Tel Teorisi Dokuma Çoklu Evren
Bu makale, WeChat genel hesabı "Research Circle" (ID: keyanquan) tarafından yeniden basılma yetkisine sahiptir.
Yeniden yazdırmak için lütfen keyanquan@huanqiukexue.com ile iletişime geçin.
Bu makale Profesör Joseph Polchinski'yi anmaktadır (1954.5.16-2018.2.2)
Raphael Bousso (Raphael Bousso) tarafından yazıldı.
Joseph Polchinski (Joseph Polchinski)
Çeviri O Şarkı
Einsteinın 1915teki Genel Görelilik Teorisine göre, Yerçekimi, zaman ve uzayın geometrik yapısından gelir (ikisi, dört boyutlu bir uzay-zaman içinde birleştirilir); kütlesi (veya enerjisi) olan herhangi bir nesne, uzay-zamanı büker. . Örneğin yeryüzü kütlesinin etkisiyle elma ağacının tepesindeki elmanın zamanı, ağacın altında çalışan fizikçinin zamanından daha hızlı geçer. Ağaçtan düşen elma aslında zamanın ve uzayın bükülmesine bir tepkidir. Zamanın ve uzayın bu eğriliği, dünyanın yörüngesinde güneşin etrafında dönmesine neden olur ve aynı zamanda uzak galaksilerin bizden uzaklaşmasına neden olur. Bu şaşırtıcı ve harika fikir, birçok kesin deneyle doğrulanmıştır.
Yerçekimi etkileşimini uzay-zaman geometrisinin bükülmesiyle değiştirme teorisi büyük başarı elde etti.Bilim adamları doğal olarak şöyle düşündüler: Doğadaki diğer temel etkileşimleri ve hatta temel parçacık türlerini açıklamak için geometrik bir teori bulunabilir mi? ? Bu sorunun peşinde koşmak Einstein'ın hayatını tüketti ve onu özellikle çeken Alman bilim adamı Theodor Kaluza ve İsviçreli bilim adamı Oskar Klein'ın çalışmaları oldu. Yerçekiminin dört boyutlu uzay-zamanın geometrik yapısını yansıttığı fikrine dayanarak, elektromanyetik etkileşimin aslında ek bir uzaysal boyutun (yani beşinci boyut) geometrik yapısından geldiğini ve bu boyutun herhangi bir deneyde doğrudan kullanılamayacak kadar küçük olduğunu öne sürdüler. Tespit edildi. Einstein'ın bu birleşik teori arayışı başarısızlıkla sonuçlandı çünkü o zamanki koşullar henüz olgunlaşmamıştı. Temel etkileşimleri birleştirmek için öncelikle nükleer kuvvetin ve kuantum alan teorisinin temel fizikteki kilit rolünü anlamalıyız ve fizikçiler bunu 1970'lere kadar anlamadılar.
Bugün, birleşik bir teori arayışı, teorik fiziğin temel konularından biri haline geldi. Einstein'ın öngördüğü gibi, geometrik kavramlar önemli bir rol oynadı. Kuantum mekaniğini, göreliliği ve parçacık fiziğini birleştirmek için en umut verici teorik çerçeve olan sicim teorisinde, Kaluta ve Klein'ın fikirleri vurgulanarak yeniden desteklendi ve sicim teorisinin temel özelliklerinden biri haline geldi. Sicim teorisinde ve Kaluza-Klein varsayımında, Gördüğümüz fizik yasaları, bu ek mikroskobik uzaysal boyutların şekli ve boyutu tarafından belirlenir. Ama şekillerini ne belirliyor? Son yıllarda, teori ve deneylerdeki bazı ilerlemeler şaşırtıcı ve tartışmalı bir cevap sağlamıştır. Doğruysa, bu cevap evren anlayışımızı büyük ölçüde değiştirecektir.
Kaluza-Klein teorik akorları
20. yüzyılın başlarında, Kaluta ve Klein beşinci boyut kavramını önerdiklerinde, fizikçiler doğada yalnızca iki temel kuvveti biliyorlardı: elektromanyetik kuvvet ve yerçekimi. Bu kuvvetlerin her ikisi de etkileşim mesafesinin karesiyle ters orantılıdır, bu nedenle bilim adamları doğal olarak aralarında bir bağlantı olup olmadığını tahmin ederler. Kaluta ve Klein fark etti, Ekstra bir uzay boyutu varsa (böylece uzay-zamanı beş boyutlu hale getirir), Einstein'ın geometrik çekim teorisi onları birbirine bağlayabilir. .
Resim kaynağı:
Böylesine ekstra bir boyut fikri göründüğü kadar çılgınca değil. Çünkü uzayın ekstra boyutu yeterince küçük bir daire şeklinde kıvrılırsa, en iyi "mikroskobumuz" - en yüksek enerjiye sahip parçacık hızlandırıcı da onu göremez. Sadece bu da değil, genel görelilikten uzayın mutlak olmadığını, çarpıtılacağını ve evrimleşeceğini zaten biliyoruz. Örneğin, bugün görebildiğimiz uzayın üç boyutu genişlemekteydi.Uzak geçmişte ölçekleri çok küçüktü, yani genişlemeyen ek boyutlar varsa, bugün mikro ölçeği korumak anlaşılabilir görünüyor.
