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「宇宙弦」或可解釋宇宙存在之謎,能釋出可被檢測的重力波
2024-11-01 07:29:24 *
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作者 主題: 「宇宙弦」或可解釋宇宙存在之謎,能釋出可被檢測的重力波  (閱讀 2604 次)
peter
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« 於: 2018-09-10 13:36:04 »

「宇宙弦」或可解釋宇宙存在之謎,能釋出可被檢測的重力波

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“宇宙沼澤”檢驗:弦理論下產生的多數宇宙或不存在

https://m.sina.com.hk/news/article/20180910/0/5/2/%E5%AE%87%E5%AE%99%E6%B2%BC%E6%BE%A4%E6%AA%A2%E9%A9%97-%E5%BC%A6%E7%90%86%E8%AB%96%E4%B8%8B%E7%94%A2%E7%94%9F%E7%9A%84%E5%A4%9A%E6%95%B8%E5%AE%87%E5%AE%99%E6%88%96%E4%B8%8D%E5%AD%98%E5%9C%A8-9215673.html

一些物理學家認為,弦理論的問題在於它產生了太多的宇宙,它預測的不是一個宇宙,而是宇宙存在10的500次方個時空版本,每個宇宙時空都有各自物理定律。但是有這麼多的宇宙擺在研究桌面上,這個理論如何解釋我們的宇宙所具有的特徵呢?

  目前,一些理論學家認為,多數宇宙(並非所有宇宙)實際上是不存在的,至少如果我們想讓它們擁有穩定的暗能量,即加速宇宙膨脹的假設力量。對於一些人而言,消除這麼多假設宇宙並不是技術退步,而是宇宙弦理論向前邁進的重要一步,對做出可測試性預測帶來新的希望。但是其他一些人表示,多元宇宙將繼續存在,所有這些關於宇宙提出的問題根本不是問題。

  今年6月底日本召開會議,對弦理論這一熱門話題展開了激烈辯論,弦理論學家們在這裏召開2018年宇宙弦理論大會。瑞典烏普薩拉大學物理學家烏爾夫?丹尼爾鬆(Ulf Danielsson)說:“這真的是一件新鮮事,並在該領域引發爭論。”

  2018年宇宙弦理論大會的核心討論內容發表在arXiv網站上,該內容主要著眼於所謂的弦理論“景觀方案”,從不同弦理論等式不同解決方法可獲得無限數量的潛在宇宙,同時依據弦理論等式可分析獲得宇宙形成物質,例如:暗能量。但是這篇研究報告指出,迄今大多數解決方法都表現出了數學理論的不一致,將其放在所謂的“宇宙沼澤”之中,證實它們實際並不存在。

  多年以來,科學家知道許多弦理論解決方法肯定經不起“宇宙沼澤”的檢驗,但可能大多數或者所有弦理論“景觀方案”要保持下來必須經曆重大變化。研究報告負責人、美國哈佛大學物理學家庫姆倫?瓦法(CumrunVafa)說:“事實上,從理論上講,要找到包含穩定暗能量的弦理論有效解決方案是不可能的。”

  迷失在多元宇宙

  弦理論試圖通過增加時空額外維度和將粒子想像成為極小振動循環來描述整個宇宙,許多弦理論學家認為,這仍然是阿爾伯特?愛因斯坦(Albert Einstein)將廣義相對論與量子力學相互衝突的微觀世界統一起來的理想方向。然而,弦理論的景觀概念不僅能預測一個宇宙,還能預測許多宇宙,這一點令物理學家產生了置疑。美國普林斯頓大學物理學家保羅?斯泰恩哈特(Paul Steinhardt)說:“如果弦理論能夠產生多個宇宙,那麼我認為該理論是錯誤的,因為它失去了所有預測價值,真的是一切皆有可能。”對於斯泰恩哈特和其他人而言,最新發現的暗能量問題為弦理論提供了一條出路,這種大型多元宇宙的預測景觀在數學理論上可能是錯誤的,矛盾的是,這使得事情變得更加有趣,因為這意味著弦理論比我們想像的更具有預測性。

  美國芝加哥大學薩維迪普・塞思(Savdeep Sethi)在內的一些弦理論學家希望現在重新進行評估,他說:“我覺得重新檢驗弦理論令人非常興奮,長期以來,我對弦理論的‘景觀方案’持懷疑態度,我希望看到思考模式的轉移,不再相信我們有一套經過驗證的解決方案。”

