你可能不會認為宇宙學家會在一個半徑為460億光年，充滿了千千萬萬顆恆星的宇宙中感到幽閉恐懼症。但21世紀宇宙學新興主題之一是，已知的宇宙，即我們所能看到的一切總和，可能只是浩瀚空間中的一個微小區域。構成宏大“多元宇宙”的各種平行宇宙常常作為宇宙學理論的副產品出現。我們幾乎沒有希望直接觀察到那些其他的宇宙，因為它們要麼離我們太遠，要麼以某種方式與我們自己的宇宙分離。
然而，一些平行宇宙可能是獨立的，但仍然能夠與我們的宇宙相互作用，在這種情況下，我們可以探測到它們的直接影響。宇宙學家透過弦理論，這個自然基本定律的主要候選理論，注意到了這些世界的可能性。儘管弦理論中所謂的弦非常小，但支配其性質的原理也預測了新型的更大的膜狀物體——簡稱為“膜”。特別是，我們的宇宙本身可能是一個三維膜，存在於一個九維空間內。更高維度空間的重塑以及不同宇宙之間的碰撞可能導致了天文學家今天觀察到的一些特徵。
弦理論最近受到了一些不利的媒體報道。批評是多種多樣的，超出了本文的範圍，但最相關的是它尚未經過實驗檢驗。這是一個合理的擔憂。但這與其說是對弦理論的批評，不如說是重申了檢驗關於極小尺度理論的一般困難。所有提出的基本定律都遇到了同樣的問題，包括其他提議，如圈量子引力。弦理論家們繼續尋求檢驗他們理論的方法。一種有希望的方法是研究它如何解釋我們宇宙的神秘方面，其中最重要的是宇宙膨脹速度隨時間變化的方式。
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開始旅程
明年將是宇宙正在以越來越快的速度膨脹這一聲明發布十週年，這種膨脹是由某種不明成分（稱為暗能量）驅動的。大多數宇宙學家認為，甚至在原子，更不用說星系出現之前，也發生過一個更快的加速膨脹時期，稱為暴脹。宇宙在早期暴脹時期之後的溫度比地球上迄今為止觀測到的任何溫度都要高數十億倍。宇宙學家和基本粒子物理學家發現自己正在共同努力，試圖瞭解如此高溫下的基本物理定律。這種思想的交叉融合正在促進根據弦理論對早期宇宙進行徹底的反思。
暴脹的概念是為了解釋一些簡單但令人費解的觀測結果而出現的。其中許多涉及宇宙微波背景輻射（CMBR），它是早期宇宙高溫狀態的化石遺蹟。例如，CMBR揭示我們的早期宇宙幾乎是完全均勻的——這很奇怪，因為沒有任何通常使物質均勻化的過程（如流體流動）有時間執行。在1980年代初期，現在在麻省理工學院的艾倫·H·古思發現，一個極快的膨脹時期可以解釋這種均勻性。這種加速膨脹稀釋了任何先前存在的物質，並消除了密度偏差。
同樣重要的是，它並沒有使宇宙完全均勻。暴脹時期空間能量密度由於支配亞原子距離自然規律的內在統計量子定律而波動。就像一臺巨型影印機一樣，暴脹將這些微小的量子漲落放大到天文尺度，從而在隨後的宇宙歷史中產生了可預測的密度漲落。
在 CMBR 中看到的結果以驚人的精度再現了暴脹理論的預測。這種觀測上的成功使暴脹成為關於宇宙在極早期如何演化的主要提議。即將到來的衛星，例如歐洲航天局計劃於明年發射的普朗克天文臺，將尋找佐證證據。
但是物理定律真的會產生這種暴脹嗎？這裡的故事變得更加撲朔迷離。要讓一個充滿常規物質的宇宙加速膨脹是出了名的困難。這種加速需要一種具有非常不尋常性質的能量型別：它的能量密度必須是正的，並且即使在宇宙急劇膨脹時也幾乎保持恆定，但能量密度必須突然下降以允許暴脹結束。