Ekstra boyutu doğrudan gözlemleyemesek de, hala gözlemleyebileceğimiz önemli, dolaylı etkileri olabilir. Fazladan bir boyut varsa, genel görelilik, beş boyutlu uzay-zamanın tamamının geometrik yapısını doğrudan tanımlayabilir.Bu yapı üç kısma ayrılabilir: büyük ölçekli dört boyutlu uzay-zamanın şekli, küçük ölçekli ekstra boyut ile dört boyutlu uzay-zaman arasındaki açı ve ekstra boyutlu rotasyon Çevre. Dört boyutlu uzay-zaman, olağan dört boyutlu genel görelilik ile tanımlanır; her noktada, ekstra boyutun açısı ve çevresi, tıpkı uzay-zamanda her noktada değerlere sahip iki alan gibi belirli değerlere sahiptir. Şaşırtıcı bir şekilde, açısal alan dört boyutlu uzay-zamanda elektromanyetik alanı simüle eder, yani açısal alan tarafından sağlanan denklemler ve elektromanyetik alan tarafından sağlanan (Maxwell) denklemleri tamamen aynıdır. Öte yandan, çevre alanı elektromanyetik kuvvet ile yerçekimi arasındaki göreceli gücü belirler. Bu nedenle, beş boyutlu yerçekimi teorisinden başlayarak, dört boyutlu uzay-zamanda yerçekimi ve elektromanyetik kuvvet teorisine sahibiz.
Ek boyut olasılığı, genel görelilik ve kuantum mekaniğinin birliği arayışında da kilit bir rol oynadı. Mevcut önde gelen sicim teorisinde, temel parçacıklar aslında tek boyutlu nesnelerdir, yani küçük, salınan sicimlerdir. İpin ölçeği, 10-33 cm (çekirdeğin çapının on milyarda birinden küçük) olan Planck ölçeğine yakındır. Bu nedenle, Planck ölçeğinden çok daha büyük herhangi bir ölçekte, dizi tam olarak bir nokta gibidir.
Sicim teorisinin denklemlerinin matematiksel olarak kendiliğinden tutarlı olması için, sicimlerin 10 boyutlu uzay-zamanda titreşmesi gerekir, bu aynı zamanda altı ek uzamsal boyut olduğu anlamına gelir çünkü ölçek tespit edilemeyecek kadar küçüktür. Tek boyutlu bir dizgiye benzer şekilde, uzay-zamanda da çeşitli boyutlu "zarlar" vardır. Orijinal Kaluza-Klein teorisinde, sıradan parçacıkların dalga fonksiyonu ekstra boyutlarla doldurulabilir, bu nedenle parçacıkların kendileri tüm ekstra boyutlara yayılmalıdır. Aradaki fark, sicimlerin belirli bir zar ile sınırlanabilmesidir ve sicim teorisinde de akılar, yani klasik elektromanyetikte olduğu gibi "alan çizgileri" ile temsil edilen bir kuvvet alanı olabilir. Elektromanyetik kuvvet aynıdır.
Genel olarak, sicim teorisindeki ekstra boyutların resmi Kaluza-Klein teorisinden daha karmaşıktır, ancak arkasındaki matematiksel yapı daha birleşik ve eksiksizdir. Kaluza-Klein teorisinin ana fikri değişmemiştir, yani gördüğümüz fizik yasaları gizli ekstra boyutlu geometrik yapılara bağlıdır.
Çok fazla çözüm mü var?
Anahtar soru şudur: Ekstra boyutun geometrik yapısını ne belirler? Genel göreliliğin cevabı, uzay-zaman geometrisinin Einstein'ın alan denklemlerini karşılaması gerektiğidir - Princeton Üniversitesi'nden John Wheeler'ın sözleriyle, madde uzay-zamana nasıl büküleceğini söyler ve uzay-zaman maddenin nasıl hareket ettiğini anlatır. Ancak Einstein'ın alan denkleminin çözümü benzersiz değildir, bu nedenle çok sayıda olası uzay-zaman geometrisi vardır. Beş boyutlu Kaluza-Klein teorisi, bu benzersiz olmayışın basit bir örneğini sunar. Prensip olarak, rotasyonelin ekstra boyutunun çevresi herhangi bir değer alabilir: Maddenin yokluğunda, düz, dört boyutlu bir uzay-zaman artı keyfi bir çevre çemberi, Einstein'ın denkleminin çözümüdür (madde durumunda, benzer alan denklemlerinin birden çok çözümü de vardır) .