  但是並非所有人都認可這樣的觀點,認為弦理論“景觀”實際上屬於“宇宙沼澤”,尤其是2003年建立“景觀”最早版本的一支研究團隊,該團隊以科學家成員姓氏縮寫命名為KKLT,美國斯坦福大學KKLT成員沙米特・卡奇盧(Shamit Kachru)說:“我認為做這些推測和檢查是非常有益的,但是我不認為有任何理論或者實驗原因能夠認真對待這些猜想。”

  同時,美國斯坦福大學物理學家伊娃・西爾弗斯坦(Eva Silverstein)也幫助建立早期的景觀模型,她同樣置疑哈佛大學物理學家庫姆倫・瓦法和他同事的論據。她說:“我認為KKLT研究團隊使用的研究元素和研究方法組合在一起是完全有效的。”

  高級研究所理論學家胡安・馬爾達西那(Juan Maldacena)表示,他仍然支援弦理論宇宙觀點,認為宇宙擁有穩定暗能量。

  許多理論學家對弦理論多元宇宙理論非常滿意,卡奇盧說:“如果弦理論宇宙景觀是正確的,那麼我們所處的宇宙與多元宇宙相比就像我們的太陽繫在宇宙中一樣。”

  17世紀德國天文學家約翰內斯・開普勒(Johannes Kepler)最初曾探尋地球與太陽之間保持距離的根本原因,而現在我們知道,太陽只是銀河係數十億顆恒星中的一顆,每顆恒星都有自己的行星,地球與太陽之間的距離只是一個隨機數,而不是隱藏著某種深奧的數學原理。同樣的,如果宇宙是多元宇宙中的萬億分之一,那麼我們宇宙的特定參數也同樣是隨機的。這些數字似乎是完美地微調創造一個宜居宇宙,這是一個選擇性效應,人類當然會發現自已身處多元宇宙中一個罕見角落,在那裡他們有可能進化。

  加速宇宙

  如果弦理論真的不能適應穩定的暗能量,這可能是一個置疑弦理論的理由。但對於瓦法而言,這是置疑暗能量的一個理由――暗能量最普遍的形式,被稱為宇宙常數。

  弦理論源自1917年,是著名科學家愛因斯坦提出的,並於1998年被科學家們關注,當時,天文學家發現不僅時空膨脹,而且膨脹速度也在不斷加快。宇宙常數是真空中一種能量形式,它不會改變和抵消引力牽引。但這並不是宇宙加速的唯一解釋,另一種解釋是“第五元素(quintessence)”,被認為是土、水、火、風以外構成宇宙的神秘元素,它們可以進化,並能遍佈時空。瓦法說:“不管你能否在弦理論中實現穩定的暗能量,結果證明,在弦理論中暗能量隨時間變化的想法實際上更行得通。如果是這樣的話,那麼我們可以通過目前正在進行的天體物理觀測來測量暗能量的滑動。”

  到目前為止,所有天體物理學證據都支援暗能量觀點,但在測量方面還是有一些迴旋餘地。即將進行的實驗,例如:歐洲歐幾里得(Euclid)太空望遠鏡、美國宇航局廣域紅外巡天望遠鏡(WFIRST),以及在智利沙漠建造的西蒙斯天文台,將尋找暗能量在過去比現在更強或者更弱的跡象。

  斯泰恩哈特說:“有趣的是,我們當前已處於一個非常敏感的狀態,開始對宇宙常數理論施加壓力,我們不必等待新技術的出現,當前我們就在遊戲之中。”

  甚至對瓦法提議持懷疑態度的人也支援替代暗能量的想法,西爾弗斯坦說:“我實際上同意該觀點,一個不斷變化的暗能量場是一種簡化加速膨脹的方法。但是我不認為有任何理由可以對暗能量進行觀察預測。”

  “第五元素”並非唯一的選擇,在瓦法研究論文之前,典烏普薩拉大學物理學家烏爾夫?丹尼爾鬆和同事提出了另一種將暗能量與弦理論結合在一起的方法。依據他們的觀點,我們的宇宙是一個在更大維度空間中處於膨脹的三維泡狀物表面。該表面的物理特性可以模擬暗能量的物理特性,丹尼爾鬆說:“與我們目前的想法相比,這是一種實現暗能量的不同方式。”

  一個美麗的理論

  最終,弦理論的爭議焦點聚集在一個深奧問題:物理學的意義是什麼?一個好的理論應該能夠解釋我們周圍宇宙的特性嗎?還是這要求太多了?當一種理論與我們認為的宇宙運行方式發生衝突時,我們是否應當拋棄自認為知道的理論或者事物?

