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    你想知道的平行宇宙(下)(3)

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      科普驿站 第三十期

      主题:你想知道的平行宇宙(下)

      科目:物理/天文学

      难度:B2

      时间:2019年11月24日

      作者:咕咕黎、重蝶子、弦轴子

      讲师:弦轴子

      膜宇宙模型:

      下面开始谈谈我们的主角之一——膜宇宙模型。

      它的发展大部分是为了解释宇宙的加速膨胀,因为在1998年人们发现宇宙不仅是膨胀,而且是加速膨胀。

      于是,弦理论被引入宇宙学中,很多模型引入高维空间来解释为什么宇宙会加速膨胀。不过这些额外维空间还是紧致化的,尺度太小,基本上都在普朗克尺度,不可能形成平行宇宙,基本上没有物质可以在上面。

      当然还有一小部分提出是为了解决粒子物理中标准模型能级问题,比如为什么弱电统一能标跟大统一理论的能标,跟普朗克统一能标相差那么大。

      ADD模型:

      比如在1998年,尼玛·阿卡尼·哈米德,萨瓦斯·蒂莫泡罗斯,乔治·德瓦利提出了一种额外维理论用来解决这些问题。这种模型就被称为ADD模型(三人名字的首字母缩写)。

      在这个模型中,额外维空间是可以调节的,而且不一定是普朗克尺度附近。额外维空间紧致的半径R大概等于(1/2pi)10^(32/d),这里的n是你引入额外维的维度数目。

      不过被证明d不能等于1,因为如果d=1,这个额外维空间的尺度大概有太阳系那么大,但是引力将不遵循平方反比,况且我们没有发现在太阳系那么大尺度上,引力不遵循平方反比。

      而当d=2时,这个额外的尺度大概小于37微米,但是当d大于3时,这个额外的尺度大概小于10^(-9)米,是否遵循平方反比还不知道,这方面很难做,因为我们验证库仑力还是引力的平方反比依旧用的是扭秤。

      你想知道的平行宇宙(下)(3)

      当然这个d可以取其他值,不过当d越大的时候,额外维尺度越小,最大不超过太阳系的尺度。d值越大,额外维尺度越小,在这个小尺度上,引力不遵循平方反比将被显现出来。

      为什么引力会高度发散呢?这个理论认为,我们普通的物质包括电磁波都是开弦,被限制在3维膜上,所以这个开弦的端点都在这个膜上。只有类似于闭弦的引力子,才可以离开这个膜,不受这个膜的控制逃离至高维空间中。所以,引力才这么弱。

      看到这里聪明的你一定想问,这个膜又是什么?弦理论中对应了什么?

      还记得我们上面刚说的吗?这个开弦的端点都在这个膜上。是不是很熟悉?很像D膜?

      因此,这里的膜包括后来提到的都是D膜。

      关于引力子可以逃离我们所生活的膜或者是在高维空间中传播这个思想在1999年到2002年还被美国理论物理学家丽莎·兰道尔还有桑壮等人引入他们自己的模型中。根据提出者的首字母缩写,这个模型被称为RS模型

      他们也是为了解决标准模型能标问题,包括超对称的引入也是为了解决标准模型能标问题。

      不过他们引入的额外维度只有一个。因此整个宇宙是五维时空,我们是生活在其中一张膜上的,这个膜是三加一形式的,而沿着这第五个维度方向有另一张膜,这个膜上有很多超对称破缺而产生的粒子。能在这两张膜之间通行的就只有引力子。

      你想知道的平行宇宙(下)(3)

      当然这只是最简单版本,在有的RS模型中,这些在五维时空中的三维膜并不只有一个,也许是无穷多个。它们之间通过引力相互作用,而因为只有引力子才可以从膜上逃出,每一张三维膜有可能是一个世界,或者一个子宇宙也就是平行宇宙。

      你想知道的平行宇宙(下)(3)

      你想知道的平行宇宙(下)(3)

      如果想验证RS模型理论的正确性,我们就必须要证明额外维空间是否存在。

      你想知道的平行宇宙(下)(3)