Sicim teorisi denklemlerinin herhangi bir çözümü, zaman ve uzayın konfigürasyonunu temsil eder.Bu konfigürasyon, gizli boyutların yanı sıra ilgili membranların (yeşil) ve akı çizgilerinin (kuvvet çizgileri, turuncu olarak da adlandırılır) düzenlenmesini içerir. . Sicim teorisi, dünyamızın altı ek boyuta sahip olduğunu öngörür, bu nedenle tanıdık üç boyutlu uzaydaki her nokta altı boyutlu bir uzay veya manifoldu gizler. Üç boyutlu uzayda görülen fiziksel yasalar, bu altı boyutlu manifoldun ölçeğine ve yapısına bağlıdır: kaç tane kulp, çörek ile aynıdır, her bir kulpun uzunluğu ve çevresi, zarların sayısı ve konumu ve çevresi Nanoloopun akı çizgilerinin sayısı.
Görüntü Kaynağı:
Sicim teorisinde, birden fazla (6) ekstra boyuta ve dolayısıyla çok daha fazla ayarlanabilir parametrelere sahibiz. Ekstra bir boyut yalnızca bir daire içinde kıvrılabilir; ancak birden fazla ekstra boyut olduğunda, bunlar küre, döner gibi çeşitli farklı şekillere (daha doğrusu farklı "topolojiler") sahip olabilir. Daire, birbirine yapıştırılmış iki döner daire vb. Her halka halkanın (yani bir "tutamaç") kendi uzunluğu ve çevresi vardır, bu da ekstra boyutlar için çok sayıda farklı geometrik yapıya izin verir. Bu "tutamaçlara" ek olarak, zarın konumu ve her daire etrafındaki "akıların" sayısı gibi başka parametreler de vardır.
Yine de, bu farklı çözümlerin katkıları çok farklıdır: Ekstra boyutlardaki akı, zar ve uzaysal eğriliğin tümü enerjiye katkıda bulunduğundan, her çözümün karşılık gelen bir potansiyel enerjisi vardır. Bu enerjiye boşluk enerjisi diyoruz, çünkü büyük ölçekli dört boyutlu uzay-zamanda madde ve alan olmadığı zaman bu uzay-zamanın enerjisidir. Eğime yerleştirilen bir topun en alçak noktaya doğru yuvarlanması gibi, ekstra boyutlu geometri de en düşük vakum enerjisine doğru gelişecektir.
Vakumun bu işlemin sonuçlarını en aza indirebileceğini anlamak için önce bir parametreyi, yani gizli ekstra boyutların toplam boyutunu ele alıyoruz. Bu parametre ile değişen vakum enerjisi eğrisini çizebiliriz. Yukarıdaki şekil, böyle bir eğrinin bir örneğini göstermektedir. Ekstra boyut küçük olduğunda, vakum enerjisi çok yüksektir, bu nedenle şeklin sol tarafında, eğri nispeten yüksek bir konumdan başlar. Soldan sağa vakum, her biri bir öncekinden daha düşük olan üç vadiye birbiri ardına ulaşabilir. Son olarak, grafiğin sağ tarafında, eğri yavaşça sabite düşer. Buradaki en soldaki vadinin vakum enerjisi değeri 0'dan büyük, orta vadinin vakum enerjisi tam olarak 0 ve en sağdaki vadinin vakum enerjisi 0'dan küçük.
Gizli ekstra boyutlu geometrinin nasıl geliştiği de başlangıç koşullarına, yani "topun" başlangıçta eğri üzerinde olduğu yere bağlıdır. Evrim son zirvenin sağında başlarsa, top sonsuza yuvarlanacaktır, bu da ekstra boyutun ölçeğinin süresiz olarak artacağı (ve bu nedenle artık gizlenmeyeceği) anlamına gelir. Aksi takdirde, bir vadinin dibinde duracak ve gizli ekstra boyut en düşük enerji değerine ayarlanacaktır. Üç yerel en düşük nokta, vakum enerjisinin pozitif, negatif ve sıfır olduğu durumlara karşılık gelir. Evrenimizin ekstra boyut ölçeğinin zamanla değişmediğini unutmayın, aksi takdirde doğanın temel sabitlerinin zamanla değiştiğini göreceğiz. Yani evrenimiz bir vadinin dibinde olmalı ve boşluk enerjisinin sıfırdan biraz daha büyük olduğu bir vadide olmalıdır.
Gerçek sicim teorisi manzarası, boyut dışı manifoldun tüm parametrelerini yansıtır, böylece çok sayıda boyuta sahip bir "topografik harita" oluşturur. Bu topografik harita sadece iki değişken parametreye bağlı olan vakum enerjisini gösterir. Ekstra boyutlu manifold yine de belirli bir dipte olma eğiliminde olacaktır (kararlı bir sicim teorisi çözümüne veya kararlı bir vakuma karşılık gelir). Başka bir deyişle, manifold en altta olduğunda, orada uzun süre kalma eğilimindedir. Şeklin mavi kısmı, sıfırdan küçük vakum enerjisini temsil etmektedir. Bununla birlikte, kuantum etkileri, bir manifoldun belirli bir anda aniden hal değiştirmesine izin verir - yani, orta dağ silsilesinden yakındaki daha alçak bir vadiye kuantum sıçraması yoluyla. Evrenin farklı alanları, manzarada rastgele farklı rotalar alacaktır. Sonuç, tüm manzarayı keşfeden ve böylece olası tüm vadilerden geçen sayısız kaşif gibidir.