  弦理論對於許多科學家而言是非常吸引人的,因為它是“美麗的”――它的方程式令人感到滿意,做出的解釋簡潔明了。但是目前為止,弦理論仍沒有任何實驗證據支援它,更糟糕的是,沒有任何合理的可能性收集相關證據。然而,即使弦理論無法調節我們在宇宙中觀測的暗能量,也不能阻止一些人仍然認可弦理論。

« 最後編輯時間: 2020-03-05 21:13:40 由 peter » 已記錄

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« 回覆文章 #1 於: 2018-09-10 13:37:20 »

http://www.math.columbia.edu/~woit/wordpress/

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« 回覆文章 #2 於: 2018-11-05 12:21:20 »

https://www.cnbeta.com/articles/science/784341.htm
https://sina.com.hk/news/article/20181104/0/5/2/%E5%BC%A6%E7%90%86%E8%AB%96%E5%AD%B8%E5%AE%B6%E6%8F%90%E5%87%BA-%E5%AE%87%E5%AE%99%E6%9A%97%E8%83%BD%E9%87%8F%E6%95%B8%E5%80%BC%E4%B8%A6%E9%9D%9E%E8%99%95%E6%96%BC%E6%81%92%E5%AE%9A%E7%8B%80%E6%85%8B-9389161.html

美國哈佛大學物理學家庫姆倫・瓦法(Cumrun Vafa)是弦理論最堅定的支援者之一。但是今年夏天,其他弦理論學家對瓦法的最新猜測半信半疑,這可能使他們對長達10年的一項假設理論――即暗能量是恒定的,認為是無效的,瓦法的最新研究表明,宇宙暗能量數值發生了變化,並非處於恒定狀態。

  一個非恒定暗能量理論是瓦法和研究同事試圖將弦理論應用到宇宙的結果,在宇宙真空環境中似乎有一些先天能量。如果瓦法的猜測是真實的,暗能量,這個神秘的宇宙物質,似乎佔據了宇宙總質量和能量的70%以上,並且暗能量處於加速膨脹狀態,應該是處於不斷變化的作用力。但是恒定暗能量一直都是許多弦理論的理論支柱,具有矛盾性的是,非恒定暗能量可能是弦理論成功的一個標誌。

  奧地利TU Wien理論物理研究所科學家蒂姆・烏拉瑟(Timm Wrase)說:“這將是我們首次從弦理論中獲得一些新的東西,人們可通過測量發現,但是我並不知道是否會真的發生。”

  讓我們從頭開始:我們生活在似乎遵循規律的宇宙之中。在最宏觀的尺度上,較大物體遵循廣義相對論的規則,它們通過重力相互作用。在最小尺度上,亞原子粒子遵循量子力學和量子場理論的規則,通過力場相互作用,證明它們是作用力攜帶粒子。但是當你試圖將廣義相對論解釋為量子場理論的巨大延伸時,數學理論將無法支援,一個較宏觀理論――弦理論,試圖將兩者結合起來,每個粒子實際上是在更高維度空間振動的微小弦結構,其編碼了科學家所觀測的宇宙屬性。

  這裏用“理論”有點兒用詞不當,它非常像一個包羅萬象的數據框架,科學家們從中獲得關於我們宇宙的理論,但是一些科學家認為弦理論的核心是不正確的。

  我們的宇宙包含了大約4%的物質(構成我們所看到的一切物質),25%的神秘暗物質,自1998年科學家觀測到宇宙膨脹加速膨脹之後,便認為宇宙剩餘物質應當是“暗能量”。弦理論學家認為,弦理論是在暗能量強度不變的情況下進行的,他們的弦理論以某種方式發生進化。但是瓦法和研究合著作者在今年夏季的一篇論文中推測,為了以弦理論規律方式存在,我們的宇宙必須有一個暗能量場,其能量值處於下降趨勢。

  瓦法說:“無論暗能量改變與否,這都是一個嚴肅重要的事情。如果暗能量值發生變化,那麼對於那些理論依賴於假設觀點的科學家而言,這是一個大事,他們認為暗能量是恒定不變的。我們可能不得不追溯至宇宙基礎理論,它將改變我們對宇宙進化的理解――無論是過去還是將來。”