乍一看，任何東西的能量密度保持恆定似乎是不可能的，因為空間的膨脹應該會稀釋它。但是一種特殊的能量來源，稱為標量場，可以避免這種稀釋。你可以把標量場想象成一種充滿空間的極其原始的物質，有點像氣體，只是它的行為不像你見過的任何氣體。它類似於但比更廣為人知的電磁場和引力場更簡單。“標量場”這個術語僅僅意味著它由一個數字（它的幅度）來描述，這個數字可以在空間內的不同位置變化。相比之下，磁場是一個向量場，它在空間中的每個點都具有幅度和方向（朝向磁北極）。天氣預報提供了這兩種型別場的例子：溫度和壓力是標量，而風速是向量。
驅動暴脹的標量場，被稱為“暴脹子”場，顯然導致膨脹加速了很長一段時間，然後突然關閉。這種動力學就像過山車之旅的最初時刻。過山車最初沿著一個緩坡緩慢爬升。（“緩慢”是一個相對的術語；就人類而言，這個過程仍然非常快。）然後是驚險的俯衝，在此期間，勢能轉化為動能，最終轉化為熱量。這種行為在理論上很難重現。在過去的25年中，物理學家提出了各種各樣的提議，但沒有一個成為引人注目的提議。對可能在極高能量下發生的事情的無知阻礙了這項研究，而這些極高能量很可能與此相關。
膜的困惑
在1980年代，隨著暴脹理論獲得認可，另一條獨立的推理路線在減少我們對這個問題的無知方面取得了進展。弦理論提出，亞原子粒子實際上是微小的，一維的物體，就像微型橡皮筋一樣。這些弦中的一些形成環（所謂的閉弦），但另一些是具有兩個端點的短線段（開弦）。該理論將迄今為止發現的所有基本粒子，以及許多尚未發現的基本粒子，歸因於這些型別弦的不同振動方式。弦理論最精彩的部分是，與其他基本粒子理論不同，它有機地包含了引力本身。也就是說，引力自然地從理論中湧現出來，而無需在開始時就假定引力。
如果該理論是正確的，那麼空間就和它看起來的並不完全一樣。特別是，該理論預測空間恰好具有九個維度（因此一旦包含時間，時空就具有10個維度），這比通常的長度，寬度和高度的三個維度多了六個。那些額外的維度對我們來說是不可見的。例如，它們可能非常小，我們可能對它們一無所知，僅僅是因為我們無法容納它們。停車場可能有一條髮絲般的裂縫，在路面表面增加了一個第三維度（深度），但如果裂縫很小，你永遠不會注意到它。即使是弦理論家也很難視覺化九個維度，但是如果物理學的歷史教會了我們什麼，那就是世界的真實本質可能超出了我們直接視覺化的能力。
儘管名稱如此，但該理論不僅僅是關於弦的。它還包含另一種稱為狄利克雷膜的物件——簡稱為D膜。D膜是漂浮在空間中的大型，龐大的表面。它們就像光滑的蒼蠅紙：開弦的末端在它們上面移動，但不能被拉下來。亞原子粒子，如電子和質子，可能僅僅是開弦，如果是這樣，它們就附著在膜上。只有少數假設的粒子，如引力子（它傳遞引力），必須是閉弦，因此可以完全自由地穿過額外的維度。這種區別提供了看不到額外維度的第二個原因：我們的儀器可能是由被困在膜上的粒子構成的。如果是這樣，未來的儀器可能能夠使用引力子來進入額外的維度。
D膜可以具有最多九個維度的任何維度。零維D膜（D0膜）是一種特殊型別的粒子，D1膜是一種特殊型別的弦（與基本弦不同），D2膜是膜或壁，D3膜是具有高度，深度和寬度的體積，依此類推。我們觀察到的整個宇宙可能被困在這樣一個膜上——所謂的膜世界。其他膜世界可能漂浮在那裡，每個膜世界對於那些被困在其中的人來說都是一個宇宙。由於膜可以在額外的維度中移動，因此它們的行為可能像粒子。它們可以移動，碰撞，湮滅，甚至形成像行星一樣相互環繞的膜系統。
