摘要：為了繪製量子重力理論，研究人員使用邏輯規則來計算愛因斯坦的理論必須改變多少。結果與弦理論完美匹配。In a Numerical Coincidence, Some See Evidence for String Theory | Quanta Magazine
為了繪製量子重力理論，研究人員使用邏輯規則來計算愛因斯坦的理論必須改變多少。結果與弦理論完美匹配。
In a Numerical Coincidence, Some See Evidence for String Theory | Quanta Magazine
="">娜塔莉沃爾喬弗進階編輯2022 年 1 月 21 日
最近，三位物理學家計算了一個與重力量子性質有關的數字。當他們看到其價值時，「我們簡直不敢相信，」佩德羅·維埃拉說，三者之一。 引力的量子尺度細節並不是物理學家通常知道如何量化的東西，但三人組使用一種最近在物理學其他領域取得了驚人成果的方法來解決這個問題。這稱為引導程式。 引導是透過找出與已知事實一致的內容來推斷出關於世界的新事實——科學版的透過自己的引導來振作起來。透過這種方法，三人發現了一個令人驚訝的巧合：他們的自舉數字與弦理論對數字的預測非常吻合。弦理論是萬有引力和其他一切基本理論的主要候選者，它認為所有基本粒子都是振動環和弦。
維埃拉、安德里亞·古列裡（開啟一個新分頁）以色列特拉維夫大學教授João Penedones（開啟一個新分頁）瑞士洛桑聯邦理工學院報告了他們的人數（開啟一個新分頁）以及與 2021年8 月《物理評論快報》中弦理論預測的匹配。
有些人將這一結果解釋為弦理論的一種新證據，由於假設弦的點狀微小，該框架甚至嚴重缺乏實驗證實的前景。
「希望你能夠使用這些 [bootstrap] 方法證明弦理論的必然性，」大衛·西蒙斯-達芬 (David Simmons-Duffin)說，加州理工學院理論物理學家。 “我認為這是朝著這個目標邁出的偉大的第一步。”左起：佩德羅·維埃拉、安德里亞·古列里和若昂·佩內多內斯。Gabriela Secara / Perimeter 理論物理研究所；安德里亞·格里裡裡 (Andrea Guerrieri) 提供； NCCR 瑞士地圖
艾琳·巴倫蘇埃拉（開啟一個新分頁）馬德里自治大學理論物理研究所的理論物理學家對此表示同意。 「問題之一是弦理論是否是唯一的量子重力理論，」她說。 “這表明弦理論是獨一無二的。”
其他評論員認為這是一個過於大膽的飛躍，並指出了有關計算方式的警告。
愛因斯坦，更正
Vieira、Guerrieri 和 Penedones 計算出的數字是 的最小可能值α。大致，α是第一個也是最大的數學項的大小，您必須將其添加到阿爾伯特愛因斯坦的引力方程中，以便描述兩個引力子（假定的引力量子單位）之間的相互作用。
愛因斯坦 1915 年的廣義相對論將重力描繪成由物質和能量創造的時空連續體中的曲線。它完美地描述了大規模的行為，例如行星繞著恆星運行。但當物質被塞進太小的空間時，廣義相對論就會短路。 「必須對愛因斯坦引力進行一些修正，」西蒙卡倫霍特說（開啟一個新分頁）麥基爾大學理論物理學家。
物理學家可以利用肯尼斯威爾森和史蒂文溫伯格在 20 世紀 60 年代設計的方案來整理他們對引力微觀本質知識的缺乏：他們只需為廣義相對論添加一系列可能的「修正”，這些修正在短距離上可能會變得很重要。假設您想預測兩個引力子以某種方式相互作用的機會。您從相對論中的標準數學術語開始，然後添加新術語（使用任何和所有相關變數作為構建塊），這些術語隨著距離變小而變得更重要。這些類比術語前面帶有標記為的未知數字 α,β,γ 等等，這設定了它們的大小。 「不同的量子重力理論將導致不同的修正，」維埃拉說，他在加拿大滑鐵盧週邊理論物理研究所和巴西聖保羅國際理論物理中心聯合任職。 “因此，這些修正是我們區分這種可能性的第一個方法。”
