你可能不会认为宇宙学家会在一个半径为460亿光年，充满了千千万万颗恒星的宇宙中感到幽闭恐惧症。但21世纪宇宙学新兴主题之一是，已知的宇宙，即我们所能看到的一切总和，可能只是浩瀚空间中的一个微小区域。构成宏大“多元宇宙”的各种平行宇宙常常作为宇宙学理论的副产品出现。我们几乎没有希望直接观察到那些其他的宇宙，因为它们要么离我们太远，要么以某种方式与我们自己的宇宙分离。
然而，一些平行宇宙可能是独立的，但仍然能够与我们的宇宙相互作用，在这种情况下，我们可以探测到它们的直接影响。宇宙学家通过弦理论，这个自然基本定律的主要候选理论，注意到了这些世界的可能性。尽管弦理论中所谓的弦非常小，但支配其性质的原理也预测了新型的更大的膜状物体——简称为“膜”。特别是，我们的宇宙本身可能是一个三维膜，存在于一个九维空间内。更高维度空间的重塑以及不同宇宙之间的碰撞可能导致了天文学家今天观察到的一些特征。
弦理论最近受到了一些不利的媒体报道。批评是多种多样的，超出了本文的范围，但最相关的是它尚未经过实验检验。这是一个合理的担忧。但这与其说是对弦理论的批评，不如说是重申了检验关于极小尺度理论的一般困难。所有提出的基本定律都遇到了同样的问题，包括其他提议，如圈量子引力。弦理论家们继续寻求检验他们理论的方法。一种有希望的方法是研究它如何解释我们宇宙的神秘方面，其中最重要的是宇宙膨胀速度随时间变化的方式。
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开始旅程
明年将是宇宙正在以越来越快的速度膨胀这一声明发布十周年，这种膨胀是由某种不明成分（称为暗能量）驱动的。大多数宇宙学家认为，甚至在原子，更不用说星系出现之前，也发生过一个更快的加速膨胀时期，称为暴胀。宇宙在早期暴胀时期之后的温度比地球上迄今为止观测到的任何温度都要高数十亿倍。宇宙学家和基本粒子物理学家发现自己正在共同努力，试图了解如此高温下的基本物理定律。这种思想的交叉融合正在促进根据弦理论对早期宇宙进行彻底的反思。
暴胀的概念是为了解释一些简单但令人费解的观测结果而出现的。其中许多涉及宇宙微波背景辐射（CMBR），它是早期宇宙高温状态的化石遗迹。例如，CMBR揭示我们的早期宇宙几乎是完全均匀的——这很奇怪，因为没有任何通常使物质均匀化的过程（如流体流动）有时间运行。在1980年代初期，现在在麻省理工学院的艾伦·H·古思发现，一个极快的膨胀时期可以解释这种均匀性。这种加速膨胀稀释了任何先前存在的物质，并消除了密度偏差。
同样重要的是，它并没有使宇宙完全均匀。暴胀时期空间能量密度由于支配亚原子距离自然规律的内在统计量子定律而波动。就像一台巨型复印机一样，暴胀将这些微小的量子涨落放大到天文尺度，从而在随后的宇宙历史中产生了可预测的密度涨落。
在 CMBR 中看到的结果以惊人的精度再现了暴胀理论的预测。这种观测上的成功使暴胀成为关于宇宙在极早期如何演化的主要提议。即将到来的卫星，例如欧洲航天局计划于明年发射的普朗克天文台，将寻找佐证证据。
但是物理定律真的会产生这种暴胀吗？这里的故事变得更加扑朔迷离。要让一个充满常规物质的宇宙加速膨胀是出了名的困难。这种加速需要一种具有非常不寻常性质的能量类型：它的能量密度必须是正的，并且即使在宇宙急剧膨胀时也几乎保持恒定，但能量密度必须突然下降以允许暴胀结束。
乍一看，任何东西的能量密度保持恒定似乎是不可能的，因为空间的膨胀应该会稀释它。但是一种特殊的能量来源，称为标量场，可以避免这种稀释。你可以把标量场想象成一种充满空间的极其原始的物质，有点像气体，只是它的行为不像你见过的任何气体。它类似于但比更广为人知的电磁场和引力场更简单。“标量场”这个术语仅仅意味着它由一个数字（它的幅度）来描述，这个数字可以在空间内的不同位置变化。相比之下，磁场是一个矢量场，它在空间中的每个点都具有幅度和方向（朝向磁北极）。天气预报提供了这两种类型场的例子：温度和压力是标量，而风速是矢量。
驱动暴胀的标量场，被称为“暴胀子”场，显然导致膨胀加速了很长一段时间，然后突然关闭。这种动力学就像过山车之旅的最初时刻。过山车最初沿着一个缓坡缓慢爬升。（“缓慢”是一个相对的术语；就人类而言，这个过程仍然非常快。）然后是惊险的俯冲，在此期间，势能转化为动能，最终转化为热量。这种行为在理论上很难重现。在过去的25年中，物理学家提出了各种各样的提议，但没有一个成为引人注目的提议。对可能在极高能量下发生的事情的无知阻碍了这项研究，而这些极高能量很可能与此相关。
