偶然之間，他們(men) 發現在這些解中，有一個(ge) 與(yu) 我們(men) 的宇宙有著相同粒子組成的方程子集。這是一個(ge) 至少有千萬(wan) 億(yi) 解的解集，也是迄今為(wei) 止在弦論中發現最大的。

來源 | Scientific American

撰文 | Anil Ananthaswamy

翻譯 | 張朵兒(er)

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(men) 隻是生活在三維空間和一維時間中，其餘(yu) 的六個(ge) 維度無法探測到，被“緊致化” (compactified）到極小的尺度上。

不同的緊致化方式會(hui) 導致不同的解。弦論中的每個(ge) 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製。每個(ge) 解都描述了一個(ge) 獨特的宇宙，這個(ge) 宇宙裏有獨特的基本粒子、基本力及其他屬性。

一些弦論學家在努力尋找弦論與(yu) 現實宇宙特性之間的聯係，尤其它是與(yu) 粒子物理標準模型之間的聯係。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。

在這些嚐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(ge) 新的分支，稱為(wei) F理論（F-theory）。運用這個(ge) 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(ya) 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理論中額外維緊致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(men) 為(wei) 物理學家貢獻了一個(ge) 龐大的工具包，”同來自賓夕法尼亞(ya) 大學的Ling Lin說，“正是幾何學為(wei) F理論構建了如此強大的框架。”

現在，Cvetic、Lin、美國東(dong) 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(yu) 標準模型描述的粒子相似的費米子譜係（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，解中的誇克、輕子和我們(men) 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(wan) 億(yi) 個(ge) 解與(yu) 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(ge) 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(ti) 係中，是幾何學幫到了我們(men) 。”

千萬(wan) 億(yi) 相對於(yu) 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(ge) 非常巨大的數字，“它可以幫助我們(men) 解決(jue) 粒子物理中非常重要的問題。我們(men) 應該認真深入地去研究。” Halverson說。

進一步研究將與(yu) 現實世界中的粒子物理學建立更強的聯係。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(jue) 於(yu) 額外維緊致化的幾何細節。

在千萬(wan) 億(yi) 解的空間中，某些解的耦合方式可能會(hui) 導致質子在可觀察的時間尺度內(nei) 衰變。這顯然與(yu) 實際不符，因為(wei) 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(cong) 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(lv) 粒子。弦論需要這種對稱性來保證解的數學一致性。

然而，為(wei) 了使超對稱理論與(yu) 可觀測的宇宙相吻合，必須要打破對稱性。否則，伴侶(lv) 粒子將具有與(yu) 標準模型粒子相同的質量，但是顯然我們(men) 從(cong) 未在實驗中觀察到這樣的粒子。

至關(guan) 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(nei) 並沒有被打破，因為(wei) LHC尚未發現任何超對稱粒子。

弦論學家認為(wei) ，超對稱性可能隻會(hui) 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(yu) LHC的數據完全一致，是完全有可能的，”Halverson說，“至於(yu) 能否實現，還需要進一步分析。”

盡管有不少缺陷，但其他弦論學家對這項新工作表示了讚同。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(jin) 可以滿足愛因斯坦方程，還能得到我們(men) 想要的粒子譜。”

但Vafa和Taylor也表示，目前這些解還遠遠不能與(yu) 標準模型完美匹配，但會(hui) 是弦論的終極目標之一。Vafa也認為(wei) ，盡管弦景觀解集如此大，總有一個(ge) 獨特的解會(hui) 有我們(men) 的世界相契合。“我相信會(hui) 有一個(ge) 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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