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解讀弦理論,它擁有無數種創造宇宙的方法!

發布時間:2019-05-16 14:54:10  作者:宇宙探索  來源:宇宙探索  閱讀:193

    解讀弦理論,它擁有無數種創造宇宙的方法!
      一直徘徊在弦理論“景觀”中的物理學家們,在弦理論數不勝數的數學解空間中,每一個解都提供了物理學家描述現實所需的各種方程,他們偶然發現了這些方程的一個子集,它們與我們的宇宙中存在的物質粒子集相同。
      但這不是一個很小的子集:至少有一萬億個這樣的解,使它成為弦理論中發現的最大的這樣的集合。
      根據弦理論,所有粒子和基本力都來自于微小弦的振動態。為了數學上的一致性,這些弦在10維時空中振動。為了與我們熟悉的日常宇宙(包括三個空間維度和一個時間維度)體驗保持一致,額外的六個維度被“壓縮”,因此無法被檢測到。
      不同的壓縮導致不同的解決方案。在弦理論中,“解”是指由愛因斯坦引力理論和量子場論耦合而成的時空真空。每種解決方案都描述了一個獨特的宇宙,它有自己的一組粒子、基本力和其他這樣的定義屬性。
      一些弦理論家一直致力于尋找將弦理論與我們已知的、可觀測的宇宙--特別是描述除引力以外的所有已知粒子及其相互作用力的粒子物理標準模型--聯系起來的方法。
      這方面的大部分工作都涉及到弦理論的一個版本,在這個版本中,弦之間的相互作用很弱。然而,在過去的二十年里,弦理論的一個新的分支-F理論允許物理學家們研究強相互作用或強耦合的弦。
      費城賓夕法尼亞大學的米爾加姆·克維奇(Mirjam Cvetic)說:“一個有趣的,令人驚訝的結果是,當耦合很大時,我們可以從幾何角度來描述這個理論。”
      這意味著弦理論家可以使用代數幾何--使用代數技術來解決幾何問題,來分析F理論中壓縮額外維數的各種方法,并找到解決方法。數學家們一直在獨立地研究F理論中出現的一些幾何形式。同樣來自賓夕法尼亞大學的研究人員說:“它們為我們物理學家提供了一個巨大的工具包,幾何學真的是關鍵的語言,正是‘語言’使F理論成為一個強大的框架。”
    解讀弦理論,它擁有無數種創造宇宙的方法!
      現在,克維奇和波士頓東北大學的詹姆斯·哈沃森(James Halverson),還有他們的同事已經用這樣的技術找出了一類具有弦振動模式的溶液,這些模式導致了類似于標準模型所描述的費米子(或物質粒子)的光譜--包括所有的費米子都是在三代之后出現的性質(例如,電子,µ介子和τ介子是一種費米子的三代。
      由克維奇和他的同事們發現的F理論解中的粒子也表現出標準模型粒子的手征。在粒子物理學術語中,這些解精確地再現了標準模型粒子的“手征光譜”。例如,這些溶液中的夸克和輕子有左撇子和右撇子兩種版本,就像它們在我們的宇宙中所做的那樣。
      新的工作表明,至少存在一千萬億個解,其中的粒子具有與標準模型相同的手征光譜,這比到目前為止在弦論中找到的解多出10個數量級。“到目前為止,這是標準模型解決方案的最大領域。”克維奇說,“在幾何幫助我們的強耦合弦理論體系中,這是令人驚訝的,實際上也是有益的。”
      一千萬億,雖然它比F理論中的解的大小要小得多(最后計算數據顯示為10^272000),但卻是一個非常大的數字。哈沃森說:“因為這是一個非常大的數字,而且它在現實世界的粒子物理中得到了一些不平凡的東西,我們應該認真地對待它,并進一步研究它。”
      進一步的研究將涉及揭示與現實世界的粒子物理學之間更強的聯系。研究人員仍需計算出F理論解中粒子之間的耦合或相互作用,這又取決于額外維度的壓縮的幾何細節。
      這可能是在千萬億個解的空間中,有一些具有耦合作用,可能導致質子在可觀察到的時間范圍內衰減。這顯然與現實世界格格不入,因為實驗還沒有看到任何質子衰變的跡象。或者,物理學家可以尋找實現標準模型粒子譜的解決方案,這些粒子保持一種稱為R宇稱的數學對稱性。研究人員認為,這種對稱性阻止了某些質子的衰變過程,從粒子物理學的角度來看,這將是非常有吸引力的,但在我們目前的模型中是缺失的。
      此外,該工作假設超對稱性,這意味著所有的標準模型粒子都有伙伴粒子。弦理論需要這種對稱性來保證解的數學一致性。
    解讀弦理論,它擁有無數種創造宇宙的方法!
      但是,為了使任何超對稱理論與可觀察到的宇宙相吻合,對稱性必須被打破(就像就餐者在左邊或右邊選擇餐具和酒杯會“打破”桌子的對稱性一樣)。否則,伙伴粒子的質量將與標準模型粒子相同,顯然不是這樣,因為我們在實驗中沒有觀察到任何這樣的伙伴粒子。
      至關重要的是,大型強子對撞機(LHC)的實驗也表明,即使在LHC探測到的能量尺度上,超對稱性如果是對自然的正確描述,也不會被打破,因為LHC尚未發現任何超對稱粒子。
      弦理論家認為超對稱只有在極高的能量下才會被破壞,而這些能量在短期內都不在實驗范圍之內。哈沃森說:“弦理論的預期是,完全符合大型強子對撞機數據的大規模(超對稱)斷裂是完全可能的,這需要進一步分析,以確定在我們的案例中是否會發生這種情況。”
      盡管有這些警告,其他弦理論家都贊同這項新工作。麻省理工學院(MIT)的弦論學者華盛頓·泰勒(Washington Taylor)表示:“這無疑是向證明弦理論產生了許多具有標準模型特征的解決方案邁出的一步。”
      哈佛大學F理論的開發者之一卡姆倫·瓦法(Cumrun Vafa)說:“這是非常好的工作,事實上,你可以安排幾何結構和拓撲結構,使其不僅符合愛因斯坦的方程,而且符合我們想要的粒子光譜,這一點并不簡單。”
      但是瓦法和泰勒都警告說,這些解決方案與標準模型并不完全匹配。找到與我們這個世界的粒子物理完全匹配的解決方案是弦理論的最終目標之一。盡管有無限的解決方案,但仍然存在一個與我們的宇宙相匹配的獨特解決方案。但是,要準確地指出這一點并不容易。
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