理论物理学

弦乐世界

弦理论带来了重新结合物理学的希望,但描述了一个非常奇怪的宇宙:微小的弦在其中以各种尺寸振动,这违背了我们通常的经验!让我们与该理论的先驱Gabriele Veneziano一起进入这个宇宙。

加布里埃莱·韦尼齐亚诺和纪尧姆·雅克蒙特 科学档案编号62
将基本粒子描述为弦乐的想法从何而来?

G.韦内齐亚诺: 这个想法远非纯粹的猜测,而是源于从观察开始的过程。在1960年代中期,通过研究质子和中子之间的核相互作用,我们开发了数学模型来描述实验数据。对这些模型的详细分析表明,它们不是描述无量纲的粒子(点),每个粒子都有其自身的质量,而是描述具有有限扩展性的实体,线,其特征在于单个参数:电线(每单位长度的能量)。

回想起来,这个模型并不是偶然出现的。后来我们知道,质子和中子不是基本的:它们由夸克组成,它们通过强烈的相互作用相互连接。当夸克彼此远离时,其强度会增加,就像它们是由绳索,弹簧连接一样。

即便如此,旧的弦理论还是非常近似的,从1974年到1984年的十年间,它被遗忘了。然后,我们意识到,通过极大地改变电压值,可以提供引力的量子描述,从而使量子力学与爱因斯坦的广义相对论协调一致。这标志着他成功的真正开始。

这是一个量子引力论吗?

G.韦内齐亚诺: 在弦理论中,每个粒子都是弦振动的特定状态。但是,振动的一种模式对应于我们在量子物理学中寻找的重力介质,也就是说,质量为零且角动量(或自旋)为2的粒子:引力子。同样,弦论为我们提供了质量为零且自旋为光子的粒子,即光子,它表征了电磁的量子理论。

弦坚持提供零质量和非零自旋的粒子是放弃旧理论的原因之一。实际上,这些粒子不属于核相互作用的世界。但是,当您用光子和引力子而不是质子和中子来重新解释弦时,该理论将变得更具吸引力。

 

我们是否仍然发现具有质量的粒子,例如夸克?

G.韦内齐亚诺: 这是一个真实的问题。弦理论定义了一个非常高质量的内在尺度,直接与它的张力有关。在近似的第一级,弦的量子态具有零质量或巨大质量,几乎是普朗克的质量(1019 乘以质子)。那么如何解释小质量的粒子呢?这个问题与更传统的理论(例如粒子物理学的标准模型)中遇到的问题非常相似。我们希望通过破坏某些对称性来解决它,但是这些破坏的确切机制尚不清楚。

 

弦理论在哪里?我们是否已经知道如何描述“弦乐世界”?

G.韦内齐亚诺: 这取决于所考虑的能量规模。在低能状态下,我们知道如何编写方程式,但是它们承认许多解。一些物理学家认为,这种多重性涉及多个可能的世界。其中之一就是我们的,我们正尝试从相应的解决方案中找到粒子物理学的标准模型。因此,我们希望确定模型的二十个左右自由参数的值,或者为其超对称扩展确定一百个参数。至于其他解决方案,随着理论的发展,它们是否会消失,但是与我们的世界相对应的解决方案的完整描述将是向前迈出的一大步!

无论哪种方式,可能性都是相距不远的。只要在空间的三个可感知维数加上时间的范围内保留一个条件,一般性定理就会确定,任何统一量子力学和狭义相对论的理论都必须是量子场论。换句话说,所有解决方案都将最终进入“粒子”世界,其中相互作用通过交换其他粒子来绑定粒子,即使它们不是完全相同的力或相同的粒子也是如此。

在接近大爆炸的高能量时,问题就不同了。我们不知道确切的方程式,并且我们的第一个理论轨迹是非常初步的。这个领域充满了想象力!我们对物理学的描述可能涉及完全不同的概念,在这些概念中,不需要时空的概念。

 

向我们描述弦理论的时空。

G.韦内齐亚诺: 它包括十个维度,九个空间和一个时间。为什么我们只感知三个?有两个假设是相反的:附加维太小而无法感知,或者它们非常大...在第二种情况下,我们的宇宙将是名为3D-brane的三维子空间,我们将其“卡住” 。

除了通常的三个维度之外的六个维度构成了所谓的内部空间。这个空间的几何形状(形状和大小分别由拓扑和度量表示)决定了我们在三维空间中观察到的物理条件。例如,表征拓扑的某些数字与夸克的族数有关。

如何检验理论?

G.韦内齐亚诺: 不幸的是,琴弦的大多数特定效果只会在巨大能量时出现(大约1028 电子伏特)。然后有三种主要方法来尝试验证或伪造该理论。首先是将其开发到最后。目前,它确实可以预测有问题的粒子,例如引力子的伴侣dilaton,其质量也为零。膨胀子的交换会产生一种破坏自由落体的普遍性的力量-这一经过充分验证的原理是,只有两个受到重力场的物体以相同的速度下落。如果理论上的进步不能使质量膨胀,那么该理论将被伪造。但是,要考虑的数学非常复杂,如果这条道路成功,那么它可能不会持续10到20年。

第二种方法是将原始宇宙用作我们最强大的加速器。当时,可以看到今天的遗骸,其中涉及的温度和能量是巨大的。如果我们可以用弦论为早期宇宙建模,那么我们将能够进行可验证的预测。更有趣的是,我们将能够帮助传统宇宙学解决其某些问题,例如Big Bang奇点。但是,正如我已经指出的那样,在非常高的能量下,仍有许多理论上的进展。另一方面,在观察层面,我们拥有必要的工具。

最后,最后一条可能的路线取决于弦论预测的其他尺寸的大小。如果比普朗克刻度(10–33 厘米)(我对此表示怀疑),我们也许可以在lhc上观察到额外尺寸的影响。

为什么弦论引起这么多 痴情?

G.韦内齐亚诺: 除了其理论上的成功之外,弦论还将使我们对自然产生一种基本的了解。今天我们对它的描述基于两个支柱。一方面,广义相对论是一种引力理论。另一方面,粒子物理学的标准模型描述了量子场论的一个小子类中的其他三个相互作用:规范理论。但是,如果自然是由弦组成的,那么我们可以在连贯且完全量子的上下文中找到该子类和引力。

因此,我认为对弦理论的兴趣是合理的。但是,现在还不能说它能很好地描述自然,还为时过早,我们不应该在这条道路上押注一切。

纪尧姆·雅克蒙特(Guillaume Jacquemont)的访谈。
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