在實踐中， α僅在弦理論中被明確計算過，即使如此，也僅適用於高度對稱的 10 維宇宙。英國弦理論家麥可‧格林（開啟一個新分頁）和同事在 20 世紀 90 年代確定，在這樣的世界中 αα必須至少為 0.1389。在給定的弦宇宙中，它可能會更高；高多少取決於弦耦合常數，或是弦自發分裂成兩部分的傾向。 （這個耦合常數在弦理論的不同版本之間有所不同，但所有版本都統一在一個稱為 M 理論的主框架中，其中弦耦合常數對應於額外 11 維中的不同位置。）
同時，替代的量子重力理論仍然無法做出預測 α。由於物理學家實際上無法檢測到引力子——引力太弱——他們無法直接測量αα 作為研究和測試量子重力理論的一種方式。
幾年前，Penedones、Vieira 和 Guerrieri 開始討論使用引導方法來限製粒子相互作用過程中可能發生的情況。他們首先成功地應用了該方法（開啟一個新分頁）到稱為介子的粒子。 “我們說，好吧，這裡效果很好，那為什麼不採用重力呢？”古列裡說道。
使用公認的真理來限制未知的可能性的技巧是由粒子物理學家在20 世紀60 年代發明的，然後被遺忘，然後在過去十年中被研究人員用超級電腦復活，產生了奇妙的效果，它可以解決自舉往往產生的強大公式。
格雷裡、維埃拉和佩內多內斯著手確定α必須滿足兩個一致性條件。第一個稱為么正性，指出不同結果的機率總和必須永遠為 100%。第二個被稱為洛倫茲不變性，它表示從所有角度來看都必須保持相同的物理定律。
三人組特別考慮了數值的範圍 α 超對稱 10D 宇宙中這兩個原理所允許的。計算不僅簡單到足以在該設定中完成（目前情況並非如此，對於 αα 在像我們這樣的 4D 宇宙中），但這也使他們能夠將自舉範圍與弦理論的預測進行比較 αα 10D 設定為 0.1389 或更高。
廬一性和洛倫茲不變性透過以下方式對兩個引力子相互作用中可能發生的情況施加限制：當引力子彼此接近並分散時，它們可能會以兩個引力子的形式飛散，或者變成三個引力子或任意數量的其他粒子。當你提高接近的引力子的能量時，它們在兩個引力子相遇時出現的機會會改變——但廬正性要求這個機率永遠不會超過 100%。洛倫茲不變性意味著機率不能取決於觀察者相對於引力子的移動方式，從而限制了方程式的形式。這些規則一起產生一個複雜的自舉表達式α 必須滿足。 Guerrieri、Penedones 和 Vieira 對周界研究所的電腦集群進行了編程，以求解使兩個引力子相互作用單一且洛倫茲不變的值。
計算機吐出其下限 α：0.14，給定或取百分之一－與弦理論的下限 0.1389 非常接近且可能完全匹配。換句話說，弦理論似乎跨越了允許的整個空間 αα 值——至少在研究人員檢查的 10D 位置。 「這是一個巨大的驚喜，」維埃拉說。
10維重合
數字巧合意味著什麼？西蒙斯-達芬（Simmons-Duffin）幾年前的工作幫助推動了引導程序的復興，他表示，「他們正在試圖解決一個基本且重要的問題。即：我們所知的弦理論在多大程度上涵蓋了所有可能的量子引力理論的空間？
弦理論出現在 20 世紀 60 年代，它描繪了一種結合稱為介子的複合粒子的弦膠的假設圖景。為此，一種不同的描述最終盛行，但多年後，人們意識到弦理論可以把它的目光放得更高：如果弦很小——小到看起來像點——它們就可以作為自然界的基本構件。電子、光子等等都是同一種基本弦，以不同的方式彈奏。這個理論的賣點是它給出了引力的量子描述：引力子是處於最低能量振動模式的閉合弦或環，其中相等數量的波繞環順時針和逆時針傳播。這項特徵是重力宏觀特性的基礎，例如重力波的螺旋模式偏振。
在假宇宙中，弦理論的證據
理論物理在假宇宙中，弦理論的證據2015 年 2 月 18 日
但將理論與現實的所有其他方面相匹配需要一些努力。為了消除與非物理、超光速粒子相對應的負能量，弦理論需要一種稱為超對稱性的屬性，它可以使其弦振動模式的數量加倍。與物質粒子相對應的每個振動模式必須伴隨著另一種表示力粒子的振動模式。弦理論還要求存在 10 個時空維度，以便弦在其中扭動。這兩個數據點都存在一些問題。
