額外維度是直接驗證弦理論的「攔路虎」,但還有五點可間接驗證

2020-12-05 天文同好樂園

根據弦理論的中心思想,要使弦理論成立或者說有意義,那麼宇宙最低必須具有十個維度:9個空間維度,1個時間維度。但是,當今的弦理論家們窮盡一切手段,迄今為止仍不能直接證明額外維度真實存在,我們能感知到的僅有3個空間維度和1個時間維度。存在額外維度的思想本身就有違常人的認知,再加上又不能被直接驗證,這也是導致弦理論的發展四面楚歌、舉步維艱的根本原因。

縱觀整個人類的物理學發展史,其實與弦理論類似的情況比比皆是。很多理論在剛提出時似乎完全不可能證實,但在理論發展的過程中往往會出現意想不到的情況,最終還是通過直接的或間接的實驗證實了。原子的思想、泡利的中微子假設、中子星和黑洞的預言等等,都是這樣的例子。可以說,例子中的那些事物我們現在是完全相信的,而且已經被寫進了教科書,但當初它們卻更像是科幻小說中的幻想,沒有一點科學事實的影子。

那麼,不能直接驗證存在額外維度,弦理論就必然走入一條「死胡同」嗎?還能通過其他別的辦法找到弦理論成立的證據嗎?愛德華·威騰曾提出一個十分大膽的猜想:天文學家可能有一天會在他們收集的天文數據裡發現直接的「弦」。威騰認為,雖然「弦」的典型尺度是「普朗克長度」,但高能的弦可以大得多。根據理論,大爆炸的能量可能足以產生出很多根從宏觀上來說足夠大的弦,這些弦會隨著宇宙的膨脹可能長到天文學尺度,或許在某一天會掃過地球的天空,使微波輻射背景溫度出現小小的偏移,而這種偏移足以留下醒目而可測的印跡。

弦理論權威-愛德華·威騰

除此之外,弦理論家們還提出了五點可以間接證實弦理論的實驗信號。第一點,中微子的質量問題。根據量子力學標準模型,中微子是沒有質量的,但為何沒有質量卻無法解釋。但弦理論認為中微子具有微小的非零質量,如果未來有實驗證明中微子確實具有非零質量,則可驗證弦理論。第二點,質子的衰變問題。在標準模型中,質子的分解衰變是被禁止的。而弦理論則允許不同夸克的組合可以相互轉變或衰變分解,儘管過程十分緩慢。如能得到質子衰變的實驗信號,同樣可驗證弦理論。

第三點,發現新的「力場」。某些卡-丘空間形態的選擇會出現特別的弦振動模式,它們對應於一些新的、小的長程作用的「力場」。假如發現了這些新的力的效應,則能忠實反映弦理論的某些物理特徵。第四點,暗物質問題。目前大量的天文學數據說明,我們的銀河系甚至整個宇宙都浸沒在暗物質的海洋裡,但暗物質至今還沒有得到合理的解釋,暗物質到底是什麼?弦理論通過多種可能的弦振動模式,提供了很多關於暗物質的候選解釋,如果將來實驗結果揭示了暗物質的性質,而又與弦理論的預測相符,則可反證弦理論是正確的。

動態卡-丘空間

第五點,宇宙學常數問題。愛因斯坦最初在廣義相對論中人為地添加了一個宇宙學常數,目的是為了得到一個靜態的宇宙,當後來發現宇宙在膨脹,愛因斯坦便隨之取消了這一修正項。但現在學術界普遍認為宇宙學常數確實存在,它被認為是某種存在於真空的能量。宇宙學常數的數值可以通過實驗觀測和理論計算來確定,但是兩者之間卻出現了極大的矛盾:實驗觀測表明,宇宙學常數要麼為零、要麼很小;而計算表明,虛空的量子力學漲落生成的宇宙學常數不但非零,而且很大,比實驗得到的數值大120個數量級!這兩種矛盾的數值必有一錯,這就給弦理論創造了一個機會,如果弦理論對宇宙學常數的計算值能夠與兩個矛盾值之一吻合,則弦理論正確的可能性會很大。

靜態卡-丘空間

綜上所述,弦理論雖遇「攔路虎」,但遠非絕路。物理學發展史告訴我們,一個成功的理論往往需要幾十年、甚至上百年的不斷積累才能走向成熟,量子力學就是一個實例。弦理論的發展最終可能會耗盡一代甚至幾代物理學家的心血,但我們仍有理由相信,弦理論也許就是未來的「萬物之理」!

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    更深的弦理論學說不只是描述弦狀物體,還包含了點狀、薄膜狀物體,更高維度的空間,甚至平行宇宙。值得注意的是,弦理論目前尚未能做出可以實驗驗證的準確預測,關於這一點,以下內文會說明。額外維額外維是相對於「四維時空」而提出的一個概念,一般泛指的是理論在四維時空基礎上擴展出來的其它維度。愛因斯坦提出宇宙是空間加時間組成的「四維時空」。
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  • 宇宙弦理論或能在實驗室得以驗證
    據美國物理學家組織網9月1日報導,英國倫敦帝國學院的一個科研小組提出了一種數學模型,用弦理論來預測「量子糾纏」系統中量子位的行為,然後通過在實驗室檢驗量子位,以此來驗證弦理論學說是否正確。研究論文發表在9月2日的《物理評論快報》上。  弦理論是一種對宇宙萬物的數學描述,擴展開來就是「終極理論」。科學家一直在尋找一種能解釋廣義相對論和量子力學的統一理論。
  • 不能直接驗證的就不存在嗎?三個物理學歷史中的例子讓你改變觀念
    物理學發展至現在,新理論層出不窮,即使是已經得到了物理學界的公認的一些經典理論,依然爭議不斷,比如愛因斯坦的相對論,霍金的黑洞理論等等。至於弦理論、M理論、十維宇宙理論,無論是物理學界和民間,質疑之聲更是從沒有斷過。
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    這個尺度太小了,以至於目前任何實驗都無法直接探索它的存在。△ 在時空的每一點都有個額外的捲曲的維度。(圖片來源:WGBH/NOVA)他們的理論還有一個結果就是這個圓圈的半徑必須是固定的,在空間和時間上都不發生改變。而這也是整個理論的致命弱點。原因在於額外維的半徑會破壞愛因斯坦廣義相對論的實質,即時空幾何是動力學的。
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