物理研究 | 是物理學基石，還是“偽科學”？神秘的弦論能否被實驗驗證

圖片：University of Southern California
弦論被視為解決量子物理和引力難題的重要候選理論。但是，弦論無法解釋宇宙發展理論中的暴脹現象，如果做不到這一點，弦論就一直會被質疑是否能夠真的成立。現在，有科學家提出了新的猜想，他們認為暴脹可以在弦論中存在一段很短的時間，並且能限製暴脹。這意味著它就有被實際數據檢驗的希望。
許多物理學家都認為弦論是將量子物理和引力結合為大統一理論的最優候選理論。然而，也有觀點認為弦論是偽科學，因為它無法用實驗驗證。不過，得益於一個認為弦論可能會限製宇宙膨脹的新猜想，現在有科學家提出了用實驗證明弦論的可能。
新猜想有這樣一個關鍵問題：宇宙是向我們展示了所有關於量子的秘密，還是隱藏著經典物理看不見的細節？因為如果這些細節能被看到，弦論可能就無法解釋它們。
難以描述的問題
通常情況下，如果一種理論被證明無法預言宇宙的基本性質，那麽就可以排除這種理論思想了。而事實上，弦論一直難以描述人氣最高的早期宇宙發展理論——暴脹。
“暴脹是對宇宙現有狀態和結構最具說服力的解釋。” 紐約大學石溪分校的物理學家Marilena Loverde說。暴脹從某種意義上解釋了宇宙如何從無到有：早期宇宙經曆了極端的膨脹階段，這一過程放大了量子真空中的隨機漲落，並將它們轉化為星係和我們周圍的其他物質。
然而，理論學家在解釋弦論場景下的暴脹時遇到了困難。對此最有希望的解釋——KKLT構造（IIB型弦論中的亞穩態德西特真空，以論文作者的姓氏首字母命名）並未使所有人信服。“這取決於你問誰，”麥吉爾大學的宇宙學家Suddhasattwa Brahma說，“許多人對弦論有著揮之不去的懷疑：它真的能成立嗎？”
弦論限製暴脹？
2018年，一些弦論科學家得出了一係列具有啟發性的結論，認為在弦論中去驗證暴脹理論的困難反映了一種不可能性，即暴脹也許本就不能在弦論中發生。這個猜想被叫做德西特沼澤地猜想（de Sitter swampland conjecture），它聲稱，任何可以描述德西特空間（發生暴脹的宇宙）的概念都具有某種技術缺陷，這種缺陷會使這種概念陷入一片錯誤理論的“沼澤地”。
不過，目前仍無人能證明沼澤地猜想，而且尚有一些弦理論家期望弦論最終能容納暴脹。但是許多人認為，盡管沼澤地猜想不一定嚴格成立，但與之相近的版本或許可行。Brahma希望能完善沼澤地猜想，使其不用完全排除暴脹。他說：“也許暴脹可以存在很短一段時間。”
如果弦論可以限製暴脹，那麽它就有被實際數據檢驗的希望。但是，隻有當猜想被證明時，確定性檢驗才能開展。沼澤地猜想的提出者之一，哈佛大學物理學家Cumrun Vafa認為，如果研究者們可以將它與既有的物理法則聯係起來，就能構建檢驗它的場景。“這裏麵有兩個層次，”他說，“首先要讓理論更有可信度，接下來才是解釋它。”
構建可信度的方法之一是嚐試解釋哪種物理法則會限製暴脹，或者更實際地講，弦論要怎樣才能說服宇宙學家重新思考被廣為接受的暴脹理論？
這些問題驅使著Vafa和他在哈佛大學的合作者Alek Bedroya去尋找一個可證實沼澤地猜想的物理條件。他們發現暴脹本身就存在亟待解決的問題：理論學家尚未對宇宙膨脹發生、真空靜態被放大時的極小量子細節達成共識。
物理學家還不能有效地描述超越普朗克長度的世界，他們推測在這一極短距離下，引力會出現量子效應。暴脹理論的支持者假設有朝一日能夠解決“跨普朗克”的細節問題，並且在解決問題的基礎上不會讓預測產生很大差異。但是，現在這些支持者並不知道怎麽能做到這一點。
而Vafa 和Bedroya則幹脆地指出：這是做不到的。他們有一種“跨普朗克審查”新猜想，猜想將跨普朗克尺度作為審查標準，認為即使有膨脹的放大效應，那些極微小的量子模糊性仍然會保持極小和量子化。如果這一想法為真，就限製了暴脹的程度，因為太大的暴脹程度會過度放大跨普朗克細節。
轉換弦論尋找答案
所以，將弦論稍作轉換後，研究者就可以從天文數據中尋找答案。多大程度的暴脹無法通過這一猜想的審查？當前的情況有些複雜，因為現在有多種不同的暴脹過程模型，但還沒有一種被數據證實是描述宇宙的正確模型。研究者已經開始研究新猜想對多種暴脹版本的限製。雖然一些模型可以用內置方法隱藏跨普朗克細節，但許多典型模型都與猜想相衝突，Loverde說。
例如，原初引力波就帶來一個明顯的衝突。理論學家認為這些波是在暴脹階段產生的，它們在宇宙微波背景中會留下微弱但清晰的信號。目前，這些信號還未被觀察到，但是世界各地的天文望遠鏡正在積極尋找它們。Loverde說，“跨普朗克審查”猜想允許的信號“小到不可觀察”，因此原始引力波的任何跡象都意味著該猜想在我們的宇宙中不成立，除非理論學家可以提出不同的解釋。
這個猜想真的能檢驗弦論嗎？Vafa認為為時尚早。目前，猜想導出的法則仍然未被證實，但是“這些法則間出人意料的聯係越多，它就越可信，”他說。
撰文：Brendan Z. Foster
翻譯：馬一媛
編輯：楊心舟
文章來源：科學美國人
文章鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/will-string-theory-finally-be-put-to-the-experimental-test/


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