弦論能用千萬億種方式，創造出我們的宇宙？

一些物理學家堅信「弦論景觀」，認為得出的大量的數學上的解，每個解對應的方程可以描述一個宇宙。偶然之間，他們發現在這些解中，有一個與我們的宇宙有著相同粒子組成的方程子集。這是一個至少有千萬億解的解集，也是迄今為止在弦論中發現最大的。

來源 | Scientific American

撰文 | Anil Ananthaswamy

翻譯 | 張朵兒

審校 | 吳非 韓晶晶

在弦論中，所有粒子和基本力都來自微小的弦的振動。在數學上，這些弦應該在10維時空中振動。但我們只是生活在三維空間和一維時間中，其餘的六個維度無法探測到，被「緊緻化」（compactified）到極小的尺度上。

不同的緊緻化方式會導致不同的解。弦論中的每個解代表了一種真空，受到耦合的愛因斯坦引力理論和量子場論控制。每個解都描述了一個獨特的宇宙，這個宇宙里有獨特的基本粒子、基本力及其他屬性。

一些弦論學家在努力尋找弦論與現實宇宙特性之間的聯繫，尤其它是與粒子物理標準模型之間的聯繫。標準模型描述了所有已知粒子和除引力之外的所有作用力。

在這些嘗試使用的弦論模型中，弦通常是弱耦合的，然而在過去二十年間，弦論發展出一個新的分支，稱為F理論（F-theory）。運用這個新理論，科學家可以處理相互作用較強，或者說強耦合的弦。

「驚喜的是，強耦合下的弦論可以通過幾何來描述。」賓夕法尼亞大學的Mirjam Cvetic說。

這意味著弦論學家可以使用代數幾何分析F理論中額外維緊緻化的方式以及對應的解。數學家一直在獨立地研究F理論中的幾何形式。「他們為物理學家貢獻了一個龐大的工具包，」同來自賓夕法尼亞大學的Ling Lin說，「正是幾何學為F理論構建了如此強大的框架。」

現在，Cvetic、Lin、美國東北大學的James Halverson等人已經利用這種方法找到了一類弦論的解，其中弦的振動模式可以得出與標準模型描述的粒子相似的費米子譜系（也就是物質粒子），例如，解中的費米子也有三代（在標準模型中，電子、μ子和τ子就是同一類費米子的三代成員）。

Cvetic及同事發現的F理論解也有標準模型下的手性粒子，這些解準確重現了標準模型粒子的「手征譜」。例如，解中的夸克、輕子和我們宇宙中的一樣，分別是左手和右手性的。

這項新工作表明，至少有千萬億個解與標準模型中的粒子有相同的手征譜，比此前找到的解多10個數量級。「這是最大的標準模型解集合，」Cvetic說，「有些意外的是，這樣的解出現在強耦合弦論體系中，是幾何學幫到了我們。」

千萬億相對於F理論中的景觀解（大概1010272000）來說，並不是很大。但它仍然是一個非常巨大的數字，「它可以幫助我們解決粒子物理中非常重要的問題。我們應該認真深入地去研究。」 Halverson說。

進一步研究將與現實世界中的粒子物理學建立更強的聯繫。研究人員仍需研究F理論下粒子之間的耦合或相互作用,而這又取決於額外維緊緻化的幾何細節。

在千萬億解的空間中，某些解的耦合方式可能會導致質子在可觀察的時間尺度內衰變。這顯然與實際不符，因為暫時沒有實驗能看到任何質子衰變的跡象。或許，物理學家可以尋找既滿足標準模型粒子譜，又保留了一種數學對稱性，也就是R奇偶校驗（R-parity）的解。「這種對稱性禁止某些質子衰變過程。從粒子物理的角度來看非常吸引人，但一直沒有出現在現有的模型中。」Lin說。

此外，這項工作的前提是超對稱存在，也就是說所有標準模型粒子都有伴侶粒子。弦論需要這種對稱性來保證解的數學一致性。

然而，為了使超對稱理論與可觀測的宇宙相吻合，必須要打破對稱性。否則，伴侶粒子將具有與標準模型粒子相同的質量，但是顯然我們從未在實驗中觀察到這樣的粒子。

至關重要的是，大型強子對撞機（LHC）的實驗也證明了，即使超對稱理論是正確的，它在LHC可探測能量範圍內並沒有被打破，因為LHC尚未發現任何超對稱粒子。

弦論學家認為，超對稱性可能只會在極高的能量下被破壞，而且暫時沒法在實驗上達到。「弦論的期望是高能下的超對稱的破壞，這與LHC的數據完全一致，是完全有可能的，」Halverson說，「至於能否實現，還需要進一步分析。」

儘管有不少缺陷，但其他弦論學家對這項新工作表示了贊同。麻省理工學院的弦論學家華盛頓·泰勒（Washington Taylor）說：「這是在用弦論解釋標準模型粒子特性時，非常重要的一步。」

「這是一項非常好的工作，」F理論的始創人，哈佛大學的Cumrun Vafa說，「事實上，通過改變幾何和拓撲結構，不僅可以滿足愛因斯坦方程，還能得到我們想要的粒子譜。」

但Vafa和Taylor也表示，目前這些解還遠遠不能與標準模型完美匹配，但會是弦論的終極目標之一。Vafa也認為，儘管弦景觀解集如此大，總有一個獨特的解會有我們的世界相契合。「我相信會有一個的，」他說。但是，「要證明這點並不容易。」

原文地址：

https://www.scientificamerican.com/article/found-a-quadrillion-ways-for-string-theory-to-make-our-universe/?tdsourcetag=s_pctim_aiomsg

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