儘管這些概念具有啟發性，但理論的嚴格檢驗來自於與實驗的對抗。在這裡，弦理論令人失望，因為它尚未能夠透過實驗進行檢驗，儘管已經進行了20多年的持續研究。事實證明，很難找到確鑿的證據——一個預測，當經過檢驗時，可以決定性地告訴我們世界是否是由弦構成的。即使是大型強子對撞機（LHC）——現在即將在日內瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）完成——可能也不夠強大。
看到看不見的維度
這使我們回到了暴脹。如果暴脹發生在粒子弦性變得明顯的極高能量下，那麼它可能會為弦理論家一直在尋找的實驗檢驗提供機會。在過去的幾年中，物理學家已經開始研究弦理論是否可以解釋暴脹。不幸的是，這個目標說起來容易做起來難。
更具體地說，物理學家正在檢查弦理論是否預測了一個具有兩個性質的標量場。首先，它的勢能必須是大的，正的且大致恆定的，以便有力地驅動暴脹。其次，這種勢能必須能夠突然轉化為動能——暴脹結束時令人興奮的過山車俯衝。
好訊息是，弦理論預測的標量場並不缺乏。對於像我們這樣被困在三個維度中的生物來說，這些場是一種安慰獎：儘管我們無法窺視額外的維度，但我們可以間接地將它們感知為標量場。這種情況類似於乘坐飛機，所有遮陽簾都已放下。你看不到第三維度（高度），但是當你的耳朵爆裂時，你可以感覺到它的影響。壓力（標量場）的變化是感知維度的間接方式。
氣壓代表你頭頂上方大氣柱的重量。弦理論的標量場代表什麼？一些對應於看不見的方向上空間的大小或形狀，並且以幾何“模量”場的數學術語而聞名。另一些則代表膜世界之間的距離。例如，如果我們的D3膜靠近另一個D3膜，則由於每個膜中的波紋，兩個膜之間的距離可能會隨位置略有變化。多倫多的物理學家可能測量到標量場值為1，而劍橋的物理學家測量到標量場值為2，在這種情況下，他們可以得出結論，相鄰的膜離劍橋的距離是離多倫多的距離的兩倍。
要將兩個膜推到一起或扭曲額外的維度空間需要能量，這可以用標量場來描述。正如紐約大學的喬治·德瓦利和康奈爾大學的亨利·S.-H. 泰伊在1998年首次提出的那樣，這種能量可能導致膜膨脹。壞訊息是，對各種標量場的初步計算並不令人鼓舞。事實證明，它們的能量密度非常低——太低而無法驅動暴脹。能量曲線更像是一列停在水平地面上的火車，而不是一輛緩慢爬坡的過山車。
引入反膜
當我們在2001年開始考慮這個問題時，問題就出在這裡——我們兩個人，以及當時的劍橋大學的馬赫布·馬祖姆達爾，以及當時的普林斯頓高階研究所的戈文丹·拉傑什，任傑·張和已故的德特勒夫·諾爾特。紐約大學的德瓦利，斯維亞託斯拉夫·索爾加尼克和特拉華大學的凱撒·沙菲同時開發了一種相關的方法。
我們的創新是同時考慮膜和反膜。反膜之於膜，就像反物質之於物質。它們相互吸引，就像電子吸引它們的反粒子（正電子）一樣。如果一個膜靠近一個反膜，兩者會互相拉近。膜內部的能量可以提供啟動暴脹所需的正能量，而它們的相互吸引可以提供暴脹結束的原因，膜和反膜碰撞並相互湮滅，發生一場盛大的爆炸。幸運的是，我們的宇宙不必為了從這種暴脹過程中受益而被湮滅。當膜吸引並湮滅時，其影響會蔓延到附近的膜。
