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    弦理论创造的宇宙可能比想象的要少得多?

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      爱因斯坦

      根据一些物理学家的说法,弦理论的问题在于它产生了太多宇宙。它预测的不是一个而是10^500个宇宙版本,每个都有各自的物理定律。但是有这么多的宇宙,这个理论怎么能解释为什么我们有它的特性呢?现在一些理论家提出(如果不是全部的话)这些宇宙实际上都是被“禁止”的,至少如果我们想让它们拥有稳定的暗能量,即加速宇宙膨胀的假想力量。对一些人来说,消除这么多可能的宇宙不是缺点,而是弦理论向前迈出的重要一步,为做出可测试的预测带来了新希望。但也有人说多元宇宙将会继续存在,对于所有这些宇宙提出的问题根本不是问题。

      弦理论创造的宇宙可能比想象的要少得多?

      图片:Juergen Faelchle/Shutterstock

      博科园-科学科普:弦理论家们为2018年的会议召开了会议,这场辩论在6月底的日本是一个热门话题。瑞典乌普萨拉大学的物理学家Ulf Danielsson说:这确实是一个新发现,它在这个领域引起了争议。这些论文针对的是所谓弦理论“景观”——弦理论中有许多不同的解,这些解产生了我们自己的宇宙,包括暗能量。但论文认为,迄今发现的绝大多数解决方案在数学上是不一致的,把它们放在所谓的“沼泽”(swampland)宇宙中,而不是实际存在的。哈佛大学物理学家Cumrun Vafa说:多年来,科学家们已经知道许多解决方案肯定会落在这片沼泽地上,但大多数,或者可能所有的景观方案都可能存在的想法将会发生重大变化。事实上,从理论上讲,要找到包含稳定暗能量的弦理论有效解决方案可能是不可能的。

      迷失在多元宇宙中

      弦理论试图通过增加时空的额外维度和把粒子想象成极小的振动循环来描述整个宇宙。许多弦理论学家认为,这仍然是追求阿尔伯特爱因斯坦(Albert Einstein)将广义相对论与相互冲突的量子力学微观世界统一起来最有希望的方向。然而,弦理论的概念不仅能预测一个宇宙,还能预测许多宇宙,这让一些物理学家望而却步。普林斯顿大学的物理学家Paul Steinhardt说:在我看来,如果这真的是一幅风景画,那么这一理论就会消亡,因为它失去了所有的预测价值。新发现的暗能量问题为弦理论提供了一条出路,这种大的多重宇宙图景在数学上可能是错误的,矛盾的是,这让事情变得更有趣,因为这意味着弦理论比我们想象的更具有预测性。

      一些弦理论家,比如芝加哥大学的Savdeep Sethi说:欢迎现在正在进行的重新评估,很长一段时间以来,一直对这个景观持怀疑态度,我很高兴看到范式转变,不再相信我们已经有了一套行之有效的解决方案。但并不是所有人都认同这样的观点,即这片土地实际上属于沼泽——尤其是早在2003年就建立了最早版本的这片土地研究团队。KKLT成员、斯坦福大学的Shamit Kachru说:我认为做出这些猜测并检查其他可能发生的事情是非常有益的,但我认为无论是理论上还是实验上都没有理由认真对待这种猜测。斯坦福大学(Stanford)的物理学家伊娃西尔弗斯坦(Eva Silverstein)也帮助建立了早期的景观模型,她也同样怀疑瓦法和他的同事的观点说:我认为KKLT使用的原料以及它们搭配的方式是完全正确的。高级研究所的理论家胡安·马尔达塞纳(Juan Maldacena)说:我仍然支持弦理论和稳定暗能量的观点。

      许多理论家对弦理论的多元宇宙非常满意。Kachru说:如果这幅风景图是正确的,那么我们所处的宇宙与多元宇宙相比,就像是宇宙中的太阳系,这是一件好事。约翰内斯·开普勒(Johannes Kepler)最初寻找地球与太阳之间距离的根本原因。但现在我们知道,太阳只是银河系中数十亿颗恒星中的一颗,每颗都有自己的行星,而地球与太阳的距离只是一个随机数,而不是某种深奥的数学原理的结果。同样,如果宇宙是多重宇宙中的万亿之一,我们宇宙的特定参数也同样是随机的。这些数字似乎完美地微调,创造了一个可居住的宇宙,这是一种选择效应——人类当然会发现自己身处多元宇宙中一个罕见的角落,在那里他们有可能进化。

      宇宙加速膨胀

      如果弦理论真的不能适应稳定的暗能量,这可能是怀疑弦理论的一个理由。但Vafa说:这是一个怀疑暗能量的理由——暗能量是其最流行的形式,被称为宇宙常数。这个想法起源于1917年的爱因斯坦,1998年天文学家发现,不仅是时空扩张,而且膨胀率正在上升,这一想法在1998年又重新出现了。宇宙常数将是空间真空中的一种能量形式,它不会改变和抵消地心引力。但这并不是加速宇宙的唯一可能解释。另一种选择是“Quintessence”,这是一个可以演化的、遍布时空的领域。不管能否在弦理论中实现稳定的暗能量,结果证明,在弦理论中,暗能量随时间变化的想法实际上更自然,如果是这样的话,那么就可以通过天体物理观测来测量暗能量的滑动。迄今为止,所有的天体物理证据都支持宇宙常数的观点,但在测量中有一些回旋的空间。

      即将进行的实验,如欧洲的欧几里得太空望远镜、美国宇航局的广角红外观测望远镜(WFIRST)和智利沙漠中的西蒙斯观测站,都将寻找过去暗能量比现在强或弱的迹象。有趣的是已经处于一个敏感的水平,开始对(宇宙常数理论)施加压力。不必等待新技术的出现,我们现在就在游戏中。甚至对Vafa的提议持怀疑态度的人也支持考虑替代宇宙常数的想法。希尔弗斯坦说:我实际上同意(一个不断变化的暗能量场)是一种简化加速膨胀的方法,但我认为:目前对暗能量的观测预测没有任何理由。Quintessence不是唯一的选择。在Vafa的论文之后,Danielsson和他的同事提出了另一种将暗能量融入弦理论的方法。在他们的视野中,宇宙是一个在更大的空间内膨胀的气泡的三维表面。这个表面的物理可以模拟宇宙常数的物理,与我们到目前为止的想法相比,这是实现暗能量的另一种方式。

      一个美丽的理论

      最终,弦理论的争论集中在一个深奥的问题上:物理学的意义是什么?一个好的理论应该能够解释我们周围宇宙的特殊特征吗?还是这要求太多了?当一个理论与我们认为的宇宙运行的方式相冲突时,我们是放弃了这个理论还是放弃了认为我们知道的东西?弦理论非常吸引许多科学家,因为它是“美丽的”——它的方程令人满意,它提出的解释也很优雅。但到目前为止,它还缺乏任何支持它的实验证据,更糟糕的是,收集这些证据的任何合理前景。然而,即使是弦理论也可能无法容纳在我们周围宇宙中看到的那种暗能量,这并不能阻止一些人。弦理论是如此丰富和美丽,几乎所有的东西都是如此正确,以至于我们很难相信错误是在弦理论中而不是在我们身上。但也许追求美并不是找到正确的宇宙理论的好方法。数学充满了令人惊叹和美丽的东西,其中大多数都无法描述这个世界。尽管有不同的观点,物理学家是友好的一群,他们的共同目标是理解宇宙。

      博科园-科学科普|文:Clara Moskowitz,Lee Billings/Scientific American/Space

      博科园-传递宇宙科学之美

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