Resim kaynağı:
Ekstra boyutlu geometrik yapının birden fazla parametresi olduğu için, vakum enerjisi eğrisini tam şimdi karmaşık, yüksek boyutlu bir "dağ" ın bir bölümü olarak görmeliyiz. Stanford Üniversitesi'nden Leonard Susskind bu "dağ" ı sicim teorisinin "manzarası" olarak adlandırdı. Bu yüksek boyutlu "manzara" nın minimumları - topun sonunda kalacağı vadinin dibi, uzay-zaman geometrisinin kararlı konfigürasyonuna karşılık gelir (membran ve akı konfigürasyonu dahil); bu konfigürasyonlara kararlı bir vakum diyoruz .
Gerçek bir topografik peyzaj haritasının yalnızca iki bağımsız yönü vardır (Kuzey-Güney ve Doğu-Batı) ve biz sadece iki boyutlu bir manzara çizebiliriz. Sicim teorisinin manzarası, birçok (yüzlerce) bağımsız yönle çok daha karmaşıktır. Sicim teorisi manzarasının boyutunu uzayın boyutuyla karıştırmamalıyız; her bağımsız yön, fiziksel uzayda belirli bir konumu değil, "tutamacın" boyutu veya zarın konumu gibi uzay-zaman geometrisinin belirli bir yönünü ölçer. Bekle.
Şu anda, tüm sicim teorisi manzarasını tam olarak tanımlayamıyoruz. Bir vakum durumunun enerjisini hesaplamak zor bir sorundur ve genellikle bazı uygun tahminler gerektirir. Son yıllarda teorik fizikçiler, özellikle 2003 yılında Stanford Üniversitesi'nden Shamit Kachru, Ren-ata Kallosh ve Andrei gibi bazı ilerlemeler kaydetmeye başladılar. · Hindistan'daki Tata Temel Araştırma Enstitüsü'nden Andrei Linde ve Sadip Trivedi, sicim teorisi manzarasının gerçekten de öyle olduğuna dair ikna edici kanıtlar buldular. Evrenimizin temel doğasının sabit olduğu vadiler vardır.
Hala kaç tane sabit vakum olduğundan emin değiliz - yani, "topu" kaç puan durdurabilir, ancak bu sayı muhtemelen aşırı büyük olacaktır. Çalışmalar göstermiştir ki, yaklaşık 500 "tutamak" ile çözümler olabilir ve tutamaç sayısı bu sayıdan çok fazla olmayacaktır. Her tutamaç için, çevresinde belirli sayıda akı çizgisi olabilir; bu sayı çok büyük olmayacak, aksi takdirde vakum kararsızlığına neden olacaktır. Her bir tutamacın 0 ila 9 olası akı çizgisine (10 olasılık) sahip olabileceğini varsayarsak, toplam 500 tutama 10,500 olası yapılandırmaya karşılık gelir. Her tutamaç için yalnızca 0 veya 1 olası akı çizgisi olsa bile, yaklaşık 2500 (yaklaşık 10150) olasılık vardır.
Vakumu etkileyen enerjiye ek olarak, Bu çözümlerin her biri, dört boyutlu makroskopik dünyamızda tamamen farklı olaylara yol açacaktır. : Dünyamızda ne tür parçacıkların ve etkileşimlerin olduğunu ve bunların hangi kalite ve güce sahip olduğunu tanımlayın. Sicim teorisi tek temel yasayı sağlasa da, makroskopik dünyada gördüğümüz fizik yasaları hala boyut dışı geometrik yapılara dayanacaktır.
Pek çok fizikçi, fiziğin, evrenin neden bu kadar özel temel yasalara sahip olduğunu sonunda açıklayabileceğini umuyor. Ancak bu dilek gerçeğe dönüşse bile, sicim teorisi manzarasıyla ilgili cevaplanması gereken birçok derin soru var. Evrenimizi hangi kararlı vakum tanımlar? Doğa neden diğerlerine göre bu özel boşluğu seçti? Diğer kararlı çözümler yalnızca tamamen matematiksel olasılıklar mıdır ve asla fiziksel gerçeklik olamaz mı? Sicim teorisi doğruysa, nihai "demokrasiye" ulaşamayacak gibi görünüyor: Teoride çok sayıda olası dünya olmasına rağmen, sonunda, yalnızca gerçek dünyamıza karşılık gelen tüm olasılıklardan seçiliyor.
Sicim teorisi manzarasında özel bir çözüm seçmek gerekli midir? İki önemli fikre dayanarak, 2000 yılında tamamen farklı bir resim ortaya çıkardık. İlk düşünce, Dünyamız sonsuza kadar sicim teorisi çözümünde olmak zorunda değil (Veya ekstra boyutların konfigürasyonu), çünkü nadiren de olsa, ekstra boyutların bir konfigürasyondan diğerine atlamasına izin veren kuantum süreçleri olabilir. İkinci fikir, sicim teorisinin bir parçası olarak Einsteinın genel görelilik teorisine göre, Evren, birden fazla farklı konfigürasyonun farklı "alt-evrenlerde" bir arada var olmasına izin verecek kadar hızlı gelişebilir ve bu alt-evrenlerin her biri, içinde başka hiçbir evrenin gözlenemeyeceği kadar büyüktür. . Bu resimde neden sadece dünyamıza karşılık gelen boşluğun olduğu gizemi yoktur. Sadece bu değil, ayrıca bu fikrin başka bir büyük doğal bulmacayı da çözebileceğini ileri sürdük.
