圖片：University of Southern California

現在，有科學家提出了新的猜想，他們(men) 認為(wei) 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。

撰文丨Brendan Z. Foster

翻譯丨馬一媛

編輯丨楊心舟

許多物理學家都認為(wei) 弦論是將量子物理和引力結合為(wei) 大統一理論的最優(you) 候選理論。然而，也有觀點認為(wei) 弦論是偽(wei) 科學，因為(wei) 它無法用實驗驗證。不過，得益於(yu) 一個(ge) 認為(wei) 弦論可能會(hui) 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(ge) 關(guan) 鍵問題：宇宙是向我們(men) 展示了所有關(guan) 於(yu) 量子的秘密，還是隱藏著經典物理看不見的細節？因為(wei) 如果這些細節能被看到，弦論可能就無法解釋它們(men) 。

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(me) 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(cong) 某種意義(yi) 上解釋了宇宙如何從(cong) 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(men) 轉化為(wei) 星係和我們(men) 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(ya) 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(jue) 於(yu) 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(wei) 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(ge) 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(hui) 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(wei) ，盡管沼澤地猜想不一定嚴(yan) 格成立，但與(yu) 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(me) 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(wei) ，如果研究者們(men) 可以將它與(yu) 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(liang) 個(ge) 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(hui) 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(wei) 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(ge) 可證實沼澤地猜想的物理條件。他們(men) 發現暴脹本身就存在亟待解決(jue) 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(men) 推測在這一極短距離下，引力會(hui) 出現量子效應。暴脹理論的支持者假設有朝一日能夠解決(jue) “跨普朗克”的細節問題，並且在解決(jue) 問題的基礎上不會(hui) 讓預測產(chan) 生很大差異。但是，現在這些支持者並不知道怎麽(me) 能做到這一點。

而Vafa 和Bedroya則幹脆地指出：這是做不到的。他們(men) 有一種“跨普朗克審查”新猜想，猜想將跨普朗克尺度作為(wei) 審查標準，認為(wei) 即使有膨脹的放大效應，那些極微小的量子模糊性仍然會(hui) 保持極小和量子化。如果這一想法為(wei) 真，就限製了暴脹的程度，因為(wei) 太大的暴脹程度會(hui) 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(cong) 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(wei) 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(nei) 置方法隱藏跨普朗克細節，但許多典型模型都與(yu) 猜想相衝(chong) 突，Loverde說。

例如，原初引力波就帶來一個(ge) 明顯的衝(chong) 突。理論學家認為(wei) 這些波是在暴脹階段產(chan) 生的，它們(men) 在宇宙微波背景中會(hui) 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(men) 。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(men) 的宇宙中不成立，除非理論學家可以提出不同的解釋。

這個(ge) 猜想真的能檢驗弦論嗎？Vafa認為(wei) 為(wei) 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。

原文鏈接:

https://www.scientificamerican.com/article/will-string-theory-finally-be-put-to-the-experimental-test/
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