能量不是連續的，時空可以彎曲，銀河系不是唯一的星系，宇宙在膨脹……這些發現對19世紀的物理學家來說根本無法想象。那些我們曾經認為固定不變的事物，最終都隨著我們對自然的更深刻理解而發生了變化。
即使到了今天，我們對宇宙全貌的理解也不超過5%，還有95%是完全未知的暗物質和暗能量。這是一個令人興奮的時代，因為有如此之多的謎題等待被解開。為了回答這許許多多的難題，有時物理學家也會提出一些瘋狂的想法。
假如光速曾經更快
我們都知道，真空中的光速是宇宙中的速度極限。愛因斯坦的相對論告訴我們，任何物體的運行速度僅是接近這一極限都會引發一連串問題，比如時間膨脹、長度收縮等。只有像光子這種無質量的物體才能達到這一極限速度。
光速的恆定和有限，也讓我們意識到星際殖民計劃是件多麼遙不可及的事。例如，就算宇宙飛船以光速飛向離我們最近的恆星系統，也將耗時4年多。
但如果光速是可變的呢？
假如光速是無限的，那麼無質量的粒子和它們所攜帶的資訊可以從一個點瞬間移動到另一個點，因與果會一同來到，一切都會同時發生。宇宙將沒有歷史、沒有未來，我們所理解的時間也會消失……這當然不會是我們所希望看到的宇宙。
然而，如果光速可以更大的話，那麼就可以解決宇宙學中一個大難題——為何宇宙各處的溫度基本都是相同的。要知道自宇宙大爆炸發生以來，並沒有足夠的時間讓宇宙中的任意兩點實現這種熱平衡。
宇宙微波背景上相隔非常遙遠的兩個點，為何有相同的溫度？
標準的宇宙學模型會用暴脹來解決這個問題。暴脹理論認為，在極早期的宇宙中，空間會突然膨脹得比光速還快，這種超光速在愛因斯坦的相對論中是被允許的，如此一來就把一個均勻的溫度帶向遙遠的地方。但暴脹模型必須具有很強的靈活性，這樣才能與現有的觀測結果相匹配。
1997年，Joao Magueijo和他的同事Andreas Albrecht開發了一個簡單的與暴脹相抗衡的模型。這一模型可追溯到20世紀30年代英國物理學家狄拉克（Paul Dirac）的一個想法，他認為自然界的物理學常數可能不是恆定的。Magueijo和Albrecht意識到，如果光在早期宇宙中被提高到更快的速度，那麼光可以快速移動，使得相距遙遠的不同區域擁有相同的溫度。
如今，Magueijo也提出了在宇宙微波背景的漲落中測試可變光速的方法，使乍聽之下非常激進的想法變成物理學家可以實際檢驗的東西。假如光速真的可變，那就意味著宇宙中的自然法則並不總如我們今天所看到的一樣。
假如有一個反物質世界
當物質和反物質相遇時會發生湮滅。
對許多人而言，反物質似乎依然存在於科幻小說之中。但其實，無論是我們的身體，還是日常食用的香蕉，許多事物都會釋放出非常微量的反物質。
上個世紀20年代，狄拉克為了解釋像電子這樣的微小、快速移動的基本粒子的行為，成功地將量子理論與狹義相對論結合在了一起。他書寫下了一個優雅、簡潔的統一方程，而那個方程還蘊藏一個令人意想不到的結果。狄拉克方程預言了，每一種物質粒子都有一種相應的反粒子，除了電荷相反，這種反粒子與粒子的性質一樣。
更令人驚喜的是，僅三年之後，安德森（Carl Anderson）便在宇宙線中發現了電子的反粒子——正電子。然而，反物質的存在也引發另一個大謎題：最先進的理論模型告訴我們，在宇宙誕生之初，應該有等量的物質和反物質被創造出來。但顯而易見的是，我們生活在一個由物質主導的世界。那麼，那些反物質粒子都在哪裡？
首先，反物質粒子不可能在離物質粒子很近的周圍，因為一旦它們相遇就會相互湮滅，並會產生X射線的高能閃光。粒子在各種小尺度上的行為或許能使得物質略多於反物質，但這不足以解釋我們所看到的這種巨大差異。
莫非缺失的反物質在別的我們不知道的地方？比如在完全由反物質構成的恆星和星系中？反物質構成的恆星所發出的光與普通恆星相同，而且反物質恆星也會像我們的太陽通過太陽風釋放出粒子一樣，放出反粒子風。當這些反粒子與星系外的普通物質接觸時，也會釋放出在宇宙中可見的X射線。但到目前為止，我們還沒有看到過任何類似的東西。
在今天的宇宙中，正電子和反質子都可以被相對容易地製造出來，比如當高能粒子在已經死亡的恆星周圍的強磁場中發生碰撞時。大多數氦是在宇宙誕生的最初幾分鐘內產生的，因此，找到反氦，就等同於找到能產生大量反物質的過程。恆星是唯一可以產生碳以及更重的原子核的地方，所以如果發現一個反碳原子核，則可以證實在宇宙的某個地方有著一顆反物質恆星。
想要尋找這些反粒子信號，就必須將探測器發送到太空，因為反粒子一旦與我們的大氣層接觸，就會即刻湮滅。因此，這類搜尋工作不僅對探測技術有著極為苛刻的要求，還需要足夠久的時間才可能收集到有意義的、足以說明問題的事件。
假如宇宙不止三維
三維是我們描述這個世界的最完美維度嗎？
我們生活在一個三維空間中。當然，算上時間，那可以說我們生活在一個四維時空中。儘管時間是一個奇怪的單向維度。一直以來，物理學家認為可能有超出上下、左右、前後的空間維度存在。
19世紀後期，英國數學家查爾斯·霍華德·辛頓提出，我們所感知到的不同物體之間的運動關係可被視為是四維空間中的物體在穿過我們的三維宇宙。這是什麼意思呢？我們可以設想一下當一個球穿過二維平面時的畫面，我們會看到一個半徑隨時間的推移先擴大再縮小的圓：
上個世紀二十年代初，在愛因斯坦提出描述引力的廣義相對論的幾年後，一個名叫卡魯扎（Theodor Kaluza）的年輕波蘭數學家試圖通過在已知的四維時空上再增加一個額外的空間維度，來統一自然界中的兩種基本力——引力和電磁力。卡魯扎設想的這個維度非常非常小，小到我們根本無法察覺它的存在。
但真的存在額外維度嗎？如果存在，那麼空間中又有多少維呢？在卡魯編髮表其經典論文的100多年後，我們仍然沒有答案。如今，物理學家想要做的是把引力、電磁力，以及在卡魯扎時代之後才發現的強力和弱力全部統一起來。或者說，物理學家想要找到的是一個能夠統一廣義相對論和量子理論的量子引力理論。
許多科學家都認為弦理論是迄今為止最完整、最有希望的量子引力理論。弦理論假設，在最基本的層面上，宇宙中所有的物質都是由微小的弦組成的。弦的不同振動方式對應著不同的基本粒子，比如電子、光子或引力子。弦理論描述了一個有著10個維度的宇宙，除了我們已知的4個維度，還有6個維度被隱藏起來了。今天，物理學家仍在努力地構思各種實驗，試圖證明或否定這些額外維度的存在。
#創作團隊：
整理：原原
排版：雯雯
#參考來源：
https://magazine.caltech.edu/post/quantum-gravity
#圖片來源：
封面圖&首圖：NASA/ESA