对于当今许多理论物理学家来说，他们的圣杯是一个完整的引力量子力学理论——可用于理解黑洞、宇宙大爆炸和整个宇宙的行为。但是，要弥合现实中最小和最大组成部分之间的差距，可能需要一些全新的概念（并动摇我们对一些旧概念的信念）。哈佛大学的拉斐尔·布索就是一位寻找这些缺失部分的学者。这位 31 岁的学者因其在所谓全息原理方面的工作而荣获去年一项国际青年物理学家竞赛的一等奖，该原理旨在调和量子力学与黑洞物理学。他的研究也使他对弦理论和宇宙学进行了深入思考。
大众科学：弦理论告诉我们，粒子是所有缠绕在一起的微小环或弯曲线条。弦理论做了什么让我们应该相信这一切？
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拉斐尔·布索：弦理论提供了一个框架，在这个框架中，所有力都被自然而完整地统一起来，包括引力。我们真的没有其他任何东西可以实现同样的统一。如果你问弦理论做了什么，例如，它原则上描述了构成引力的粒子是如何相互作用的。并且它在某些非常特殊的情况下解释了黑洞的熵，这是量子引力中的一个大问题。
大众科学：在过去的几年里，弦理论家已经开始思考宇宙学，特别是似乎使星系随着时间推移更快地扩散开来的暗能量。这种迷恋是什么？
拉斐尔·布索：我们真的不知道这东西是什么。对于会像暗能量那样作用于我们宇宙的物质类型，有很多不同的可能性。从理论家的角度来看，它们是非常不同的东西。这种区别的一个例子是暗能量是否真的是我们所说的宇宙学常数，在这种情况下，它的密度是固定的，永远不会改变。或者它是否像宇宙学常数一样作用一段时间，加速宇宙，但最终会被稀释。那是我们目前无法用实验证据很好地区分的东西，但它对宇宙的大尺度结构以及遥远未来的世界面貌具有巨大的影响。如果能从理论的角度理解哪种暗能量更受青睐，那就太好了。最大的问题是，它为什么会存在？我们真的很难理解这一点，因为它非常小，但又不是零。这给理论解释带来了巨大的挑战。
大众科学：到目前为止，弦理论家在解决暗能量问题上并没有取得多大进展，对吗？
拉斐尔·布索：那里存在一种张力。大多数人会同意的是，宇宙学常数起源的解释很可能来自引力的量子理论。那不一定是弦理论。但弦理论是我们拥有的最好、最准确、最强大的候选理论。现在的张力来自于，在弦理论中找到宇宙学解决方案非常困难，特别是具有正暗能量的解决方案。[在广义相对论中，宇宙学常数可以是正的且具有排斥性，也可以是负的且具有吸引力。] 虽然弦理论是我们量子引力的最佳候选理论，但我们有点失望的是，到目前为止，我们还没有设法在弦理论中模拟具有暗能量的宇宙。
大众科学：是什么使这个问题变得困难？
拉斐尔·布索：在具有正宇宙学常数的宇宙中存在一个问题。现在这个问题并非发生在所有类型的暗能量中，但对于某些类型的表现出暗能量的宇宙，你无法测量[粒子相互作用的] [最终] 状态，因为粒子在因果关系上被分离了。没有人能够看到所有这些粒子。从这个意义上说，你无法测量任何散射[粒子] 的结果。高能物理实验最好用称为 S 矩阵的形式体系来描述，该形式体系给出你放入的所有不同事物，以及所有可能输出的不同事物的概率。这种形式体系来自于我们认为物理学的整个世界都是粒子加速器的年代，在那里我们扮演着“上帝” [更字面地说，是时空边缘的观察者] 的角色，坐在外面发送一些粒子——比如一个电子和一个正电子或类似的东西——以巨大的力量将它们撞击在一起，并观察输出了什么。
