我们之前有提到过,弦理论预言的“超对称性”,截至目前,还未通过实验验证。如果有一天,真的在高能实验中发现了“超伴子”,从而证实了“超对称理论”的话,说明我们生活的空间真的不是普通空间,而是包含了格拉斯曼数表示坐标的,额外维度的超空间,从而在一定程度上证明了弦理论的正确性。
那除了观察超伴子这个途径来,我们还有什么方式可以证明或间接证明弦理论的正确性呢?目前认为可以从两方面来验证,一个是通过验证“额外维度”的存在,另一个则是通过弦的痕迹来间接地“看到”弦。
先说“额外维度”的验证。首先,三维以上的额外高维空间,是弦理论的预言。如果验证了确实存在额外维度的空间,就意味着在一定程度上验证了弦理论的正确性。如果想验证额外维度的存在,目前可以有三种方式。
第一种就是通过引力,由于空间相当于是引力的传播介质,空间的维度越多,引力可以传播的范围就越广。当引力传播到额外维度后,当前的三维空间中的引力就会变小。这就解释了,为什么引力相对于其它三种基本力显得非常非常弱。如果我们能在比额外维度还要小的距离,测量引力的强度,也就是在它还没有传到其它维度时,就把它给抓住,这时候的引力强度应该比理论值要大的多,这就能证明额外维度确实是存在的。但是到目前为止,在10^-6米这个尺度上,暂时还没有发现这种现象。
还有一种通过引力验证额外维度的方式,就是“迷你黑洞”。就像刚才说的,在足够小的尺度上,可能引力会“变大”,因此黑洞会比之前理论预测的更容易形成。当迷你黑洞形成以后,它会因为霍金辐射立即蒸发掉,变成一些质量更轻的粒子;这些粒子的踪迹,可以为对撞机的探测器发现。也就是说,如果我们观察到,在不该产生黑洞的情况下产生的黑洞,那么就可以间接的证明额外维度是存在的。
刚才两种都是通过引力来验证的方法,另外我们还可以通过能量来验证。比如大型对撞机对撞时,如果产生了引力子,就算因为各种原因我们没有观察到引力子,但是引力子会进入其它维度,于是就会带走一部分能量。也就是说,碰撞后如果发现有一部分能量丢失了,那么基本可以认定,它们肯定是跑到额外维度去了。从而也间接证明了额外维度的存在。
以上就是通过额外维度验证弦理论的方式,再来说一说如何通过弦的痕迹,来间接地“看到”弦。虽然是想“看”到弦,但是这次就不能靠微观的粒子物理学了,而是要借助宏观的天文以及宇宙学;因为只有被放大的痕迹,我们才可能看到。
首先能想到的,就是宇宙大爆炸之初产生的痕迹。因为在宇宙最初的爆炸阶段,空间迅速从很小的一个点,立刻膨胀到天文尺度。如果由于当初的弦留下的微小痕迹,也许会随着宇宙的膨胀,从而变得足够大,所以通过宇宙的微波背景辐射,我们或许能从中探测到一些特殊的量子物理效应,从而来证明它是宇宙早期的弦造成了。
除此之外,还有一种方式,虽然弦的尺寸一般都很小,我们根本无法直接看到,但是它理论上是可以被拉长的。如果某些宇宙现象导致了某些弦被拉长,此时它的震动会产生时空涟漪,也就是引力波;这种情况下的引力波信号会和平时观测到的大不相同。当然,这都是在能够探测到的情况下,现在探测引力波的设备的灵敏度可能还不够,所以和大型对撞机一样,这也是一条拼硬件的路。
除了刚才说的额外维度,和弦的痕迹来证明外,还有一些其它的可能间接证明的方式,比如能否找到磁单极子,这个目前也是科学家普遍认为理论上应该存在,但实际上怎么也找不到的东西。关于磁单极子为什么这么难找,宇宙学有个解释,就是因为这个磁单极子现在非常稀少,这是由于当初的宇宙大爆炸,把它彻底稀释了;或许它的密度小到我们目前的可观测宇宙中都不一定有,所以我们才一直找不到。
看来想验证弦理论,真的是困难重重啊。不过弦理论也有一些和现有理论相互佐证的粒子。比如之前霍金还曾经嘲笑弦理论:“这东西连太阳结构都解释不了,更别说黑洞了”。结果没多久,就有人通过弦理论计算出了某些特定黑洞“熵”,而且这个值与霍金使用的广义相对论和量子场论得到的结果是一致的。看看弦理论确实有两把刷子,所以就让我们一起拭目以待,期待好消息传来的那一天吧。
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