膜的困惑
在1980年代，随着暴胀理论获得认可，另一条独立的推理路线在减少我们对这个问题的无知方面取得了进展。弦理论提出，亚原子粒子实际上是微小的，一维的物体，就像微型橡皮筋一样。这些弦中的一些形成环（所谓的闭弦），但另一些是具有两个端点的短线段（开弦）。该理论将迄今为止发现的所有基本粒子，以及许多尚未发现的基本粒子，归因于这些类型弦的不同振动方式。弦理论最精彩的部分是，与其他基本粒子理论不同，它有机地包含了引力本身。也就是说，引力自然地从理论中涌现出来，而无需在开始时就假定引力。
如果该理论是正确的，那么空间就和它看起来的并不完全一样。特别是，该理论预测空间恰好具有九个维度（因此一旦包含时间，时空就具有10个维度），这比通常的长度，宽度和高度的三个维度多了六个。那些额外的维度对我们来说是不可见的。例如，它们可能非常小，我们可能对它们一无所知，仅仅是因为我们无法容纳它们。停车场可能有一条发丝般的裂缝，在路面表面增加了一个第三维度（深度），但如果裂缝很小，你永远不会注意到它。即使是弦理论家也很难可视化九个维度，但是如果物理学的历史教会了我们什么，那就是世界的真实本质可能超出了我们直接可视化的能力。
尽管名称如此，但该理论不仅仅是关于弦的。它还包含另一种称为狄利克雷膜的对象——简称为D膜。D膜是漂浮在空间中的大型，庞大的表面。它们就像光滑的苍蝇纸：开弦的末端在它们上面移动，但不能被拉下来。亚原子粒子，如电子和质子，可能仅仅是开弦，如果是这样，它们就附着在膜上。只有少数假设的粒子，如引力子（它传递引力），必须是闭弦，因此可以完全自由地穿过额外的维度。这种区别提供了看不到额外维度的第二个原因：我们的仪器可能是由被困在膜上的粒子构成的。如果是这样，未来的仪器可能能够使用引力子来进入额外的维度。
D膜可以具有最多九个维度的任何维度。零维D膜（D0膜）是一种特殊类型的粒子，D1膜是一种特殊类型的弦（与基本弦不同），D2膜是膜或壁，D3膜是具有高度，深度和宽度的体积，依此类推。我们观察到的整个宇宙可能被困在这样一个膜上——所谓的膜世界。其他膜世界可能漂浮在那里，每个膜世界对于那些被困在其中的人来说都是一个宇宙。由于膜可以在额外的维度中移动，因此它们的行为可能像粒子。它们可以移动，碰撞，湮灭，甚至形成像行星一样相互环绕的膜系统。
尽管这些概念具有启发性，但理论的严格检验来自于与实验的对抗。在这里，弦理论令人失望，因为它尚未能够通过实验进行检验，尽管已经进行了20多年的持续研究。事实证明，很难找到确凿的证据——一个预测，当经过检验时，可以决定性地告诉我们世界是否是由弦构成的。即使是大型强子对撞机（LHC）——现在即将在日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）完成——可能也不够强大。
看到看不见的维度
这使我们回到了暴胀。如果暴胀发生在粒子弦性变得明显的极高能量下，那么它可能会为弦理论家一直在寻找的实验检验提供机会。在过去的几年中，物理学家已经开始研究弦理论是否可以解释暴胀。不幸的是，这个目标说起来容易做起来难。
更具体地说，物理学家正在检查弦理论是否预测了一个具有两个性质的标量场。首先，它的势能必须是大的，正的且大致恒定的，以便有力地驱动暴胀。其次，这种势能必须能够突然转化为动能——暴胀结束时令人兴奋的过山车俯冲。
好消息是，弦理论预测的标量场并不缺乏。对于像我们这样被困在三个维度中的生物来说，这些场是一种安慰奖：尽管我们无法窥视额外的维度，但我们可以间接地将它们感知为标量场。这种情况类似于乘坐飞机，所有遮阳帘都已放下。你看不到第三维度（高度），但是当你的耳朵爆裂时，你可以感觉到它的影响。压力（标量场）的变化是感知维度的间接方式。
气压代表你头顶上方大气柱的重量。弦理论的标量场代表什么？一些对应于看不见的方向上空间的大小或形状，并且以几何“模量”场的数学术语而闻名。另一些则代表膜世界之间的距离。例如，如果我们的D3膜靠近另一个D3膜，则由于每个膜中的波纹，两个膜之间的距离可能会随位置略有变化。多伦多的物理学家可能测量到标量场值为1，而剑桥的物理学家测量到标量场值为2，在这种情况下，他们可以得出结论，相邻的膜离剑桥的距离是离多伦多的距离的两倍。
