超弦理論(圖一)-TOE超弦的總來源
超弦理論是一個試圖統一自然界所有相互作用的理論，有時
超弦理論(圖二)-11維超引力M理論弦候乾脆被稱為 Theory of Everything (TOE)， 它的廣度、 深度及雄心由此可見。 超弦理論對宇宙學的影響是多方面的，其中很重要的一個影響來源於它對時空維數的要求。 在超弦理論中， 時空的維數變成了十維而不再是四維的。 在這樣的一幅時空圖景中， 我們直接觀測所及的看似廣袤無邊的宇宙不過是十維時空中的一個四維超曲面，就象薄薄的一層膜， 可憐的我們就世世代代生活在這樣一層膜上， 我們的宇宙論也就變成了膜宇宙論。
超弦理論(圖三)-M弦分化為五種弦高維時空的觀點並不是超弦理論所特有的，早在 1919 年， T. Kaluza 就把廣義相對論推廣到了五維時空， 試圖由此建立一個描述引力與電磁相互作用的統一框架； 1926 年， O. Klein 發展了 Kaluza 的理論， 引進了緊緻化 (Compactification) 的概念， 由此建立了所謂的 Kaluza-Klein 理論。 Kaluza-Klein 理論與膜宇宙論的主要差別在於： Kaluza-Klein 理論中的物質分布在所有的維度上， 而膜宇宙論中只有引力場、引力微子 (Gravitino) 場 (引力微子為引力子的超對稱夥伴)、 Dilaton 場等少數與時空本身有密切關係的場分布在所有的維度上， 由標準模型描述的普通物質只分布在膜上。
超弦理論(圖四)-膜宇宙不僅高維時空的觀點不是超弦理論所特有的，就連這種認為由標準模型描述的物質只分布在膜上而不是象 Kaluza-Klein 理論假定的那樣分布在整個高維時空中的觀點也早在二十世紀八十年代初就有人從唯象理論的角度提出過了，與超弦理論無關。 但是象這樣的一種觀念， 只憑一些唯象的考慮是不足以成為現代宇宙論的基礎的， 它本身必須有明確的理論依據。 這種理論依據隨著超弦理論的發展漸漸地成為了可能。二十世紀九十年代中期， 在超弦理論中出現了著名的 “第二次超弦革命”， 存在於各種超弦理論之間的許多對偶性被發現， 在這些研究中物理學家們注意到了， 不僅各種超弦理論之間存在著密切的關聯，超弦理論與 11 維超引力理論之間也存在一定的關聯[注一]。 受此啟發， 1995 到 1996 年間 E. Witten 提出了一種 11 維時空中的新理論，它以 11 維超引力理論為低能有效理論， 並且在特定的參數條件下能夠再現物理學家們熟悉的所有五種不同類型的超弦理論。 從這個意義上講， 這種新理論可以被認為是統一了各種類型的超弦理論。這一新理論被稱為 M 理論。 在研究這種 11 維超引力理論及 M 理論時， 由於超弦理論中的規範場只存在於十維時空中， 因此很自然地出現了規範場只存在於 11 維時空中的超曲面上的觀點， 這便是膜宇宙論思想在超弦理論中的出現， 最初是由 P. Horava 與 Witten 等人提出的。
超弦理論與膜宇宙論的出現讓物理學家們的思路越出了四維時空的羈絆，為宇宙學常數問題的研究提供了一個全新的視角。 那么從這個全新的視角中我們能看到什麼新的東西呢？ 讓我們來回顧一下前面試圖運用超對稱解決宇宙學常數問題的主要推理步驟：
超對稱在 TeV 量級上破缺 → 宇宙學常數比觀測值大 60 個數量級 → 宇宙半徑在毫米量級
上述推理中， 對超對稱破缺能標的估計來自於現有高能物理實驗與理論的綜合分析，顯著調低該能標將與未能觀測到超對稱粒子這一基本實驗事實相矛盾， 而調高該能標只會使宇宙學常數的計算值更大， 從而更偏離觀測值； 從超對稱破缺能標到宇宙學常數的計算依據的是量子場論；而從宇宙學常數到宇宙半徑的計算依據的是廣義相對論。 這些理論在上述計算所涉及的條件下都是適用的， 因此整個推理看上去並沒有什麼明顯的漏洞。 但是從膜宇宙論的角度看，上述推理卻隱含著一個很大的額外假定！ 正所謂 “不識廬山真面目， 只緣身在此山中”。
這個額外假定出現在最後一步推理中。宇宙學常數與曲率之間的關聯的確是廣義相對論的要求， 但問題是： 我們談論的究竟是哪一部分空間的曲率呢？ 想到了這一點， 我們不難發現上述推理所隱含的額外假定就是：由宇宙學常數所導致的曲率出現在我們的觀測宇宙中。 這原本不是問題， 因為長期以來， 在宇宙學中空間不言而喻就是指的我們觀測到的三維空間， 任何曲率當然指的也就是這個三維空間的曲率。但是在膜宇宙論中空間共有九維之多， 情況就大不相同了， 假如由宇宙學常數所導致的曲率只出現在觀測宇宙以外的維度中， 豈不就沒有問題了嗎？ 要知道一個均勻的背景能量動量分布 - 即宇宙學常數 - 本身並不是問題， 由此而導致的可觀測的曲率效應才是問題的真正所在[注二]， 因此倘若由宇宙學常數所導致的曲率果真只出現在觀測宇宙以外的維度中，宇宙學常數問題中最尖銳的部分 - 與觀測之間的矛盾 - 也就冰消玉釋了。
那么在膜宇宙論中由宇宙學常數所導致的曲率果真有可能只出現在觀測宇宙以外的維度中嗎？
