是物理学基石还是伪科学?神秘的弦论能否被验证

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  弦论被视为解决量子物理和引力难题的重要候选理论。但是,弦论无法解释宇宙发展理论中的暴胀现象,如果做不到这一点,弦论就一直会被质疑是否能够真的成立。

  现在,有科学家提出了新的猜想,他们认为暴胀可以在弦论中存在一段很短的时间,并且能限制暴胀。这意味着它就有被实际数据检验的希望。

  许多物理学家都认为弦论是将量子物理和引力结合为大统一理论的最优候选理论。然而,也有观点认为弦论是伪科学,因为它无法用实验验证。不过,得益于一个认为弦论可能会限制宇宙膨胀的新猜想,现在有科学家提出了用实验证明弦论的可能。

  新猜想有这样一个关键问题:宇宙是向我们展示了所有关于量子的秘密,还是隐藏着经典物理看不见的细节?因为如果这些细节能被看到,弦论可能就无法解释它们。

  难以描述的问题

  通常情况下,如果一种理论被证明无法预言宇宙的基本性质,那么就可以排除这种理论思想了。而事实上,弦论一直难以描述人气最高的早期宇宙发展理论——暴胀。

  “暴胀是对宇宙现有状态和结构最具说服力的解释。” 纽约大学石溪分校的物理学家Marilena Loverde说。暴胀从某种意义上解释了宇宙如何从无到有:早期宇宙经历了极端的膨胀阶段,这一过程放大了量子真空中的随机涨落,并将它们转化为星系和我们周围的其他物质。

  然而,理论学家在解释弦论场景下的暴胀时遇到了困难。对此最有希望的解释——KKLT构造(IIB型弦论中的亚稳态德西特真空,以论文作者的姓氏首字母命名)并未使所有人信服。“这取决于你问谁,”麦吉尔大学的宇宙学家Suddhasattwa Brahma说,“许多人对弦论有着挥之不去的怀疑:它真的能成立吗?”

  弦论限制暴胀?

  2018年,一些弦论科学家得出了一系列具有启发性的结论,认为在弦论中去验证暴胀理论的困难反映了一种不可能性,即暴胀也许本就不能在弦论中发生。这个猜想被叫做德西特沼泽地猜想(de Sitter swampland conjecture),它声称,任何可以描述德西特空间(发生暴胀的宇宙)的概念都具有某种技术缺陷,这种缺陷会使这种概念陷入一片错误理论的“沼泽地”。

  不过,目前仍无人能证明沼泽地猜想,而且尚有一些弦理论家期望弦论最终能容纳暴胀。但是许多人认为,尽管沼泽地猜想不一定严格成立,但与之相近的版本或许可行。Brahma希望能完善沼泽地猜想,使其不用完全排除暴胀。他说:“也许暴胀可以存在很短一段时间。

  如果弦论可以限制暴胀,那么它就有被实际数据检验的希望。但是,只有当猜想被证明时,确定性检验才能开展。沼泽地猜想的提出者之一,哈佛大学物理学家Cumrun Vafa认为,如果研究者们可以将它与既有的物理法则联系起来,就能构建检验它的场景。“这里面有两个层次,”他说,“首先要让理论更有可信度,接下来才是解释它。”

  构建可信度的方法之一是尝试解释哪种物理法则会限制暴胀,或者更实际地讲,弦论要怎样才能说服宇宙学家重新思考被广为接受的暴胀理论?

  这些问题驱使着Vafa和他在哈佛大学的合作者Alek Bedroya去寻找一个可证实沼泽地猜想的物理条件。他们发现暴胀本身就存在亟待解决的问题:理论学家尚未对宇宙膨胀发生、真空静态被放大时的极小量子细节达成共识。

  物理学家还不能有效地描述超越普朗克长度的世界,他们推测在这一极短距离下,引力会出现量子效应。暴胀理论的支持者假设有朝一日能够解决“跨普朗克”的细节问题,并且在解决问题的基础上不会让预测产生很大差异。但是,现在这些支持者并不知道怎么能做到这一点。

  而Vafa 和Bedroya则干脆地指出:这是做不到的。他们有一种“跨普朗克审查”新猜想,猜想将跨普朗克尺度作为审查标准,认为即使有膨胀的放大效应,那些极微小的量子模糊性仍然会保持极小和量子化。如果这一想法为真,就限制了暴胀的程度,因为太大的暴胀程度会过度放大跨普朗克细节

  转换弦论寻找答案

  所以,将弦论稍作转换后,研究者就可以从天文数据中寻找答案。多大程度的暴胀无法通过这一猜想的审查?当前的情况有些复杂,因为现在有多种不同的暴胀过程模型,但还没有一种被数据证实是描述宇宙的正确模型。研究者已经开始研究新猜想对多种暴胀版本的限制。虽然一些模型可以用内置方法隐藏跨普朗克细节,但许多典型模型都与猜想相冲突,Loverde说。

  例如,原初引力波就带来一个明显的冲突。理论学家认为这些波是在暴胀阶段产生的,它们在宇宙微波背景中会留下微弱但清晰的信号。目前,这些信号还未被观察到,但是世界各地的天文望远镜正在积极寻找它们。Loverde说,“跨普朗克审查”猜想允许的信号“小到不可观察”,因此原始引力波的任何迹象都意味着该猜想在我们的宇宙中不成立,除非理论学家可以提出不同的解释。

  这个猜想真的能检验弦论吗?Vafa认为为时尚早。目前,猜想导出的法则仍然未被证实,但是“这些法则间出人意料的联系越多,它就越可信,”他说。

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