Manzarada bir yol
Daha önce bahsedildiği gibi, her kararlı vakum "tutamaç" sayısı, membran sayısı ve akı ile tanımlanabilir. Ama şimdi, bu unsurların hepsinin yaratılabileceğini ve yok edilebileceğini düşünmeliyiz, böylece bir istikrar döneminden sonra dünyamız tamamen farklı bir konfigürasyona atlayabilir. Sicim teorisi manzarasında, bir akış çizgisinin kaybolması (bozunması) veya başka bir topolojik değişim biçimi, "dağdan" daha düşük bir vadiye kuantum sıçramasıdır. .
Bunun sonucu, zaman ilerledikçe, farklı boşlukların sırayla var olabilmesidir. Başlangıçtaki örneğimizdeki 500 tutamacın her birinin arka arkaya 9 akıya sahip olduğunu varsayarsak, bu 4500 akı, tüm akılar kullanılıncaya kadar kuantum mekaniğinin öngördüğü belirli bir sırada bozunacaktır. Manzaradaki yüksek vadilerden yola çıktık, bir dizi rastgele geçişten geçtik ve 4500 alçak ve alçak vadiyi geçtik. Sicim teorisi manzarasında bir dizi farklı manzara gördük, ancak 10500 olası elektrik süpürgesi için bu süreç yalnızca çok küçük bir kısımdan geçti. Görünüşe göre çoğu süpürge yüzlerini gösterme şansı bile yok.
Ama aslında, bu hikayenin önemli bir bölümünü gözden kaçırdık: boşluk enerjisinin evrenin evrimi üzerindeki önemli etkisi. Genellikle maddenin (yıldızlarımız ve galaksilerimiz gibi) evrenin genişlemesini yavaşlattığını ve hatta nihayetinde yeniden çökmesine neden olduğunu biliyoruz. Ancak pozitif bir boşluk, yerçekimine karşı olanla aynı etkiye sahip olabilir: Einstein'ın alan denklemine göre, üç boyutlu uzayımızın giderek daha hızlı genişlemesine neden olacaktır. Gizli boyut, kuantum etkileriyle yeni bir konfigürasyona geçtiğinde, bu hızlandırılmış genişleme önemli ve şaşırtıcı etkiler üretecektir.
Çünkü üç boyutlu uzaydaki her nokta altı boyutlu bir uzay gizler ve bu altı boyutlu uzay, sicim teorisi manzarasındaki bir noktaya karşılık gelir. Bu altı boyutlu uzay yeni bir konfigürasyona geçtiğinde, bu geçiş üç boyutlu uzayda her yerde aynı anda gerçekleşmez. Geçiş ilk olarak üç boyutlu evrenin belirli bir noktasında gerçekleşti ve bu yeni, düşük enerjili konfigürasyonun etrafında bir kabarcık oluştu ve kabarcık hızla genişledi. Üç boyutlu uzay genişlemiyorsa, bu hızla genişleyen balon sonunda evrendeki her noktayı işgal edecektir. Ancak eski alan da genişliyor ve bu yeni balondan daha hızlı genişleyebilir.
Herkes kazanır: eski ve yeni alanlar büyüdü, bu nedenle yeni alan eski alanı asla tamamen yok etmeyecek. Einstein'ın teorisine göre, zamanın ve uzayın geometrik yapısı dinamik olarak değişir, dolayısıyla böyle bir durum tamamen mümkündür. Genel görelilik sıfır toplamlı bir oyun değildir: Mekansal yapının genişlemesi, eski ve yeni boşlukların yaratılması için daha fazla alan sağlar. Benzer bir süreç yeni vakum "eskidiğinde" gerçekleşir. Yeni vakum bozulmaya başladığında, tamamen yok olmayacak, bunun yerine, başka bir düşük vakum enerjisi, sürekli genişleyen balon ortaya çıkacaktır.
Eski alan da büyüdükçe, sonunda boşluk başka bir yerde azalacak ve sicim teorisi manzarasında yakındaki başka bir vadiye atlayacaktır. Bu süreç sayısız kez gerçekleşmeye devam edecek, tüm olası şekillerde bozulacak ve birbirinden yeterince uzak alanlar farklı tutamaçlardaki akışını kaybedecek. Bu nedenle, evren artık sadece tek bir bozulma dizisinden değil, tüm olası dizilerden geçiyor ve nihai sonuç, kabarcıkların içinde baloncukların bulunduğu bir çoklu evren. Bu sonuç, MIT'den Alan Guth, Tufts Üniversitesi'nden Alexander Vilenkin ve Linde'nin sonsuz enflasyon teorisi tarafından elde edilen sonuçlara çok benzer.
