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“宇宙沼泽”检验:弦理论下产生的多数宇宙或不存在

逍遥摘要:据国外媒体报道,一些物理学家认为,弦理论的问题在于它产生了太多的宇宙,它预测的不是一个宇宙,而是宇宙存在10的500次方个时空版本,每个宇宙时空都有各自物理定律。但是有这么多的宇宙摆在研究桌面上,这个理论如何解释我们的宇宙所具有的特征呢?

“宇宙沼泽”检验:弦理论下产生的多数宇宙或不存在

目前,一些理论学家认为,多数宇宙(并非所有宇宙)实际上是不存在的,弦理论所预测的宇宙数量并没有那么多。

目前,一些理论学家认为,多数宇宙(并非所有宇宙)实际上是不存在的,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设力量。对于一些人而言,消除这么多假设宇宙并不是技术退步,而是宇宙弦理论向前迈进的重要一步,对做出可测试性预测带来新的希望。但是其他一些人表示,多元宇宙将继续存在,所有这些关于宇宙提出的问题根本不是问题。

今年6月底日本召开会议,对弦理论这一热门话题展开了激烈辩论,弦理论学家们在这里召开2018年宇宙弦理论大会。瑞典乌普萨拉大学物理学家乌尔夫•丹尼尔松(Ulf Danielsson)说:“这真的是一件新鲜事,并在该领域引发争论。”

2018年宇宙弦理论大会的核心讨论内容发表在arXiv网站上,该内容主要着眼于所谓的弦理论“景观方案”,从不同弦理论等式不同解决方法可获得无限数量的潜在宇宙,同时依据弦理论等式可分析获得宇宙形成物质,例如:暗能量。但是这篇研究报告指出,迄今大多数解决方法都表现出了数学理论的不一致,将其放在所谓的“宇宙沼泽”之中,证实它们实际并不存在。

多年以来,科学家知道许多弦理论解决方法肯定经不起“宇宙沼泽”的检验,但可能大多数或者所有弦理论“景观方案”要保持下来必须经历重大变化。研究报告负责人、美国哈佛大学物理学家库姆伦•瓦法(CumrunVafa)说:“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是不可能的。”

迷失在多元宇宙

弦理论试图通过增加时空额外维度和将粒子想像成为极小振动循环来描述整个宇宙,许多弦理论学家认为,这仍然是阿尔伯特•爱因斯坦(Albert Einstein)将广义相对论与量子力学相互冲突的微观世界统一起来的理想方向。然而,弦理论的景观概念不仅能预测一个宇宙,还能预测许多宇宙,这一点令物理学家产生了置疑。美国普林斯顿大学物理学家保罗•斯泰恩哈特(Paul Steinhardt)说:“如果弦理论能够产生多个宇宙,那么我认为该理论是错误的,因为它失去了所有预测价值,真的是一切皆有可能。”对于斯泰恩哈特和其他人而言,最新发现的暗能量问题为弦理论提供了一条出路,这种大型多元宇宙的预测景观在数学理论上可能是错误的,矛盾的是,这使得事情变得更加有趣,因为这意味着弦理论比我们想像的更具有预测性。

美国芝加哥大学萨维迪普·塞思(Savdeep Sethi)在内的一些弦理论学家希望现在重新进行评估,他说:“我觉得重新检验弦理论令人非常兴奋,长期以来,我对弦理论的‘景观方案’持怀疑态度,我希望看到思考模式的转移,不再相信我们有一套经过验证的解决方案。”

但是并非所有人都认可这样的观点,认为弦理论“景观”实际上属于“宇宙沼泽”,尤其是2003年建立“景观”最早版本的一支研究团队,该团队以科学家成员姓氏缩写命名为KKLT,美国斯坦福大学KKLT成员沙米特·卡奇卢(Shamit Kachru)说:“我认为做这些推测和检查是非常有益的,但是我不认为有任何理论或者实验原因能够认真对待这些猜想。”

同时,美国斯坦福大学物理学家伊娃·西尔弗斯坦(Eva Silverstein)也帮助建立早期的景观模型,她同样置疑哈佛大学物理学家库姆伦·瓦法和他同事的论据。她说:“我认为KKLT研究团队使用的研究元素和研究方法组合在一起是完全有效的。”

高级研究所理论学家胡安·马尔达西那(Juan Maldacena)表示,他仍然支持弦理论宇宙观点,认为宇宙拥有稳定暗能量。

许多理论学家对弦理论多元宇宙理论非常满意,卡奇卢说:“如果弦理论宇宙景观是正确的,那么我们所处的宇宙与多元宇宙相比就像我们的太阳系在宇宙中一样。”

