膨胀和暗物质是不像弦理论一样的

2024-09-05 22:00阅读：

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膨胀和暗物质是不像弦理论一样的
膨胀、暗物质和弦理论对先前共识图片都是被提出的扩展。但证据说什么呢？
STARTS WITH A BANG — SEPTEMBER 4, 2024
Ethan Siegel

膨胀和暗物质是不像弦理论一样的

弦理论的想法是我们的宇宙来自一个更高维、更对称、有一个巨大量的自由度的更复杂状态。为解决弦理论，我们需要摆脱所有它做出的过分的预测，直到我们只剩下有我们观测的宇宙为止。我们如何从那里到这里的问题还没有被解决。Credit: NASA/Goddard/Wade Sisler
关键要点
•近年来和几十年来一道来了许多的来尝试并推进我们的基础物理学的观念的想法：大统一、超对称、额外维度、一个复合希格斯粒子等。
•其中一些想法最初被一道来的没有解释的观测动机如暗物质和暗能量，而另一些想法大体上被从最初的数学考虑动机如弦理论。

•今天，尽管它们都有它们的批评者，但膨胀和暗物质有大量的支持它们的实在性的间接证据，而弦理论则缺乏任何此类证据。这真的真的重要的。
当到理论物理学时有两件事似乎永远不会过时：人们提出试图来使宇宙有意义的疯狂新想法，人们宣称一些最好、最即成的理论一定是错的。物理学一般是一门保守的科学，其中除非支持它的证据变得如此压倒性的以至于所有的替代方案变得站不住脚更广泛的社区是缓慢来接受任何新颖的东西。近年来一道来了许多宏伟的想法，包括：
•大统一理论，
•额外维度，
•希格斯粒子是一种复合粒子的观念，
•超对称性，
•暗物质，
•暗能量，
•宇宙膨胀，
•弦理论，
在许多中。然而，几乎所有这些想法仍然在推测范畴中，因为支持它们的存在的关键证据是酸的缺乏的。
这就是为什么作为一名科学家来听到这么多暗物质、暗能量和/或宇宙膨胀要么不存在要么从未发生了的宣称是如此令人沮丧的。当然，在列表上的其他五个项目（以及许多其他项目）可能是推测性的，没有任何实验的或观测证据来支持它们的对现实的相关性，但暗物质、暗能量和宇宙膨胀是处在一个完全不同的类别中：一个全套可利用的证据大大有利于它们的存在。这里是为什么暗物质、暗能量和膨胀根本上毕竟不像弦理论一样和为什么即便你有一个对你反划过的，来扔掉这三个想法你应该是不情愿的。

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这张哈勃太空望远镜的星系团Abell 1689的图像经由引力透镜效应让它的质量分布已经重新构建了，该图以蓝色叠加在了光学图像之上。如果一个主要的相互作用能将星系团内介质中的气体从星系的位置分开，暗物质的存在能被放给检验。碰撞前和碰撞后星系团之间的差异是暗物质是我们在我们的宇宙中观测的领先解释结论中的关键证据。Credit: NASA, ESA, E. Jullo (Jet Propulsion Laboratory), P. Natarajan (Yale University), and J.-P. Kneib (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, CNRS, France); Acknowledgment: H. Ford and N. Benetiz (Johns Hopkins University), and T. Broadhurst (Tel Aviv University)
尽管它往往不在我们思维的前沿中，但它往往或真的从来不会发生一个一道带来无证据的新想法和被更广泛的科学界压倒性的接受。甚至极端受欢迎的标准模型扩展仍然只坚定的在推测领域中，在那里它们总已经撒谎并且将永远撒谎，直到一个巨大量支持证据套件一道来验证它们为止。我们在许多科学领域包括物理学和天体物理学已经来到足够远，我们已经有了普遍接受的解释我们测量和观察到的几乎所有物理现象的理论。
如果我们要超越这些想法，任何替代的为取代我们目前的思维方式的想法都必须清除三个障碍。
1.一个新的理论必须成功再现并兼容所有旧的、先前的理论的成功：做出相同套的跨每一个在那里数据一直是决定性的可探测的场景的强大预测。
2.新理论还必须解释至少一个旧理论不能解释的谜题或现象；这通常是这种新理论或想法的动机。
3.最后，新理论和旧理论必须相互彼此成立的，它们之间的差异必须被剔出。然后，一次关键的测试必须被进行，确定大自然的行为是旧理论还是新理论将指示的。

