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解读弦理论,它拥有无数种创造宇宙的方法!

发布时间:2019-05-16 14:54:10  作者:宇宙探索  来源:宇宙探索  阅读:193

    解读弦理论,它拥有无数种创造宇宙的方法!
      一直徘徊在弦理论“景观”中的物理学家们,在弦理论数不胜数的数学解空间中,每一个解都提供了物理学家描述现实所需的各种方程,他们偶然发现了这些方程的一个子集,它们与我们的宇宙中存在的物质粒子集相同。
      但这不是一个很小的子集:至少有一万亿个这样的解,使它成为弦理论中发现的最大的这样的集合。
      根据弦理论,所有粒子和基本力都来自于微小弦的振动态。为了数学上的一致性,这些弦在10维时空中振动。为了与我们熟悉的日常宇宙(包括三个空间维度和一个时间维度)体验保持一致,额外的六个维度被“压缩”,因此无法被检测到。
      不同的压缩导致不同的解决方案。在弦理论中,“解”是指由爱因斯坦引力理论和量子场论耦合而成的时空真空。每种解决方案都描述了一个独特的宇宙,它有自己的一组粒子、基本力和其他这样的定义属性。
      一些弦理论家一直致力于寻找将弦理论与我们已知的、可观测的宇宙--特别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标准模型--联系起来的方法。
      这方面的大部分工作都涉及到弦理论的一个版本,在这个版本中,弦之间的相互作用很弱。然而,在过去的二十年里,弦理论的一个新的分支-F理论允许物理学家们研究强相互作用或强耦合的弦。
      费城宾夕法尼亚大学的米尔加姆·克维奇(Mirjam Cvetic)说:“一个有趣的,令人惊讶的结果是,当耦合很大时,我们可以从几何角度来描述这个理论。”
      这意味着弦理论家可以使用代数几何--使用代数技术来解决几何问题,来分析F理论中压缩额外维数的各种方法,并找到解决方法。数学家们一直在独立地研究F理论中出现的一些几何形式。同样来自宾夕法尼亚大学的研究人员说:“它们为我们物理学家提供了一个巨大的工具包,几何学真的是关键的语言,正是‘语言’使F理论成为一个强大的框架。”
    解读弦理论,它拥有无数种创造宇宙的方法!
      现在,克维奇和波士顿东北大学的詹姆斯·哈沃森(James Halverson),还有他们的同事已经用这样的技术找出了一类具有弦振动模式的溶液,这些模式导致了类似于标准模型所描述的费米子(或物质粒子)的光谱--包括所有的费米子都是在三代之后出现的性质(例如,电子,µ介子和τ介子是一种费米子的三代。
      由克维奇和他的同事们发现的F理论解中的粒子也表现出标准模型粒子的手征。在粒子物理学术语中,这些解精确地再现了标准模型粒子的“手征光谱”。例如,这些溶液中的夸克和轻子有左撇子和右撇子两种版本,就像它们在我们的宇宙中所做的那样。
      新的工作表明,至少存在一千万亿个解,其中的粒子具有与标准模型相同的手征光谱,这比到目前为止在弦论中找到的解多出10个数量级。“到目前为止,这是标准模型解决方案的最大领域。”克维奇说,“在几何帮助我们的强耦合弦理论体系中,这是令人惊讶的,实际上也是有益的。”
      一千万亿,虽然它比F理论中的解的大小要小得多(最后计算数据显示为10^272000),但却是一个非常大的数字。哈沃森说:“因为这是一个非常大的数字,而且它在现实世界的粒子物理中得到了一些不平凡的东西,我们应该认真地对待它,并进一步研究它。”
      进一步的研究将涉及揭示与现实世界的粒子物理学之间更强的联系。研究人员仍需计算出F理论解中粒子之间的耦合或相互作用,这又取决于额外维度的压缩的几何细节。
      这可能是在千万亿个解的空间中,有一些具有耦合作用,可能导致质子在可观察到的时间范围内衰减。这显然与现实世界格格不入,因为实验还没有看到任何质子衰变的迹象。或者,物理学家可以寻找实现标准模型粒子谱的解决方案,这些粒子保持一种称为R宇称的数学对称性。研究人员认为,这种对称性阻止了某些质子的衰变过程,从粒子物理学的角度来看,这将是非常有吸引力的,但在我们目前的模型中是缺失的。
      此外,该工作假设超对称性,这意味着所有的标准模型粒子都有伙伴粒子。弦理论需要这种对称性来保证解的数学一致性。
    解读弦理论,它拥有无数种创造宇宙的方法!
      但是,为了使任何超对称理论与可观察到的宇宙相吻合,对称性必须被打破(就像就餐者在左边或右边选择餐具和酒杯会“打破”桌子的对称性一样)。否则,伙伴粒子的质量将与标准模型粒子相同,显然不是这样,因为我们在实验中没有观察到任何这样的伙伴粒子。
      至关重要的是,大型强子对撞机(LHC)的实验也表明,即使在LHC探测到的能量尺度上,超对称性如果是对自然的正确描述,也不会被打破,因为LHC尚未发现任何超对称粒子。
      弦理论家认为超对称只有在极高的能量下才会被破坏,而这些能量在短期内都不在实验范围之内。哈沃森说:“弦理论的预期是,完全符合大型强子对撞机数据的大规模(超对称)断裂是完全可能的,这需要进一步分析,以确定在我们的案例中是否会发生这种情况。”
      尽管有这些警告,其他弦理论家都赞同这项新工作。麻省理工学院(MIT)的弦论学者华盛顿·泰勒(Washington Taylor)表示:“这无疑是向证明弦理论产生了许多具有标准模型特征的解决方案迈出的一步。”
      哈佛大学F理论的开发者之一卡姆伦·瓦法(Cumrun Vafa)说:“这是非常好的工作,事实上,你可以安排几何结构和拓扑结构,使其不仅符合爱因斯坦的方程,而且符合我们想要的粒子光谱,这一点并不简单。”
      但是瓦法和泰勒都警告说,这些解决方案与标准模型并不完全匹配。找到与我们这个世界的粒子物理完全匹配的解决方案是弦理论的最终目标之一。尽管有无限的解决方案,但仍然存在一个与我们的宇宙相匹配的独特解决方案。但是,要准确地指出这一点并不容易。