當我們計算這個模型中的吸引力時，它太強而無法解釋暴脹，但該模型是一個原理證明，表明一個穩定的過程如何能夠有一個突然的結束，從而可能使我們的宇宙充滿粒子。我們的反膜假設也啟發了關於為什麼我們的宇宙是三維的這一長期問題的新思考。
下一個改進層次是詢問當空間本身，而不僅僅是其中的膜，變得動態時會發生什麼。在我們最初的努力中，我們假設額外維度空間的大小和形狀在膜移動時是固定的。這是一個嚴重的疏忽，因為空間會響應物質而彎曲，但這是一個可以理解的疏忽，因為在2001年，沒有人知道如何在弦理論中明確地計算出這種額外維度的彎曲。
空間扭曲
在兩年內，情況發生了巨大的變化。在2003年，斯坦福大學的沙米特·卡丘魯，雷納塔·卡洛什和安德烈·林德，以及塔塔基礎研究所的桑迪普·特里維迪開發了一個新的理論框架，稱為KKLT，以其建立者的首字母命名。他們的框架描述了額外維度的幾何形狀非常僵硬的情況，因此當事物在其中移動時，它不會彎曲太多。它預測了額外維度的巨大數量的可能配置，每個配置對應於一個不同的可能宇宙。可能性集合被稱為弦理論景觀。每種可能性都可能在多元宇宙的自身區域中實現。
在KKLT框架內，暴脹至少可以透過兩種方式發生。首先，它可能是由額外維度對膜-反膜運動的引力響應引起的。額外維度的幾何形狀可能非常奇特，類似於章魚，有幾個細長的部分，或“喉嚨”。如果一個膜沿著這些喉嚨之一移動，它在扭曲維度中的運動會削弱膜-反膜的吸引力。這種削弱使得產生暴脹的慢滾過程成為可能，或許解決了我們最初提議的主要問題。
其次，暴脹可能純粹是由額外維度的幾何形狀變化驅動的，而根本不需要移動的膜。兩年前，我們和我們的同事提出了第一個沿著這些思路中的第二條線的弦暴脹情景。這個一般過程被稱為模量暴脹，因為描述幾何形狀的模量場充當暴脹子。隨著額外維度穩定到其當前配置，三個正常維度以加速的速度膨脹。本質上，宇宙塑造了自身。因此，模量暴脹將我們看到的維度的大小與我們看不到的維度的大小和形狀聯絡起來。
天空中的弦
與弦理論的許多其他方面不同，弦暴脹模型可能在不久的將來透過觀測進行檢驗。宇宙學家長期以來一直認為暴脹會產生引力波，即時空結構中的漣漪。弦理論可能會改變這一預測，因為現有的弦暴脹模型預測的引力波弱到無法觀測到。普朗克衛星將比目前的儀器對原始引力波更敏感。如果它探測到這種波，它將排除迄今為止提出的所有弦暴脹模型。
此外，一些膜暴脹模型預測了被稱為宇宙弦的大型線性結構，這些結構自然地出現在膜-反膜湮滅之後。這些弦可能有幾種型別：D1膜或膨脹到巨大尺寸的基本弦，或兩者的組合。如果它們存在，天文學家應該能夠透過它們扭曲來自星系的光線的方式來探測到它們。
儘管理論上取得了進展，但仍有許多未解決的問題。暴脹是否真的發生尚無定論。如果改進的觀測結果對它產生懷疑，宇宙學家將不得不轉向早期宇宙的替代圖景。弦理論啟發了幾種這樣的替代方案，在這些方案中，我們的宇宙在大爆炸之前就已經存在，可能是永恆的創造和毀滅迴圈的一部分。在這些情況下，困難在於正確地描述標誌著大爆炸時刻的轉變。
總而言之，弦理論為獲得宇宙暴脹提供了兩種通用機制：膜的碰撞和額外維度時空的重塑。物理學家首次能夠推匯出宇宙暴脹的具體模型，而不是被迫做出不受控制的，臨時的假設。這一進展非常令人鼓舞。弦理論誕生於解釋微小尺度現象的努力，可能在天空中被大寫特寫。