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这个天体不是一个单环星系，而是两个相距彼此非常不同距离的星系：一个附近的红色星系和一个更遥远的蓝色星系，后者被前景星系的质量引力上透镜。这些天体只是沿着同一条视线，背景星系的光被前景星系引力扭曲、拉伸和放大。结果是一个近乎完美的环，如果它形成一个完整的360度圆就被称为爱因斯坦环。虽然透镜效应从星系团更常见，但如果单个星系足够紧凑并且排列是正确的它们能做到这一点。Credit: ESA/Hubble & NASA
历史上，历史中最伟大的例子之一是爱因斯坦广义相对论的到来，它取代了牛顿的为1910年代人类最好的引力理论的万有引力定律。爱因斯坦完全重新定制了我们观察引力的方式，用一个广泛不同的观点取代所有质量通过一个穿过它们之间距离的力瞬间相互吸引的想法——这与狭义相对论不一致。不是绝对空间而是我们有一个可延展的四维空时的织造。两点之间的最短距离不是直线，而是一根可被弯曲的测地线。不是引力瞬间的发生，它只是以光速前进。不是质量决定引力，而是所有形式的能量有贡献的，质量只是一个因素：通过E=mc²。
然而，重要的是爱因斯坦的理论清除了这三个关键的障碍。首先，爱因斯坦表明了在弱场极限中，在离质量很远的地方，他的理论恢复了牛顿的引力，有与万有引力定律相同的约1/r²力定律。其次，爱因斯坦证明了他的理论可以解释在水星轨道进动中已经观察到的异常：某些牛顿理论不能解释的东西。第三，爱因斯坦设计了他的理论的几次测试，其中预测不同于牛顿的引力，包括在一个日全食期间星光被太阳偏转的。在1919年日食期间精确的测量了，这封印了这笔交易，爱因斯坦的广义相对论从此已经是人类的领先引力理论

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1919年爱丁顿日食探险的结果结论性的表明，广义相对论描述了围绕大质量天体星光的弯曲，推翻牛顿的图片。这是爱因斯坦引力理论的首次观测证实。Credit: London Illustrated News, 1919
例如，对于弦理论这样的理论这是不真实的。弦理论以很多方式都是一个引人入胜的想法，由于它的大量极端承诺的特征四十多年来已经吸引了来自在基础层面研究自然的科学家的巨大兴趣。弦理论的吸引人的特征如下。
•它包含完整的标准模型，包括所有已知的粒子和反粒子一道有它们的属性和相互作用。
•它还包含了广义相对论的所有内容，包括弯曲的空时的概念以及应力能与空时本身响应之间的关系。
•它为探索量子引力提供一个框架：这是我们的宇宙迄今为止仍然难以捉摸的强烈怀疑特征之一。
•而且，通过弦理论框架内的工作，人们能发现许多确实与解决我们实际物理宇宙的问题有关的直接数学应用。.
然而，这些并不是弦理论的唯一特征，而且并非所有它的特征刚好对物理学家的思维是欢迎的。

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基于E（8）群的李代数（左）和标准模型（右）之间的区别。定义标准模型的李代数数学上是一个12维实体；E（8）群基本上是一个248维的实体。从我们所知道的弦理论走回到标准模型有很多必须走开的东西；用更少的参数和更少的假设，我们目前理解的宇宙用标准模型和广义相对论远比被任何其他描述远更简单。Credit: Cjean42/Wikimedia Commons
一个，尽管弦理论包含标准模型和广义相对论，但它也包含许多似乎不被反映在我们拥有的宇宙中不需要的关系和属性。例如，弦理论预测：
•一整个群的额外的，包括超对称粒子，
•至少六个附加维度，
•张量标量（Brans-Dicke）的引力理论，而不是一个张量（爱因斯坦）理论，
•一个基本不稳定的应该衰变的质子，
以及许多其他现象，轻点说这些现象从未在实验室、太空或自然界中以任何方式被观察到过。
另一个，与我们的宇宙相关的一切能被用弦理论计算——即便用弦理论框架计算可以说是更优雅、更容易或更优越——也能被用基于已知基本力的标准四维量子场论计算。没有出自弦理论也非出自已知的、既定的物理学的对弦理论是唯一的“额外”东西。.
尽管这种现象可能存在，但它们还没有被以任何方式发现甚至在我们的宇宙中接近可测试性，无论是用当前还是可预见的未来技术。没有这样的确凿证据，弦理论只能被正确的对待为一种推测性的想法，无论有些人多有说服力来发现它。