Ortaya koyduğumuz resim, tüm vadilerden geçen, resimdeki olası her yolu keşfetmek için sayısız kaşif olmasıyla karşılaştırılabilir. Her kaşif, evrendeki bir noktayı temsil eder ve birbirlerinden çok uzaktadırlar. Her keşif yolu, evrenin bu noktasında yaşanan bir dizi boşluğu temsil eder. Kaşifin resimdeki başlangıç noktası yeterince yüksek olduğu sürece, neredeyse tüm vadiler keşfedilecektir. Aslında, her vadi, daha yüksek bir vadiden mümkün olan her patika ile sonsuz kez geçilecektir. Bu "şelale" genel iniş süreci, "deniz seviyesi" ne kadar, yani vakum enerjisi negatif hale gelene kadar durmaz. Negatif vakum enerjisine karşılık gelen uzay-zaman geometrik yapısı, bu sonsuz genişlemeye ve kabarcık oluşumuna izin vermez. Bunun aksine, tıpkı bir kara deliğin içindeki süreç gibi yerel bir "büyük çöküş" meydana gelecektir.
Her balonda, yeterince düşük enerjide deneyler yapan bir gözlemci (tıpkı bizim gibi) kendine özgü fiziksel yasaları olan dört boyutlu bir evren görecektir. Gözlemciler baloncuklarının dışından bilgi alamazlar çünkü kabarcıklar arasındaki boşluk o kadar hızlı genişler ki ışık hızı onu geçemez. Gözlemciler sadece kendi boşluklarına karşılık gelen fizik kanunlarını görebilirler çünkü yeterince uzağı göremezler. Resmimizde, evrenimizin kökeni (yani Büyük Patlama'nın başlangıcı), yakınımızdaki bir yerde yakın zamanda meydana gelen bir boşluk geçişinden başka bir şey değildir ve şimdi bu balon, on milyarlarca ışıkyılı boyutuna genişlemiştir. Uzak gelecekte bir gün (çok uzaklarda endişelenmemize gerek yok), evrenin bu kısmı başka bir geçiş sürecinden geçebilir.
Vakum enerjisi krizi
Az önce anlattığımız resim, sicim teorisi manzarasındaki farklı kararlı boşlukların evrenin farklı yerlerinde nasıl göründüğünü ve böylece sayısız "alt-evren" oluşturduğunu açıklıyor. Bu sonuç teorik fizikteki en önemli ve zor problemlerden biri olan vakum enerjisi problemini açıklayabilir. Einstein için az önce söylediğimiz boşluk enerjisi aslında genel göreliliğin alan denkleminde keyfi bir terimdi, sözde "kozmolojik sabit" - evrenin durağan olduğuna olan inancıyla tutarlı olması için, bir keresinde Bu terim denkleme eklenir. Einstein, statik evreni elde etmek için kozmolojik sabitin belirli bir pozitif değer olmasını istedi, ancak daha sonraki gözlemler evrenin genişlediğini kanıtladığında, bu fikri terk etti.
Kuantum alan teorisiyle, bir zamanlar boş kabul edilen uzay (yani, boşluk) canlı bir yer haline geldi: sürekli üretilen ve yok edilen sanal parçacıklar ve alanlarla doludur ve her parçacık ve alanın pozitif veya negatif bir işareti vardır. enerji. Kuantum alan teorisine dayanan çok basit bir hesaplama, bu sanal parçacıkların enerjisinin çok yüksek bir enerji yoğunluğuna ulaştığını gösteriyor: Planck hacmi başına yaklaşık 1094 gram santimetre küp (yani, Planck uzunluğunun 3. kuvveti). ) Planck kalitesi vardır. Bu enerji yoğunluğuna P diyoruz. Bu hesaplama sonucuna fizik tarihindeki en ünlü yanlış tahmin denir, çünkü deneysel gözlemler bize uzun zamandır vakum enerjisinin kesinlikle 10-120 P'yi geçmeyeceğini söylüyordu. Teorik fizik bu nedenle büyük bir krize girdi.
Teori ve deney arasında neden büyük bir fark var? Geçtiğimiz birkaç on yıl içinde, bu sorunu anlamak teorik fiziğin temel hedeflerinden biri olmuştur, ancak fizikçiler tarafından önerilen sayısız çözümün hiçbiri geniş çapta kabul görmemiştir. Birçok şema, vakum enerjisinin kesinlikle sıfır olduğunu varsayar - ondalık noktadan sonra en az 120 sıfır olan bir sayı almamız gerektiğini düşünürsek, bu açıkça çok makul bir varsayımdır. Yani bizim görevimiz fiziğin neden kesinlikle sıfır vakum enerjisi elde edebildiğini açıklamaktır. Birçok girişim, vakum enerjisinin kendini sıfıra ayarlayabileceği varsayımına dayanmaktadır, ancak şu anda bu ayarlamanın nasıl gerçekleştiğini ve sonucun neden sıfıra bu kadar yakın olduğunu bize anlatacak ikna edici bir açıklama yoktur.