要将两个膜推到一起或扭曲额外的维度空间需要能量，这可以用标量场来描述。正如纽约大学的乔治·德瓦利和康奈尔大学的亨利·S.-H. 泰伊在1998年首次提出的那样，这种能量可能导致膜膨胀。坏消息是，对各种标量场的初步计算并不令人鼓舞。事实证明，它们的能量密度非常低——太低而无法驱动暴胀。能量曲线更像是一列停在水平地面上的火车，而不是一辆缓慢爬坡的过山车。
引入反膜
当我们在2001年开始考虑这个问题时，问题就出在这里——我们两个人，以及当时的剑桥大学的马赫布·马祖姆达尔，以及当时的普林斯顿高级研究所的戈文丹·拉杰什，任杰·张和已故的德特勒夫·诺尔特。纽约大学的德瓦利，斯维亚托斯拉夫·索尔加尼克和特拉华大学的凯撒·沙菲同时开发了一种相关的方法。
我们的创新是同时考虑膜和反膜。反膜之于膜，就像反物质之于物质。它们相互吸引，就像电子吸引它们的反粒子（正电子）一样。如果一个膜靠近一个反膜，两者会互相拉近。膜内部的能量可以提供启动暴胀所需的正能量，而它们的相互吸引可以提供暴胀结束的原因，膜和反膜碰撞并相互湮灭，发生一场盛大的爆炸。幸运的是，我们的宇宙不必为了从这种暴胀过程中受益而被湮灭。当膜吸引并湮灭时，其影响会蔓延到附近的膜。
当我们计算这个模型中的吸引力时，它太强而无法解释暴胀，但该模型是一个原理证明，表明一个稳定的过程如何能够有一个突然的结束，从而可能使我们的宇宙充满粒子。我们的反膜假设也启发了关于为什么我们的宇宙是三维的这一长期问题的新思考。
下一个改进层次是询问当空间本身，而不仅仅是其中的膜，变得动态时会发生什么。在我们最初的努力中，我们假设额外维度空间的大小和形状在膜移动时是固定的。这是一个严重的疏忽，因为空间会响应物质而弯曲，但这是一个可以理解的疏忽，因为在2001年，没有人知道如何在弦理论中明确地计算出这种额外维度的弯曲。
空间扭曲
在两年内，情况发生了巨大的变化。在2003年，斯坦福大学的沙米特·卡丘鲁，雷纳塔·卡洛什和安德烈·林德，以及塔塔基础研究所的桑迪普·特里维迪开发了一个新的理论框架，称为KKLT，以其创建者的首字母命名。他们的框架描述了额外维度的几何形状非常僵硬的情况，因此当事物在其中移动时，它不会弯曲太多。它预测了额外维度的巨大数量的可能配置，每个配置对应于一个不同的可能宇宙。可能性集合被称为弦理论景观。每种可能性都可能在多元宇宙的自身区域中实现。
在KKLT框架内，暴胀至少可以通过两种方式发生。首先，它可能是由额外维度对膜-反膜运动的引力响应引起的。额外维度的几何形状可能非常奇特，类似于章鱼，有几个细长的部分，或“喉咙”。如果一个膜沿着这些喉咙之一移动，它在扭曲维度中的运动会削弱膜-反膜的吸引力。这种削弱使得产生暴胀的慢滚过程成为可能，或许解决了我们最初提议的主要问题。
其次，暴胀可能纯粹是由额外维度的几何形状变化驱动的，而根本不需要移动的膜。两年前，我们和我们的同事提出了第一个沿着这些思路中的第二条线的弦暴胀情景。这个一般过程被称为模量暴胀，因为描述几何形状的模量场充当暴胀子。随着额外维度稳定到其当前配置，三个正常维度以加速的速度膨胀。本质上，宇宙塑造了自身。因此，模量暴胀将我们看到的维度的大小与我们看不到的维度的大小和形状联系起来。
天空中的弦
与弦理论的许多其他方面不同，弦暴胀模型可能在不久的将来通过观测进行检验。宇宙学家长期以来一直认为暴胀会产生引力波，即时空结构中的涟漪。弦理论可能会改变这一预测，因为现有的弦暴胀模型预测的引力波弱到无法观测到。普朗克卫星将比目前的仪器对原始引力波更敏感。如果它探测到这种波，它将排除迄今为止提出的所有弦暴胀模型。
此外，一些膜暴胀模型预测了被称为宇宙弦的大型线性结构，这些结构自然地出现在膜-反膜湮灭之后。这些弦可能有几种类型：D1膜或膨胀到巨大尺寸的基本弦，或两者的组合。如果它们存在，天文学家应该能够通过它们扭曲来自星系的光线的方式来探测到它们。
尽管理论上取得了进展，但仍有许多未解决的问题。暴胀是否真的发生尚无定论。如果改进的观测结果对它产生怀疑，宇宙学家将不得不转向早期宇宙的替代图景。弦理论启发了几种这样的替代方案，在这些方案中，我们的宇宙在大爆炸之前就已经存在，可能是永恒的创造和毁灭循环的一部分。在这些情况下，困难在于正确地描述标志着大爆炸时刻的转变。
总而言之，弦理论为获得宇宙暴胀提供了两种通用机制：膜的碰撞和额外维度时空的重塑。物理学家首次能够推导出宇宙暴胀的具体模型，而不是被迫做出不受控制的，临时的假设。这一进展非常令人鼓舞。弦理论诞生于解释微小尺度现象的努力，可能在天空中被大写特写。