大西洋月刊:對宇宙萬物的最佳闡釋

2020-01-27 02:21:09  阅读 576490 次 评论 0 条

原創翻譯:龍騰網  翻譯:飛雪似煬花

大西洋月刊:對宇宙萬物的最佳闡釋

弦理論被認為是最重要的“萬有理論”,但它還沒有任何實證證據。

要成為一種“萬有理論”並不容易。正如阿爾ɢ特·愛因斯坦在他的廣義相對論中所描述到的,萬有理論是將引力融入到自然的量子法則中去的一項異Ů艱難的工作,通過這種方式,在大尺度上,引力就像時空結構中的曲線一樣。在某種程度上,時空曲率是作為被稱作引力子的引力能量量子化單位的集體效應而出現的。但試圖計算引力子之間的相互作用的天真想法卻導致了毫無意義的無限,這表明我們需要對引力有更深入的理解。

弦理論(或者更加技術性地稱之為M理論)經Ů被描述為我們宇宙萬有理論的主要候選者。但是它還沒有任何實證證據,也沒有任何關҇力如何與其他基本力相統一的替代觀點。那麼,為什麼會認為弦理論或M理論相對於其他理論擁有優勢呢?

這個理論的一個著名觀點是:引力子,以及電子、光子和其他一切,都不是點粒子,而是一種不可感知的微小的能量帶,或者是以不同方式振動的“弦”。上世紀80年代中期,人們對弦理論的興趣大增,當時物理學家們意識到,它與數學上對量子化引力的描述是一致的。但是,五個已知的弦理論版本都是“攝動的”,這意著它們在某些狀態下會潰。理論學家可以計算當兩個引力子弦在高能量狀態下相撞時會發生什麼,但卻無法計算出當有足夠多的引力子聚集到一起形成黑洞時會發生什麼。

然後,在1995年,物理學家Edward Witten發現了一切弦理論的根源。他發現不同的跡象表明這些攝動的弦理論與一個連貫的非攝動理論是相吻合,他稱之為M理論。M理論在不同的物理環境中看起來就像各種弦理論,但是它本身卻有對其有效性狀態的限製——這是對萬有理論的一個主要要求。Witten的計算結果反映的現象大致如此。加州理工孷ř的理論物理學家David Simmons-Duffin解釋稱:“Witten可以在不寫出M理論方程式的情況下提出這些觀點,這令人印象深刻,但它也留下了許多問題。”

緊隨其後的兩年後的另一場研究大爆炸,當時物理學家Juan Maldacena發現了反德西特空間和共形場論的對應:一種類似全息圖的關係,它在一個被稱為反德西特空間的時空區域中將引力與對在該區域的邊界附近移動的粒子的量子描述(稱之為“共形場論”)聯係在一起。對於反德西特空間時空幾何體的特殊案例而言,反德西特空間和共形場論給出了M理論的一個完整定義,它們被注入了負能量,使它們以不同於我們的宇宙的方式實現彎曲。對Ҁ樣的假想世界,物理學家可以描述所有能量的過程,原則上包括黑洞的形成和蒸發。在過去的20年裏,引用Maldacena的1.6萬篇論文主要就是為了進行這些計算,以便更好地理解反德西特空間和共形場論與量子引力。

這個基本的事䱯序列使得大多數專家都認為M理論是最重要的萬有理論候選者,盡管它在我們這樣的宇宙中確切的定義仍然是未知的。這個理論是否正確是一個完全不同的問題。它所設想的這些弦——以及這些弦在其中振動的額外的、彎曲的空間維度——要比大型強子對撞機能實現的實驗要小1億億倍。這一理論的一些可能已經被觀測到的宏觀特征,如宇宙弦和超對稱,並沒有出現。

與此同時,其他的萬有理論也被認為存在著各種各樣的技術問題,而且還沒有一種重複了弦理論的數學一致性表征,比如引力子散射計算。(根據Simmons-Duffin的說法,沒有一個競爭者成功地完成了第一步,或者說這一計算的首次“量子校準”。)一位哲學家甚認為,弦論的地位是唯一已知的一致理論,它被認為是理論正確的證據所在。

遠遠落後於它的競爭對手包括了漸近安全引力、E8理論、非交換幾何和因果û米體係。例如,漸近安全引力表明,當你進入小尺度的時候,引力的強度可能會發生改變,就像û愈被無窮所傳染的計算結果一樣。但是還沒有人獲得了這麼做的竅門。