Bu makalenin yazarı, 2000 yılında yayınlanan bir makalede bir açıklama önerdi. Sicim teorisinin birçok yorumundan ve kozmolojik öneminden faydalandık ve bunları Austin'deki Texas Üniversitesi'nden Steven Weinberg (Steven Weinberg) ile karşılaştırdık. 1987'de ortaya atılan bir fikir birleştirildi.
Önce sicim teorisinin çok sayıda çözümünü düşünün. Vakum enerjisi, sicim teorisi manzarasında bu çözümlerin karşılık gelen noktalarının rakımı olarak kabul edilebilir. Yükseklik, en yüksek noktaya karşılık gelen P'den en düşük noktaya karşılık gelen -P'ye kadar değişebilir. Dize peyzajında 10.500 vadi olduğunu varsayarsak, rakımları bu iki uç değer arasındaki herhangi bir değer olabilir. Bu çözümleri çizer ve irtifalarını temsil etmek için dikey ekseni kullanırsak, bu vadiler arasındaki dikey eksen boyunca ortalama mesafe 10-500P olmalıdır. Bu nedenle, birçok çözümün 0 ile 10-120P arasında vakum enerjisine sahip olduğunu, ancak toplamın yalnızca küçük bir kısmını oluşturduğunu göreceğiz. Bu sonuç, sıfıra yakın bir vakum enerjisinin nasıl elde edilebileceğini açıklar.
Bu fikir tamamen yeni değil. 1984 gibi erken bir tarihte, Sovyet fizikçisi Andrei Sakharov (Andrei Sakharov), ekstra boyutlu karmaşık geometrik yapının deneysel gözlem aralığı içinde vakum enerjisinin değerini oluşturabileceğini öne sürdü. Diğer araştırmacılar da sicim teorisine dayanmayan açıklamalar önerdiler.
Resim kaynağı:
Şimdiye kadar, evrenin evriminin, sicim peyzajındaki kararlı çözümlerin çoğuna nasıl ulaştığını açıkladık.Sonuç, çok sayıda kabarcık içeren çok karmaşık bir evrendir. Kabarcıklara karşılık gelen vakum enerjisi, tüm olası değerleri alabilir ( Sıfıra çok yakın olanlar dahil). Ama soru şu ki, evrenimiz hangi balonun içinde? Evrenimizin boşluğu neden sıfıra bu kadar yakın? Burada Weinberg'in fikirlerini kullanmamız gerekiyor. Elbette burada bir olasılık faktörü var ama birçok yer yaşamın var olması için tamamen uygun olmadığından, o yerlerde "yaşamamamız" tuhaf bir şey değil. Bu aslında aşina olduğumuz bir dizi mantık, tıpkı bir insanın Antarktika'da veya Mariana Çukuru'nda veya havada doğma ihtimalinin düşük olması gibi. Aksine, güneş sisteminin bu küçücük bölümünde yaşama uygun yaşadığımızı gördük. Aynı şekilde, kararlı vakumun sadece küçük bir kısmı yaşam için uygundur. Evrenin nispeten büyük, pozitif vakum enerjisine sahip bölgeleri aşırı derecede şiddetli bir şekilde genişleyecektir, aksine süpernova patlamaları sakin olarak tanımlanabilir. Ve daha büyük, negatif vakum enerjisine sahip bölge, bir evren çöküşünde çok hızlı bir hızla yok olacak. İçinde bulunduğumuz baloncuğun vakum enerjisi 10-118P'den büyük veya -10-120P'den düşükse, tıpkı çok yüksek sıcaklıkta Venüs'te veya çok fazla yerçekimine sahip Jüpiter'de var olmayacağımız gibi var olmayacağız. Bu mantığa genellikle Antropik ilke .
Sicim teorisi manzarasında, uygun bir aralıkta olan birçok vadi vardır (deniz seviyesi, bir saç telinin yukarı veya aşağı çapının aralığını aşmaz). Bizim gibi hayatın varlığından dolayı içinde bulunduğumuz baloncuğun vakum enerjisinin küçük olması şaşırtıcı değildir. Ancak tam olarak sıfır olmasını beklemek için de bir nedenimiz yok. Uygun aralıkta olan yaklaşık 10380 çeşit vakum vardır, ancak vakum enerjisinin yalnızca çok küçük bir kısmı kesinlikle sıfırdır. Vakum dağılımı tamamen rastgele ise, vakumun% 90'ı 0.1x10-118 ila 1x10-118P enerji aralığında dağıtılır. Öyleyse, sicim teorisinin manzarası doğruysa, sıfır olmayan bir vakum enerjisi gözlemlemeliyiz ve değeri muhtemelen 10-118P'den çok daha küçük değildir.
Uzaktaki süpernova gözlemleri, gözlemlenebilir evrenin hızlanan bir hızla genişlediğini gösteriyor - bu, deneysel fizik tarihindeki en şok edici keşiflerden biri ve evrenimizin pozitif boşluk enerjisine sahip olduğuna dair önemli bir kanıt. Evrenin hızlandırılmış genişleme oranından vakum enerjisinin değerinin yaklaşık 10-120P olduğu anlaşılabilir - bu değer, diğer deneylerin onu tespit edemeyeceği kadar küçüktür; ancak antropik ilkenin yorumuna uyacak kadar büyüktür.