描述你从远处射入的东西与从相互作用区域返回的东西之间关系的这个东西，当粒子再次很好地分离并在你的探测器中被探测到时，那个东西就是 S 矩阵。因为我们当时在非常小的尺度上进行物理学研究，所以那种语言是描述世界的有用语言。弦理论，从历史上看它植根于粒子物理学，喜欢预测 S 矩阵，而不是其他太多东西。但显然，那种语言不可能是正确的，无法描述宇宙学中的实验，在宇宙学中，我们无法控制“上帝”送入了什么。我们只是通过望远镜观察并看到一些击中我们的东西。因此，宇宙学与 S 矩阵之间的区别在于，在 S 矩阵中，你在外面向内看，而在宇宙学中，我们在里面向外看。
大众科学：这仅仅是具有暗能量的宇宙的问题吗？
拉斐尔·布索：你可能已经非常怀疑，无论是否有暗能量，S 矩阵可以描述宇宙学中的实验的想法。人们最近明确指出的是，你根本无法在许多宇宙时空中定义 S 矩阵，尤其是在一些存在暗能量的宇宙时空中。原因是为了定义 S 矩阵，你必须能够观察到实验在任意大的距离尺度上输出的结果。你必须让粒子彼此远离，以便它们停止相互作用，你才能真正说，这就是输出的结果，而不是其他东西。如果宇宙加速得太快，单个观察者不可能看到所有输出的粒子。其中一些粒子消失在所谓的事件视界之后。我无法观察它们，然后将信息带回给我，我和粒子之间的时空加速得太快了。因此，这构成了一个挑战，因为我们根本不知道用什么来代替 S 矩阵作为正确的“可观测物”。我们不知道在这样的宇宙学中，我们希望我们的理论回答的正确问题是什么。如果事实证明我们可以在弦理论的某些模型中描述暗能量，那么我们期望弦理论会告诉我们，什么是可观测物，在那个模型中我们可以问什么问题？
大众科学：弦理论能应对这个挑战吗？
拉斐尔·布索：我们应该关注的问题是，弦理论目前的发展是否足以理解宇宙学和暗能量，或者我们是否仍然遗漏了一些重要的部分。如果你回顾历史，我们今天所说的弦理论是一个比 10 年前我们所说的弦理论 [当时物理学家无法用它来计算黑洞的熵] 丰富得多的结构。在我看来，真正有可能的是，尝试使用我们今天看到的弦理论来解释宇宙学常数问题，就像尝试使用 10 年前的弦理论来解释黑洞熵一样。也许我们还没有完全到位，也许我们需要在理论上取得一些概念上的进展才能做到这一点。因此，我自己的兴趣在于尝试获得一些关于我们可能遗漏了哪些东西的提示，以及我们需要探索哪些方向。
大众科学：你和其他人看到了什么样的提示？
拉斐尔·布索：我们得到的提示与我们从关于黑洞的半经典 [非完全量子力学] 物理学中获得的提示类似。半经典分析告诉我们，黑洞具有熵，尽管它没有告诉我们熵在微观上来自哪里。[一杯水的熵来自分子在其中的许多可能的等效排列。]
在具有正宇宙学常数的宇宙的情况下，半经典物理学，特别是称为全息原理 [该原理认为时空区域的最大熵与其面积成正比，而不是与其体积成正比] 的思想，告诉我们这些宇宙具有有限的熵。换句话说，你根本无法将一个黑洞（你可以想象的最密集、熵最大的物体）放入一个具有正宇宙学常数的宇宙中，超过一定的大小。你在这样的宇宙中所做的任何实验都永远不会看到超过宇宙学常数[值的倒数] 的熵。随着暗能量变为零，这种说法就消失了。
我们发现的是这种模式，即暗能量的存在——它必须是一个固定的宇宙学常数才能真正使这个说法成立——似乎对应于具有有限熵的理论。这些 [有限熵理论] 是尚未真正在弦理论中或在其他任何地方突然出现的东西。而这种说法可能是一个非常有用的提示，可以指示我们应该朝哪个方向看。
JR·明克尔是一位驻纽约市的自由撰稿人。