弦理論:暗能量是允許的嗎?

在弦理論中，范式轉(zhuǎn)換可能即將到來。今年6月，哈佛大學和加州理工學院的一組弦理論學家發(fā)表了一個聽起來具有革命性的猜想:據(jù)說弦理論從根本上與我們目前對“暗能量”的理解不相容——但只有用“暗能量”才能解釋我們當前宇宙的加速膨脹。

維也納理工大學的Timm Wrase很快發(fā)現(xiàn)了這個猜想的一些奇怪之處:它似乎與希格斯粒子的存在不相容。他與紐約哥倫比亞大學(Columbia University)和海德堡大學(University of Heidelberg)的理論家一起進行了計算，現(xiàn)已在《物理評論》(Physical Review)上發(fā)表。目前，全世界都在熱烈討論弦和暗能量。Wrase希望這將導致這一研究領域的新突破。

萬物理論

人們對弦理論寄予厚望。它被用來解釋引力是如何與量子物理學相聯(lián)系的，以及我們?nèi)绾卫斫庾匀环▌t，自然法則描述了整個物理世界，從最小的粒子到宇宙最大的結(jié)構(gòu)。

通常，弦理論被指責僅僅提供抽象的數(shù)學結(jié)果，而且做出的預測太少，實際上無法在實驗中得到驗證。然而現(xiàn)在，全世界的弦理論團體正在討論一個與測量宇宙膨脹的宇宙實驗密切相關的問題。2011年，諾貝爾物理學獎授予了一項發(fā)現(xiàn)，即宇宙不僅在不斷擴大，而且實際上還在加速膨脹。

這種現(xiàn)象只能通過假設一種額外的、以前未知的“暗能量”來解釋。這個想法最初來自阿爾伯特·愛因斯坦，他把它作為廣義相對論的一個“宇宙學常數(shù)”加上去。愛因斯坦實際上是這樣做的，是為了構(gòu)造一個不膨脹的宇宙。當哈勃在1929年發(fā)現(xiàn)宇宙實際上在膨脹時，愛因斯坦把他的方程的修改描述為他一生中最大的錯誤。但隨著宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)，宇宙常數(shù)又以暗能量的形式被重新引入到當前的宇宙學標準模型中。

就像水果碗里的蘋果

維也納理工大學理論物理研究所的Timm Wrase說:“在很長一段時間里，我們認為這種暗能量可以很好地適應弦理論。”弦理論假設有額外的，以前未知的粒子可以被描述為場。

這些田地的能量最低——就像一個蘋果躺在碗里。它總是在碗的底部，在碗的最低點。在其他地方，它的能量會更高，如果我們想轉(zhuǎn)移它，我們必須施加能量。但這并不意味著最低點的蘋果一點能量都沒有。我們可以把蘋果放在地上，或者放在桌子上——蘋果有更多的能量，但它仍然不能移動，因為它仍然處于最小能量的狀態(tài)。

“在弦理論中，有一些場可以以類似的方式解釋暗能量——在局部，它們處于能量最小的狀態(tài)，但它們的能量值仍然大于零，”Timm Wrase解釋說?！耙虼耍@些場將提供所謂的暗能量，我們可以用暗能量來解釋宇宙加速膨脹?！?/p>

但6月25日，世界上最著名的弦理論家之一、哈佛大學的坎潤·瓦法發(fā)表了一篇文章，引起了許多人的關注。他認為，在弦理論中，這種“碗形”正能量場是不可能的。

希格斯場——一個矛盾

維也納理工大學的Timm Wrase很快意識到這種說法的含義:“如果這是真的，那么宇宙加速膨脹，正如我們目前所想象的那樣，是不可能的。”“然后，加速膨脹必須用性質(zhì)完全不同的場來描述，比如一個傾斜的平面，一個球滾下山坡，失去勢能?！钡谶@種情況下，宇宙中“暗能量”的數(shù)量會隨著時間的推移而改變，宇宙的加速膨脹有一天可能會停止。然后引力就會把所有物質(zhì)拉回到一起，在一個點上把所有東西都聚集起來，就像大爆炸的時間一樣。

但是Timm Wrase在他的博士論文中已經(jīng)處理過類似的問題，他發(fā)現(xiàn)這個想法也不可能是全部的事實?！癈umrun Vafa的猜想，它禁止某些類型的領域，也會禁止我們已經(jīng)知道存在的東西，”他解釋說。

Wrase能夠證明希格斯場也具有實際上應該被Vafa猜想所禁止的性質(zhì)——希格斯場被認為是一個實驗證明的事實。由于這一發(fā)現(xiàn)，2013年諾貝爾物理學獎被授予。Wrase把他的研究結(jié)果上傳到預印本網(wǎng)站Arxiv上，很快就在弦理論領域引發(fā)了大量的討論?，F(xiàn)在這項研究已經(jīng)被同行評審并發(fā)表在《物理評論》雜志上。

“這場爭論對弦理論來說是件好事，”Timm Wrase確信。“突然之間，很多人有了全新的想法，這是以前沒有人想過的?！盬rase和他的團隊現(xiàn)在正在調(diào)查在弦理論中哪些場是允許的，在哪些點上它們違反了Vafa的猜想?！耙苍S這會讓我們對暗能量的本質(zhì)有一個令人興奮的新見解——那將是一個巨大的成功，”Wrase說。

出現(xiàn)的假設(至少部分)很快就會被實驗驗證。在未來幾年里，宇宙加速膨脹的測量將比以往任何時候都更加精確。