17世纪德国天文学家约翰内斯·开普勒(Johannes Kepler)最初曾探寻地球与太阳之间保持距离的根本原因,而现在我们知道,太阳只是银河系数十亿颗恒星中的一颗,每颗恒星都有自己的行星,地球与太阳之间的距离只是一个随机数,而不是隐藏着某种深奥的数学原理。同样的,如果宇宙是多元宇宙中的万亿分之一,那么我们宇宙的特定参数也同样是随机的。这些数字似乎是完美地微调创造一个宜居宇宙,这是一个选择性效应,人类当然会发现自已身处多元宇宙中一个罕见角落,在那里他们有可能进化。

加速宇宙

如果弦理论真的不能适应稳定的暗能量,这可能是一个置疑弦理论的理由。但对于瓦法而言,这是置疑暗能量的一个理由——暗能量最普遍的形式,被称为宇宙常数。

弦理论源自1917年,是著名科学家爱因斯坦提出的,并于1998年被科学家们关注,当时,天文学家发现不仅时空膨胀,而且膨胀速度也在不断加快。宇宙常数是真空中一种能量形式,它不会改变和抵消引力牵引。但这并不是宇宙加速的唯一解释,另一种解释是“第五元素(quintessence)”,被认为是土、水、火、风以外构成宇宙的神秘元素,它们可以进化,并能遍布时空。瓦法说:“不管你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行得通。如果是这样的话,那么我们可以通过目前正在进行的天体物理观测来测量暗能量的滑动。”

到目前为止,所有天体物理学证据都支持暗能量观点,但在测量方面还是有一些回旋余地。即将进行的实验,例如:欧洲欧几里得(Euclid)太空望远镜、美国宇航局广域红外巡天望远镜(WFIRST),以及在智利沙漠建造的西蒙斯天文台,将寻找暗能量在过去比现在更强或者更弱的迹象。

斯泰恩哈特说:“有趣的是,我们当前已处于一个非常敏感的状态,开始对宇宙常数理论施加压力,我们不必等待新技术的出现,当前我们就在游戏之中。”

甚至对瓦法提议持怀疑态度的人也支持替代暗能量的想法,西尔弗斯坦说:“我实际上同意该观点,一个不断变化的暗能量场是一种简化加速膨胀的方法。但是我不认为有任何理由可以对暗能量进行观察预测。”

“第五元素”并非唯一的选择,在瓦法研究论文之前,典乌普萨拉大学物理学家乌尔夫•丹尼尔松和同事提出了另一种将暗能量与弦理论结合在一起的方法。依据他们的观点,我们的宇宙是一个在更大维度空间中处于膨胀的三维泡状物表面。该表面的物理特性可以模拟暗能量的物理特性,丹尼尔松说:“与我们目前的想法相比,这是一种实现暗能量的不同方式。”

一个美丽的理论

最终,弦理论的争议焦点聚集在一个深奥问题: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性吗?还是这要求太多了?当一种理论与我们认为的宇宙运行方式发生冲突时,我们是否应当抛弃自认为知道的理论或者事物?

弦理论对于许多科学家而言是非常吸引人的,因为它是“美丽的”——它的方程式令人感到满意,做出的解释简洁明了。但是目前为止,弦理论仍没有任何实验证据支持它,更糟糕的是,没有任何合理的可能性收集相关证据。然而,即使弦理论无法调节我们在宇宙中观测的暗能量,也不能阻止一些人仍然认可弦理论。

美国芝加哥大学萨维迪普·塞思说:“弦理论如此‘丰富和美丽’,几乎所有的观点都是如此正确,以至于我们很难相信错误出现在弦理论,而不是我们。”但也许追求完美并不是找到正确宇宙理论的好方法,法兰克福高等研究所物理学家萨宾·霍森菲尔德(Sabine Hossenfelder)在她的新书《迷失在数学:美丽如何把物理学引入歧途》中写道:“数学充满了令人惊叹的美丽事物,同时它们多数无法描述这个世界。”

尽管物理学家持有不同观点,但是他们的共同目标是理解宇宙。卡奇卢是弦理论景观概念的创始人之一,他与瓦法亦师亦友,但是瓦法是景观概念批判者。卡奇卢说:“瓦法曾问过我,是否敢自己的性命来赌景观概念解决方案的真实性?我的回答是,我不敢赌我的命,但我敢赌他的命!”

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