拉斐爾·布索：我們得到的提示與我們從關於黑洞的半經典 [非完全量子力學] 物理學中獲得的提示類似。半經典分析告訴我們，黑洞具有熵，儘管它沒有告訴我們熵在微觀上來自哪裡。[一杯水的熵來自分子在其中的許多可能的等效排列。]
在具有正宇宙學常數的宇宙的情況下，半經典物理學，特別是稱為全息原理 [該原理認為時空區域的最大熵與其面積成正比，而不是與其體積成正比] 的思想，告訴我們這些宇宙具有有限的熵。換句話說，你根本無法將一個黑洞（你可以想象的最密集、熵最大的物體）放入一個具有正宇宙學常數的宇宙中，超過一定的大小。你在這樣的宇宙中所做的任何實驗都永遠不會看到超過宇宙學常數[值的倒數] 的熵。隨著暗能量變為零，這種說法就消失了。
我們發現的是這種模式，即暗能量的存在——它必須是一個固定的宇宙學常數才能真正使這個說法成立——似乎對應於具有有限熵的理論。這些 [有限熵理論] 是尚未真正在弦理論中或在其他任何地方突然出現的東西。而這種說法可能是一個非常有用的提示，可以指示我們應該朝哪個方向看。
JR·明克爾是一位駐紐約市的自由撰稿人。