      只要找到引力子逃离的证据就可以(这些粒子突然在我们这个维度上消失)或者找到RS理论预言出的引力子。

      虽然ADD模型可能成为平行宇宙,但最低的是引入一个维度,只有一个太阳系大小,而且被否决了,剩下的都是几厘米甚至几毫米,也许有物质产生,但估计不会产生什么智慧生命。

      验证这个模型最好的方式就是在它引入的额外维的尺度上观察引力是否遵循平方反比。

      在d=1这种情况下是不可能的,因为在太阳系这个尺度上引力是遵循平方反比的,但是对于10^(-9)米级别的,目前还没有实验可以证明。有的文章表示可以针对原子和电子之间的引力来做文章。但是据我所知,目前没有人做这种实验。

      总之,平行宇宙或者额外维或者高维空间,虽然看起来很奇幻荒诞,但是在物理上也有严格的定义。只不过物理上讲的跟一些自媒体文章视频中所讲到的有可能不一样,一些自媒体也可能根据这些概念自己发挥想象想象出来,但是并不是物理上的。

      比如一些高维空间生物可以决定或者影响低维度空间,我们只是高维空间的投影等等这些传言并不像一些自媒体营销号说的那样。

      首先目前物理理论认为可以脱离我们这个维度空间的就只有引力子,任何物质包括电磁波都不可以脱离。

      所以如果影响的话也只能通过微弱的引力去影响。

      关于投影问题并没有像那些营销号说的那样,因为只有引力才可以脱离3d膜。

      不过如果高维空间真的存在粒子的话,那么它的投影方式非常特别。我们将会发现一系列性质相似,但是质量或者其他东西呈等差数列的粒子。

      你可以类比一下一个正方体,在二维平面不同角度和方向投影是不同的图形,但是它们都属于同一个正方体。

      对于高维空间粒子也是这样,我们可以很容易写出五维甚至高维的粒子场的拉格朗日量,写出它的作用量。

      我们把高维度积分积掉之后,会得到一系列的粒子场,它是在我们生活的四维时空中,但是它的质量等一些取值是按照等差数列排列的。

      如果我们在我们生活的四维时空中发现这一类的例子,这就说明可能存在高维空间。

      也许在高维中,我们所生活的三维空间如同茫茫大海中的岛屿一样,岛屿并不止一个,在那些岛屿上也许有相同的生命形式,遵循相同的自然规律。这些岛屿就是平行宇宙。

      弦景观平行宇宙:

      讲完膜宇宙模型,我们再来介绍最后一个主角——弦景观。

      由于前面,我们做了大量的铺垫和表述,所以讲到这个主角的时候就很容易啦。

      首先什么叫弦景观?什么是弦景观?如果你不知道那就跟我一起去研究研究。

      众所周知,从弦理论退化到描述低能物理的有效场论时,需要将多出来的六个空间维度紧致化到非常小的微观尺度,这一处理方法被称之为弦理论的紧致化,关于这一点,我们上面已经很清楚地介绍了。

      但是人们经过研究发现弦论有10^500种之多的紧致化方式。

      在紧致化后,便可以用一个低能有效理论来描述熟悉的四维世界。其中所有不等价的低能有效理论,其真空能的取值形成了一个复杂的“山脉地形图”,构成了所谓的弦景观。

      这也导致了一个问题,不同的取值,不同的模式可以简化不同的宇宙。这就意味着有可能存在10^500个宇宙。在这些宇宙中,可能物理学的规律和常数都不同。当然,这个系列介绍的平行宇宙只是几个主流的平行宇宙,还有许许多多其他的模型,并没有涵盖到。

      参考引源:

      《引力论与宇宙论》美国,斯蒂芬.温伯格。

      《天体物理概论》向守平。

      《超弦史话》李淼。

      《额外维模型与对称性破缺》兰州大学,李庆、任继荣。

      《探测额外维的实验设想及膜世界图景的研究》大连理工大学,罗峰、刘宏亚。

      《通向实在之路-宇宙法则的完全指南》英国,罗杰.彭罗斯。

      《时空的维数》李新洲。

      《弯曲的旅行-揭开隐藏的宇宙维度之迷》美国,丽莎.兰道尔。

      《源自弦景观的有效Quintessence》翟韩豫、申佳音、薛迅。

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