圖片：University of Southern California

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現(xiàn)在，有科學(xué)家提出了新的猜想，他們認(rèn)為暴脹可以在弦論中存在一段很短的時(shí)間，并且能限制暴脹。這意味著它就有被實(shí)際數(shù)據(jù)檢驗(yàn)的希望。

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撰文丨Brendan Z. Foster

翻譯丨馬一媛

編輯丨楊心舟

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許多物理學(xué)家都認(rèn)為弦論是將量子物理和引力結(jié)合為大統(tǒng)一理論的最優(yōu)候選理論。然而，也有觀點(diǎn)認(rèn)為弦論是偽科學(xué)，因?yàn)樗鼰o法用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。不過，得益于一個(gè)認(rèn)為弦論可能會(huì)限制宇宙膨脹的新猜想，現(xiàn)在有科學(xué)家提出了用實(shí)驗(yàn)證明弦論的可能。

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新猜想有這樣一個(gè)關(guān)鍵問題：宇宙是向我們展示了所有關(guān)于量子的秘密，還是隱藏著經(jīng)典物理看不見的細(xì)節(jié)？因?yàn)槿绻@些細(xì)節(jié)能被看到，弦論可能就無法解釋它們。

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難以描述的問題

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通常情況下，如果一種理論被證明無法預(yù)言宇宙的基本性質(zhì)，那么就可以排除這種理論思想了。而事實(shí)上，弦論一直難以描述人氣最高的早期宇宙發(fā)展理論——暴脹。

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“暴脹是對宇宙現(xiàn)有狀態(tài)和結(jié)構(gòu)最具說服力的解釋?！?紐約大學(xué)石溪分校的物理學(xué)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(jīng)歷了極端的膨脹階段，這一過程放大了量子真空中的隨機(jī)漲落，并將它們轉(zhuǎn)化為星系和我們周圍的其他物質(zhì)。

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然而，理論學(xué)家在解釋弦論場景下的暴脹時(shí)遇到了困難。對此最有希望的解釋——KKLT構(gòu)造（IIB型弦論中的亞穩(wěn)態(tài)德西特真空，以論文作者的姓氏首字母命名）并未使所有人信服。“這取決于你問誰，”麥吉爾大學(xué)的宇宙學(xué)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？”

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弦論限制暴脹？

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2018年，一些弦論科學(xué)家得出了一系列具有啟發(fā)性的結(jié)論，認(rèn)為在弦論中去驗(yàn)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(fā)生。這個(gè)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(fā)生暴脹的宇宙）的概念都具有某種技術(shù)缺陷，這種缺陷會(huì)使這種概念陷入一片錯(cuò)誤理論的“沼澤地”。

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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(rèn)為，盡管沼澤地猜想不一定嚴(yán)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(shí)間?！?/p>

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如果弦論可以限制暴脹，那么它就有被實(shí)際數(shù)據(jù)檢驗(yàn)的希望。但是，只有當(dāng)猜想被證明時(shí)，確定性檢驗(yàn)才能開展。沼澤地猜想的提出者之一，哈佛大學(xué)物理學(xué)家Cumrun Vafa認(rèn)為，如果研究者們可以將它與既有的物理法則聯(lián)系起來，就能構(gòu)建檢驗(yàn)它的場景?！斑@里面有兩個(gè)層次，”他說，“首先要讓理論更有可信度，接下來才是解釋它?！?/p>

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構(gòu)建可信度的方法之一是嘗試解釋哪種物理法則會(huì)限制暴脹，或者更實(shí)際地講，弦論要怎樣才能說服宇宙學(xué)家重新思考被廣為接受的暴脹理論？

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這些問題驅(qū)使著Vafa和他在哈佛大學(xué)的合作者Alek Bedroya去尋找一個(gè)可證實(shí)沼澤地猜想的物理?xiàng)l件。他們發(fā)現(xiàn)暴脹本身就存在亟待解決的問題：理論學(xué)家尚未對宇宙膨脹發(fā)生、真空靜態(tài)被放大時(shí)的極小量子細(xì)節(jié)達(dá)成共識。

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物理學(xué)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(huì)出現(xiàn)量子效應(yīng)。暴脹理論的支持者假設(shè)有朝一日能夠解決“跨普朗克”的細(xì)節(jié)問題，并且在解決問題的基礎(chǔ)上不會(huì)讓預(yù)測產(chǎn)生很大差異。但是，現(xiàn)在這些支持者并不知道怎么能做到這一點(diǎn)。

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而Vafa 和Bedroya則干脆地指出：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(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為即使有膨脹的放大效應(yīng)，那些極微小的量子模糊性仍然會(huì)保持極小和量子化。如果這一想法為真，就限制了暴脹的程度，因?yàn)樘蟮谋┟洺潭葧?huì)過度放大跨普朗克細(xì)節(jié)。

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轉(zhuǎn)換弦論尋找答案

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所以，將弦論稍作轉(zhuǎn)換后，研究者就可以從天文數(shù)據(jù)中尋找答案。多大程度的暴脹無法通過這一猜想的審查？當(dāng)前的情況有些復(fù)雜，因?yàn)楝F(xiàn)在有多種不同的暴脹過程模型，但還沒有一種被數(shù)據(jù)證實(shí)是描述宇宙的正確模型。研究者已經(jīng)開始研究新猜想對多種暴脹版本的限制。雖然一些模型可以用內(nèi)置方法隱藏跨普朗克細(xì)節(jié)，但許多典型模型都與猜想相沖突，Loverde說。

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例如，原初引力波就帶來一個(gè)明顯的沖突。理論學(xué)家認(rèn)為這些波是在暴脹階段產(chǎn)生的，它們在宇宙微波背景中會(huì)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(yuǎn)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(xué)家可以提出不同的解釋。

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這個(gè)猜想真的能檢驗(yàn)弦論嗎？Vafa認(rèn)為為時(shí)尚早。目前，猜想導(dǎo)出的法則仍然未被證實(shí)，但是“這些法則間出人意料的聯(lián)系越多，它就越可信，”他說。

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原文鏈接:

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