Bu nedenle, sicim teorisinin resmi fiziğin boşluk enerjisi krizini çözüyor gibi görünmektedir, ancak bu açıklamanın bazı rahatsız edici sonuçları da vardır. Einstein bir keresinde sordu: Tanrı'nın evreni yaratırken bir seçeneği var mı, yoksa bu, evrenin yasalarının tamamen bazı temel ilkelerle belirlendiği anlamına mı geliyor? . Fizikçiler olarak ikinci durumu bekleyebiliriz. Sicim teorisinin arkasındaki temel prensipleri tam olarak anlamamış olsak da, bu prensipler tamamen kesin ve kaçınılmaz görünüyor - çünkü arkasındaki matematik herhangi bir seçeneğe sahip olmamıza izin vermiyor. Ancak görebildiğimiz dünyanın fizik yasaları temel ilkeler olmayıp, sayısız seçenekle ekstra boyutlu geometrik yapıya bağlıdır. Gördüğümüz her şeyin var olması gerekmez, sadece belirli bir balonun içinde yaşadığımıza bağlıdır.
Doğal olarak küçük ama sıfır olmayan bir vakum enerjisi vermenin yanı sıra, sicim teorisi manzarası başka tahminler verebilir mi? Bu soruyu cevaplamak için, aynı zamanda çok sayıda araştırma cephesini içeren çok sıcak bir alan olan vakumun enerji dağılımını daha derinlemesine anlamamız gerekiyor. Sadece bu da değil, Şu anda, belirli bir kararlı boşluk bulamadık, onun fiziksel yasaları dört boyutlu uzay-zamanımızdakilerle tamamen aynı. . Genel olarak, sicim teorisi manzarası temelde çok fazla araştırılmamış bir alandır. Bu konuda fiziksel deneyler bize yardımcı olabilir. Belki bir gün, hızlandırıcıdaki Kaluza-Klein teorisindeki sicimleri, kara delikleri veya yeni parçacıkları doğrudan görebilir, böylece doğrudan yüksek boyutlu fizik yasalarını görebiliriz. Ya da belki kozmolojik ölçekte dizeleri astronomik gözlemlerle doğrudan gözlemleyebiliriz Bu sicimler Büyük Patlama'nın başlangıcında yaratılmış olabilir ve evren genişledikçe büyüyor olabilir.
Verdiğimiz resmin tamamı aslında çok belirsiz. Şu anda, genel görelilik ile karşılaştırılabilecek kesin ve eksiksiz bir sicim teorisi sistemimiz yok. Genel görelilik, iyi anlaşılmış fiziksel ilkelere dayanan kesin denklemlere sahiptir; sicim teorisi için, hala tam denklemlerini bilmiyoruz ve bazı önemli fiziksel kavramlar henüz keşfedilmemiş olabilir. Bunu anlarsak, burada bahsettiğimiz sicim teorisi manzarası, kabarcık oluşum mekanizması da dahil olmak üzere tamamen değişebilir veya hatta devrilebilir. Deneyler açısından, kozmolojik gözlemlerin sonuçlarına göre, sıfır olmayan vakum enerjisi neredeyse kesin bir sonuçtur, ancak kozmolojik verilerin "kararsız" olduğunu da biliyoruz, bu nedenle sürprizler olabilir. Yeni keşifler. Elbette, belki başka teoriler de sıfır olmayan ve son derece küçük bir vakum enerjisini açıklayabilir .. Artık aramayı bırakmak için çok erken olduğu çok açık. Ama aynı şekilde, iplerin manzarasını tamamen göz ardı edemeyiz - belki de gerçekten zengin ve değişken bir evrenin yaşanabilir bir köşesindeyiz.
Bu makalenin yazarı Rafael Busso ve Joseph Polkinski tarafından yazılan bu makale, Santa Barbara'da sicim teorisinin ikiliği üzerine bir sempozyumla başladı. Makale, Busso'nun kuantum yerçekimi ve enflasyonist kozmoloji bilgisini Polkinsky'nin sicim teorisi bilgisiyle birleştiriyor. Busso, Berkeley'deki California Üniversitesi'nde yardımcı doçentti.Araştırma yönü esas olarak uzay-zaman geometrisi ve bilgisinin holografik prensibiyle ilgiliydi. Polkinski, Santa Barbara'daki California Üniversitesi Covely Teorik Fizik Enstitüsü'nde profesördü ve sicim teorisinde zarların önemli rolünü keşfeden ilk kişi oldu.
Bu makalenin tercümanı He Song, Çin Bilimler Akademisi Teorik Fizik Enstitüsü'nde yardımcı araştırmacıdır.Ana araştırma yönleri, kuantum alan teorisi, sicim teorisi ve matematiksel fiziktir.
Bu makale, WeChat genel hesabı "Research Circle" (ID: keyanquan) tarafından yeniden basılma yetkisine sahiptir.
Yeniden yazdırmak için lütfen keyanquan@huanqiukexue.com ile iletişime geçin.
Düzenle: küçük ekmek
En Yeni 10 Popüler Makale
Görüntülemek için başlığa tıklayın
