圖片：University of Southern California

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現(xiàn)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，并且能限制暴脹。這意味著它就有被實際數(shù)據(jù)檢驗的希望。

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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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許多物理學家都認為弦論是將量子物理和引力結合為大統(tǒng)一理論的最優(yōu)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，得益于一個認為弦論可能會限制宇宙膨脹的新猜想，現(xiàn)在有科學家提出了用實驗證明弦論的可能。

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新猜想有這樣一個關鍵問題：宇宙是向我們展示了所有關于量子的秘密，還是隱藏著經(jīng)典物理看不見的細節(jié)？因為如果這些細節(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(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漲落，并將它們轉化為星系和我們周圍的其他物質(zhì)。

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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(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?！斑@取決于你問誰，”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？”

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弦論限制暴脹？

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2018年，一些弦論科學家得出了一系列具有啟發(fā)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(fā)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(fā)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”。

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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。”

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如果弦論可以限制暴脹，那么它就有被實際數(shù)據(jù)檢驗的希望。但是，只有當猜想被證明時，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(lián)系起來，就能構建檢驗它的場景。“這里面有兩個層次，”他說，“首先要讓理論更有可信度，接下來才是解釋它?！?/p>

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構建可信度的方法之一是嘗試解釋哪種物理法則會限制暴脹，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？

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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(fā)現(xiàn)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(fā)生、真空靜態(tài)被放大時的極小量子細節(jié)達成共識。

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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(xiàn)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(jié)問題，并且在解決問題的基礎上不會讓預測產(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。

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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，就限制了暴脹的程度，因為太大的暴脹程度會過度放大跨普朗克細節(jié)。

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轉換弦論尋找答案

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所以，將弦論稍作轉換后，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？當前的情況有些復雜，因為現(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明顯的沖突。理論學家認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。

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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(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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