  瓦法的理論猜測最初非常強烈,並在科學界產生轟動效應。烏拉瑟稱,這是對於那些認為這個框架受到威脅的弦理論學家的一個“呼喚行動”。一些人認為這是完全錯誤的,斯坦福大學物理學家伊娃・西爾弗斯坦(Eva Silverstein)表示,這個暗能量值非恒定的假想是基於猜測,並引用了“高度可疑分析”。另一些人則將這篇論文作為一個不錯的機會,確保他們的理論能夠描述像我們這樣的宇宙。

  烏拉瑟和其他專家對瓦法及其團隊的研究持批判性觀點,前不久,烏拉瑟的研究報告發表在《物理學評論D刊》上,該報告發現我們宇宙的一些理論屬性,特別是關於希格斯玻色子相關領域的理論,與猜測理論中某些數學概念相矛盾。回想一下微積分學前課,最初的猜想本質上是講,支配暗能量的物理場是由一個沒有最大值或者最小值的數學函數推導出來的,一個圖表上只有一條線,沒有波峰或者波穀。烏拉瑟發現與希格斯玻色子相關的力場必須在這個函數中達到峰值。

  但是烏拉瑟的研究報告並未完全排除瓦法的觀點,瓦法認為,烏拉瑟的批判性觀點反而強化了自己的猜測,從而更好地應用於我們所生活的宇宙。還有其他一些類似的論文也加強了這個猜測,並且瓦法也表示自己的猜測需要進行改進。

  真正令人興奮的是,我們可能很快就會知道瓦法的工作是否產生一個可測試的弦理論預測,這是非常重要的。像暗能量測試或者即將發射的廣域紅外巡天望遠鏡(WFIRST),這樣的實驗可能會探測到暗能量是恒定的,或者隨時間變化的,並且可能在未來幾年內獲得確鑿證據。

  那麼,這是即將來臨的一個模式轉換發現嗎?烏拉瑟說:“多數科學家不會說這個猜測是錯誤的,或者是正確的。”瓦法表示,當然自己有可能是錯誤的,但糾錯過程也能證明揭曉弦理論的一些重要內容。

  烏拉瑟說:“如果瓦法的暗能量猜測是正確的,那將是一項驚人的發現。這將是弦理論中最大的一件事――能夠做出可測量性預測。”(葉傾城)


宇宙暗能量数值并非处于恒定状态

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« 回覆文章 #3 於: 2020-03-05 21:13:28 »

「宇宙弦」或可解釋宇宙存在之謎,能釋出可被檢測的重力波

https://technews.tw/2020/03/05/dark-matter-big-bang-universe-cosmic-string/

既然物質與反物質接觸後相互湮滅,為何宇宙可以存在?科學家最近意識到,或許我們可以透過檢測宇宙弦產生的極微小重力波來解決這個謎團。

我們的宇宙由物質、暗物質與暗能量構成,從原子到黑洞等所有人事物,我們所看見、摸見的全都是物質。這一切起源於宇宙大爆炸後不久,宇宙膨脹將能量轉化為物質,只不過最初物質與反物質的數量應該要一樣,從而宇宙根本不會在大爆炸後存在,只是因發生某件事,物質與反物質失去平衡,物質留下了。

科學家不知道發生了什麼事,但推測當中可能涉及微中子這種神秘粒子的作用。微中子不帶電荷,因此可以充當物質或反物質,一種理論認為,大爆炸之後約 100 萬年,宇宙冷卻並經歷相變(這一過程類似固體變成液體、液體變成氣體),促使微中子衰變產生的物質比反物質還要多一些。

幾乎沒什麼方法可以確認這種發生在極早期宇宙中的相變,但加州大學團隊最近透過模型計算後,發現微中子經歷相變會留下一種極長極細、瀰漫宇宙的痕跡,稱為「宇宙弦(cosmic string)」。

接著團隊成員意識到,宇宙弦很可能會在時空產生非常小的波動,也就是重力波,只要能檢測到這些重力波,我們就能驗證理論是否正確。

超新星爆炸、兩顆大質量恆星互相繞轉、雙黑洞/雙中子星併合等現象都會產生重力波,由宇宙弦引起的重力波強度雖然比上述都還要小,但團隊的模擬結果顯示,宇宙弦所產生之重力波強度已足以被擬議建設的觀測台檢測,包括雷射干涉太空天線(LISA)、分赫茲干涉引力波天文台(DECIGO)等。

如果未來真的能探測到早期宇宙的重力波,科學家便多了一個更有力的理論,解釋宇宙之所以存在的原因。新論文發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)。
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