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通过映射出宇宙的大体积上星系的三维位置，暗能量光谱仪（DESI）合作中的科学家已经发现了一些（但不是压倒性的）提示性证据，表明暗能量的强度已经随着时间减弱（并且正在减弱）。用重子声学振荡（BAOs）的特征可能是最终打破宇宙学标准模型的研究方法，但有恒定暗物质和暗能量的图像仍然是强的。Credit: C. Lamman/DESI Collaboration
然而，这毕竟不是暗物质、暗能量或膨胀的案例。在这三种情况下已经发生了一个类似的故事。首先，粒子物理学和宇宙学的标准模型——在这个模型中你让已知的粒子和相互作用在一个膨胀的宇宙中运行在一个始于热大爆炸的宇宙中，已知的“正常”形式的物质和辐射成分——尽管它在各种标度和广泛选择的条件下巨大的成功，但在一些领域标准图片加不起来。预测和观察之间有一个不匹配，这种不匹配绝对需要被解决。
是否这些关注能被添加以下的解决：
•一种新的物质（暗物质），
•一种新的能量（暗能量），
•或宇宙的历史的一个新相（热大爆炸之前的宇宙膨胀），
对正在被考虑的问题/谜题是特别的。然而，在这三种案例中，都需要应用同一套标准。甚至有这些成分表现不用这些新成分标准模型的成功必须被保存。不用这些成分不能被解释的谜题必须被用这些成分的存在来成功解释。最后，也可以说是最重要的是一定有被做出的新预测——有和没有这些成分——彼此不同，然后我们必须走出去测量宇宙来看现实如何与我们的预测堆积起来。

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一个星系团能让它的质量从现有的引力透镜数据重建。大部分质量被发现不是在单个星系内部，如图中的峰值所示，而是来自星系团内的星系间介质，那里似乎暗物质住着。更精细的仿真和观测也能揭示暗物质的子结构，数据与冷暗物质的预测强的一致。没有暗物质的引力效应，大多数星系在主要恒星形成事件期间都会撕裂开它们自己。Credit: A. E. Evrard, Nature, 1998
让我们以暗物质开始。它最初被在20世纪30年代提出，来解释为什么星系团内的星系在这些星系团内出现以如此快的速度嗖嗖绕着：比这些星系团的观测到的质量可能容纳的速度更快。后来在20世纪60年代和70年代，单个星系的旋转轮廓也被证明与单独它们内部的正常物质量不一致。
暗物质被提出来解决这个问题，而它的扩散和非成块性质将保留小尺度（地球和太阳系）物理学以及大爆炸等大尺度（宇宙学）想法。然而，如果暗物质无处不在它将导致一整群的新预测，包括：
•星系共相关性，
•宇宙微波背景中的声学峰值，
•星系团的引力透镜特征，
•碰撞星团中正常物质和暗物质之间的一个隔开，
以及许多其他的。除了与广义相对论和我们的先前存在的宇宙图片是一致的，暗物质解释了关于星系团和单个星系的这些谜题，同时还预测各种各样的自此以来已经被观测诞生的宇宙影响。虽然直接探测实验一直在发现暗物质中没有成功是真实的，但这丝毫不会分散在准确描述我们宇宙中的现象暗物质的成功。

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这张图显示作为万神殿（Pantheon+）分析一部分的1550颗超新星绘制为一个幅度对红移的函数。几十年来（自1998年以来），超新星数据已经指向一个以特定方式需要一个超越物质、辐射和/或空间曲率的东西膨胀的宇宙：一种驱动膨胀的被称为暗能量的新形式能量。超新星都沿着我们的标准宇宙学模型预测的线，即便红移最高、最遥远的Ia型超新星也坚持这种简单的关系。没有实在的误差校准关系是至关重要的。Credit: D. Brout et al./Pantheon+, ApJ submitted, 2022
接下来是暗能量。对几乎整个20世纪，研究膨胀宇宙（1927年首次发现）的天体物理学家的主要乞求之一是来测量当今宇宙的膨

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