弦理论的一个预测:带有弦的附加

从弦理论借鉴来的数学技巧,提高了理解宇宙中最稠密物质的希望

几十年来,研究人员一直试图从弦理论中提取可检验的预测,弦理论是更深入理解宇宙的主要候选理论。现在物理学家表示,他们已经使用弦理论中最精妙的部分之一来预测在纽约长岛的原子对撞机中产生的超高密度物质的性质。然而,如果得到证实,这个预测并不能为弦理论提供证据,弦理论需要存在充满更高维度弦状物体和其他小玩意的额外空间维度。相反,这将确立弦理论的一些数学方法可以用来研究原子核内部起作用的力。

布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)将金原子核撞击在一起,产生高温、超高密度的粒子喷雾,这种景象自宇宙大爆炸最初的几微秒以来就未曾出现——宇宙大爆炸是启动宇宙的强烈能量爆发。这些微型爆炸暂时释放出夸克(通常被困在质子和中子内部的粒子)以及胶子(将夸克结合在一起的粒子)。研究人员已将这种物质状态称为夸克-胶子等离子体。

但即使研究其一般性质也很棘手。“你试图获得洞察力和定量预测,而我们两者都得到了,”麻省理工学院的核物理学家克里希纳·拉贾戈帕尔说。


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在计划发表在物理评论快报上的一篇论文中,拉贾戈帕尔及其同事报告说,他们已经计算出称为J/ψ介子的粒子在夸克-胶子等离子体的热量中形成的速率,等离子体会以一种称为屏蔽效应的方式溶解它们。他们发现,屏蔽效应会以一种特定的方式随着J/ψ介子的速度而变化。“我们正在做一个定性预测,即当你提高[速度]时,你应该得到更有效的屏蔽,”他说,这导致高速下的粒子更少。“时间会证明我们在定量层面上是否做得同样好。”

通常,研究人员使用称为量子色动力学(QCD)的理论来计算夸克之间的力。要做到这一点,他们必须做出只有在力较弱时才准确的估计,但等离子体中夸克之间的力可能会变得相当强。事实上,物理学家现在认为,最初被认为是气体的一种等离子体,更像是一种液体。

拉贾戈帕尔和他的同事们利用了普林斯顿高等研究院的粒子物理学家胡安·马尔达西那在1997年的一个发现,即四维空间(比我们自己的空间多一维)中的一种弦理论等价于三维空间中的类QCD理论。当力在这种类QCD理论中变得强大时,它们在弦理论中变得微弱,从而为进行与夸克相关的计算提供了一种更简单的方法。

虽然马尔达西那的硬币的弦理论一半包括引力和其他力,但类QCD一半只包含胶子和现实世界中不存在的类似粒子。“这就像说你试图研究水,但你实际上是在研究酒精,”马尔达西那说。“我们当然知道这不是正确的理论,但也许它的行为方式相同。”

拉贾戈帕尔说,试图使类QCD理论适应现实使得结果只是半精确的。但去年,同一个小组使用弦理论的这一部分来估计在等离子体中高速穿梭的夸克会被左右摇晃的程度。“我们得到的结果比你用传统方法得到的结果更符合数据,”拉贾戈帕尔说。

其他小组也使用了马尔达西那的结果来更直接地估计夸克在等离子体中的减速,并评估等离子体的粘度。

“在更高维度中的弦理论数学与RHIC正在研究的真实世界现象之间可能存在某种联系——这对我来说真是太迷人了,”哥伦比亚大学物理学家威廉·扎伊茨说,他正在RHIC进行一项探测J/ψ粒子的实验。

俄亥俄州立大学的理论物理学家乌尔里希·海因茨也同意,这些尝试令人兴奋,但他表示,类QCD理论仍然离现实太远,无法令人信服。“即使任何数字碰巧成功了,我也不认为这会验证这种方法,”他说。“如果他们预测苹果的颜色,而有人看了一个梨,发现它有相同的颜色,你会说这个预测是正确的吗?”

扎伊茨说,RHIC应该能够在未来两年内收集足够的数据来评估J/ψ的预测。“这将需要相当惊人的数值一致性,你才会认为它确立了这些方法优于更传统计算方法的优越性,”他说。他指出,找到这种一致性可能很困难,因为J/ψ屏蔽效应不是直接测量的,而是必须推断出来的,这为关于其真实价值的争论留下了空间。

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