如果弦理論描述了我們的世界，那麼超對稱性一定在這裡被打破。這意味著夥伴粒子（如果存在）一定比已知的一組粒子重得多——太重而無法在實驗中聚集。如果真的有 10 個維度，那麼必須有 6 個維度捲曲得非常小，以至於我們無法察覺——這些額外方向的緊密小結，你可以在空間的任何一點進入。 4D 宇宙中的這些「緊湊」維度可能有無數種可能的排列，所有這些都會影響弦（以及像這樣的數字） α不同。
破碎的超對稱性和不可見的維度導致許多量子重力研究人員尋求或更喜歡替代的、非拉絲的想法。但到目前為止，競爭對手的方法一直難以像弦理論一樣對引力子相互作用等問題進行具體的計算。
有些物理學家希望看到弦理論預設贏得人心，因為它是唯一邏輯上一致的引力微觀描述。如果研究人員能夠證明「弦的普遍性」（有時被稱為弦理論在可行的自然基礎理論中的壟斷），我們將別無選擇，只能相信隱藏的維度和聽不見的弦樂團。
對於弦理論的支持者來說，新的自舉計算開闢了一條最終證明弦普遍性的途徑，並且它讓旅程有了一個轟轟烈烈的開始。
其他研究人員不同意這些含義。阿斯特麗德·艾希霍恩（開啟一個新分頁）南丹麥大學和海德堡大學的理論物理學家專門研究一種稱為漸近安全量子引力的非弦法，他告訴我，「我會考慮相關的設定來收集支持或反對給定量子理論的證據。引力是四維且非超對稱的”宇宙，因為這“最能描述我們的世界，至少到目前為止是這樣。
艾希霍恩指出，4 維引力子可能存在單一的、洛倫茲不變的描述，但在 10 維中沒有任何意義。她說，「僅僅透過這種設定的選擇，人們就可能排除其他可行的量子重力方法」。
維埃拉承認弦普遍性可能只在 10 維中成立，他說：“在具有超對稱性的 10 維中，可能只有弦理論，而當你進入 4 維時，就會有很多理論。”但他說：“我對此表示懷疑。”
然而，另一個批評是，即使弦理論飽和了允許的範圍 α 研究人員探索的 10 維設定中的值，這並不能阻止其他理論位於允許的範圍內。 「我看不出有任何實際方法可以得出弦理論是唯一答案的結論，」安德魯·托利說（開啟一個新分頁）倫敦帝國學院。
只是開始
如果引導者可以將類似的結果推廣並擴展到更多設置，那麼評估巧合的含義將變得更加容易。 「目前，很多很多人都在以各種不同的方式追求這些想法，」亞歷山大·日博耶多夫說（開啟一個新分頁），歐洲粒子物理實驗室 CERN 的理論物理學家。
Guerrieri、Penedones 和 Vieira 已經完成了「對偶」開機運算，這限制了 α
α
從下往上排除小於最小值的解，而不是解決可行的問題 αα 值高於界限，就像以前一樣。這種雙重計算表明，他們的計算機集群並不是簡單地錯過了較小的允許值αα值，這將對應於弦理論範圍之外的其他可行的量子重力理論。
他們還計劃引導九個大維度世界的下界，其中弦理論計算仍然受到一定的控制（因為只有一個維度捲曲），以尋找更多相關性的證據。除了α，引導程式也旨在計算 ββ和γγ——第二大和第三大量子引力修正的允許大小——他們對如何對超對稱被打破或不存在的世界進行更困難的計算有想法，就像現實中的那樣。透過這種方式，他們將嘗試開拓量子重力理論的空間，並在過程中測試弦的普遍性。
克勞蒂亞·德·拉姆（開啟一個新分頁）帝國學院的理論家強調了「不可知論」的必要性，並指出自舉原理對於探索弦理論以外的更多想法很有用。她和托利利用積極性（即機率始終為正的規則）來約束一種稱為質量引力的理論（開啟一個新分頁），這可能是也可能不是弦理論的實現。他們發現了潛在的可測試的結果，表明只有存在某些奇異粒子時，巨大的引力才滿足正性。德拉姆將引導原理和正性界線視為基礎物理學中「目前最令人興奮的研究進展之一」。
日博耶多夫說：“沒有人做過這項工作，將我們所知道的一切、保持一致性並將其整合在一起。”他補充說，理論家們「在非常基礎的層面上」還有工作要做，這「令人興奮」。
編者註：佩內多內斯和維埃拉是西蒙斯非微擾引導合作計畫的成員，該計畫由西蒙斯基金會支持，該基金會也資助了這本編輯獨立的雜誌。西蒙斯基金會的資助決定對我們的報道沒有影響。
来源：搭配灵感盒