左芬
弦论的景观(一)
2020-11-29 10:44
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17 弦论的景观(一)

     

彼得沃特    著

                           左  芬     译

 


过去几年超弦理论家们在对一个叫做人择原理的概念的评价上出现了极大的分歧。人择原理有多种形式,但他们全都涉及这样的观念:物理学定律必须具备容许智慧生命,比如我们自己,能够发展的特性。许多科学家认为,这不过是一种同义重复罢了,尽管是对的,却永远不可能用来得出可被证伪的预言,因而不属于科学推理的范畴。于是当一大群超弦理论家开始辩称超弦理论无能力做出预言并非理论本身的问题,而是宇宙真实本性的一种反映时,论争爆发了。在他们看来,超弦理论的启示是,对决定标准模型的绝大多数参数做出预言是本质上不可行的,只有人择原理才能对宇宙的各个方面为何如此做出解释。


回想一下,超弦理论一直因以下的真空简并问题而饱受煎熬。因为人们并不知道潜在的更基本的M-理论是什么,超弦理论家们在微扰弦论按照弦世界面的洞数进行展开时只选取前几项。他们假定这一计算结果会非常接近于在真实的M-理论中的计算值。要建立这一计算,你首先得选择一个十维或十一维的时空作为背景,可能再选择一些膜,也就是弦的端点能附着的包含在整个时空中的某些子时空。这整个选择被称为真空态,因为希望它会对应着未知的M-理论的最低能量态。存在许多甚至无穷多种背景时空看起来像是可行的自洽选择,而且每一种选择包含着大量的参数来决定背景时空的尺度和形状。这些参数被称为模,因为历史上模函数的取值就是用来参数化一个空间的尺寸或形状的。


人们希望这些模参数的值会以某种方式被M-理论的未知动力学所确定。为了实现这一点,必须找到某种机制为不同模参数对应的真空态赋予不同的能量。如果真空态的能量不依赖模参数,从一般性原理上可以预期这些模会给出对应于无质量粒子的量子场,而这些从未被观测到。依赖于众多模参数的能量函数的图像逐渐被称为超弦理论的“景观”。这一术语来源于景观图,其中海拔是这儿能量的类比,而某点的经纬度则可类比于这里的两个模参数。


2003年物理学家卡其鲁,卡罗希,林德以及特里维第 (Kachru, Kallosh, Linde, &  Trivedi, 2003)(取首字母简称KKLT)发现了为不同模参数值赋予不同能量的一种潜在机制,进而将能量视为模参数的函数,通过发现能量的极小值,来确定对应的模参数的值。在景观图中,这些极小值就是各种山谷的底部。这一KKLT机制非常复杂,以至于佘弥特卡其鲁的斯坦福同事莱昂纳德萨斯坎德将其称为‘鲁布戈德堡机械’[1],并将卡其鲁称为‘鲁布戈德堡机械大师’。KKLT先从一个卡拉比-丘空间出发将超弦理论的十维背景中的六维紧化掉,接着加上涉及膜和通量场的许多层额外结构。这些通量场是磁场在高维空间中的推广,并且会被卡拉比-丘空间的拓扑所囚禁。


KKLT机制挑选出的并非模参数的唯一取值,而是其取值的一个大集合,集合中的任意一个元素都跟其他的一样合理。这些可能的取值的数目估算出来离奇地大(比如10^100,10^500,甚至10^1000,远远超过了宇宙中所有粒子的总数或者任何你能想到的计数。此前弦论被认为是万物理论,卡其鲁把他们对弦论的这一提升称为‘超越万物的理论’。KKLT机制内在的自洽性仍处在超弦理论家们的论争之中,这一论争可能永远无法平息,因为主导其局面的内在 M-理论根本无人知晓。


可能存在超弦理论的比如说10^500种不同的自洽真空态几乎摧毁了利用这一理论做出任何预言的希望。即便仅仅从这个大集合中挑选出那些与当今实验观测相符的态,很有可能其数目仍然是极其巨大的,以至于人们对于新的实验观测可以恰好得到任何自己青睐的值。这有时被称作“爱丽丝餐厅问题”,因为民谣歌手阿洛格思里一首名曲的副歌部分有这样一句歌词:“在爱丽丝餐厅你想要什么就能得到什么”。在饭店里想要什么就能得到什么可能是令人向往的,但在一个物理理论中可完全不然。



[1] 译注:美国漫画家鲁布·戈德堡在其作品中创作出的一种过度复杂的机械组合,以迂回曲折的方式去完成一些其实非常简单的工作。


Bibliography

Kachru, S., Kallosh, R., Linde, A. D.,   & Trivedi, S. P. (2003). De Sitter vacua in string theory. arXiv:hep-th/0301240.


 


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