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弦论能用千万亿种方式,创造出我们的宇宙?


一些物理学家坚信“弦论景观”,认为得出的大量的数学上的解,每个解对应的方程可以描述一个宇宙。偶然之间,他们发现在这些解中,有一个与我们的宇宙有着相同粒子组成的方程子集。这是一个至少有千万亿解的解集,也是迄今为止在弦论中发现最大的。


来源 | Scientific American

撰文 | Anil Ananthaswamy

翻译 | 张朵儿

审校 | 吴非 韩晶晶


在弦论中,所有粒子和基本力都来自微小的弦的振动。在数学上,这些弦应该在10维时空中振动。但我们只是生活在三维空间和一维时间中,其余的六个维度无法探测到,被“紧致化”(compactified)到极小的尺度上。


不同的紧致化方式会导致不同的解。弦论中的每个解代表了一种真空,受到耦合的爱因斯坦引力理论和量子场论控制。每个解都描述了一个独特的宇宙,这个宇宙里有独特的基本粒子、基本力及其他属性。


一些弦论学家在努力寻找弦论与现实宇宙特性之间的联系,尤其它是与粒子物理标准模型之间的联系。标准模型描述了所有已知粒子和除引力之外的所有作用力。


在这些尝试使用的弦论模型中,弦通常是弱耦合的,然而在过去二十年间,弦论发展出一个新的分支,称为F理论(F-theory)。运用这个新理论,科学家可以处理相互作用较强,或者说强耦合的弦。


“惊喜的是,强耦合下的弦论可以通过几何来描述。”宾夕法尼亚大学的Mirjam Cvetic说。


这意味着弦论学家可以使用代数几何分析F理论中额外维紧致化的方式以及对应的解。数学家一直在独立地研究F理论中的几何形式。“他们为物理学家贡献了一个庞大的工具包,”同来自宾夕法尼亚大学的Ling Lin说,“正是几何学为F理论构建了如此强大的框架。”


现在,Cvetic、Lin、美国东北大学的James Halverson等人已经利用这种方法找到了一类弦论的解,其中弦的振动模式可以得出与标准模型描述的粒子相似的费米子谱系(也就是物质粒子),例如,解中的费米子也有三代(在标准模型中,电子、μ子和τ子就是同一类费米子的三代成员)。


Cvetic及同事发现的F理论解也有标准模型下的手性粒子,这些解准确重现了标准模型粒子的“手征谱”。例如,解中的夸克、轻子和我们宇宙中的一样,分别是左手和右手性的。


这项新工作表明,至少有千万亿个解与标准模型中的粒子有相同的手征谱,比此前找到的解多10个数量级。“这是最大的标准模型解集合,”Cvetic说,“有些意外的是,这样的解出现在强耦合弦论体系中,是几何学帮到了我们。”


千万亿相对于F理论中的景观解(大概1010272000)来说,并不是很大。但它仍然是一个非常巨大的数字,“它可以帮助我们解决粒子物理中非常重要的问题。我们应该认真深入地去研究。” Halverson说。


进一步研究将与现实世界中的粒子物理学建立更强的联系。研究人员仍需研究F理论下粒子之间的耦合或相互作用,而这又取决于额外维紧致化的几何细节。


在千万亿解的空间中,某些解的耦合方式可能会导致质子在可观察的时间尺度内衰变。这显然与实际不符,因为暂时没有实验能看到任何质子衰变的迹象。或许,物理学家可以寻找既满足标准模型粒子谱,又保留了一种数学对称性,也就是R奇偶校验(R-parity)的解。“这种对称性禁止某些质子衰变过程。从粒子物理的角度来看非常吸引人,但一直没有出现在现有的模型中。”Lin说。


此外,这项工作的前提是超对称存在,也就是说所有标准模型粒子都有伴侣粒子。弦论需要这种对称性来保证解的数学一致性。


然而,为了使超对称理论与可观测的宇宙相吻合,必须要打破对称性。否则,伴侣粒子将具有与标准模型粒子相同的质量,但是显然我们从未在实验中观察到这样的粒子。


至关重要的是,大型强子对撞机(LHC)的实验也证明了,即使超对称理论是正确的,它在LHC可探测能量范围内并没有被打破,因为LHC尚未发现任何超对称粒子。


弦论学家认为,超对称性可能只会在极高的能量下被破坏,而且暂时没法在实验上达到。“弦论的期望是高能下的超对称的破坏,这与LHC的数据完全一致,是完全有可能的,”Halverson说,“至于能否实现,还需要进一步分析。”


尽管有不少缺陷,但其他弦论学家对这项新工作表示了赞同。麻省理工学院的弦论学家华盛顿·泰勒(Washington Taylor)说:“这是在用弦论解释标准模型粒子特性时,非常重要的一步。”


“这是一项非常好的工作,”F理论的始创人,哈佛大学的Cumrun Vafa说,“事实上,通过改变几何和拓扑结构,不仅可以满足爱因斯坦方程,还能得到我们想要的粒子谱。”


但Vafa和Taylor也表示,目前这些解还远远不能与标准模型完美匹配,但会是弦论的终极目标之一。Vafa也认为,尽管弦景观解集如此大,总有一个独特的解会有我们的世界相契合。“我相信会有一个的,”他说。但是,“要证明这点并不容易。”


原文地址:

https://www.scientificamerican.com/article/found-a-quadrillion-ways-for-string-theory-to-make-our-universe/?tdsourcetag=s_pctim_aiomsg



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