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李淼的博客

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弦论能成为研究宇宙学的基础吗?  

2009-03-27 23:10:55|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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Robert Brandenberger完成了他教授休假年在中国的半年,也完成了他此次KITPC的宇宙学workshop的组织者角色,明天要回蒙特利尔了。

本周礼拜二,应他的要求,我引导了一个非正式讨论,题目是他出的,英文是Can string theory provide a new paradigm for cosmology?

讨论的前一天晚上,我花了20分钟拟了一个讨论提纲,有8个问题,我本以为不到一个小时讨论就会结束,结果反对弦论的Richard Woodard不停地反驳我说的观点或者质疑,使得我这个非弦论迷信者扮了一回卫道士的角色。

下面我用中文给出原文是英文的讨论提纲,为了节省空间,略去实际讨论中的各种讨论和交锋。

1、弦论是什么?

这个问题我记得1993年左右Polchinski就问过,前段时间他在Santa Barbara的一次讨论中又一次问过。15年前,我们以为我们有了答案,遗憾的是,我们今天对这个问题的回答不比15年前更好,甚至不比25年前更好。

25年前,Rich Woodard和Robert Brandenberger都在Santa Barbara做博士后,那时正值弦论第一次革命,前者认真地研究了弦论,后来相信弦论是错误的理论,从此25年如一日研究一个一直不引人注目的问题。后 者虽然研究宇宙学,反而相信了弦论。那时,弦论就是几个含有弦的互不相干的理论。(我在19年前也到了Santa Barbara做博士后,那时我是比现在更坚定的弦论主义者)

到了15年前,弦论统一在M理论的名号下,似乎成为一个理论,但我们还不知道如何研究某些简单的极限,如11维时空中的理论(其低能极限是11维超引力)。前段时间,M2膜之所以热了一阵,就是因为它们是11维中的膜。

在低于11维的时空中,我们似乎知道了所有的自由度(无非是弦和膜构造出来的),但我们至今无法有效地研究耦合常数不大不小的情形。我们不知道当黑洞形成时,什么样的动力学可以描述黑洞的微观过程。

2、其他背景

对AdS,我们的理解最好,因为此时的量子引力理论可以用大N场论来定义。

我们至今还不知道de Sitter空间上存在不存在量子引力理论,也不知道这些时空能否在弦论中实现(KKLT只给出亚稳态de Sitter时空)。

我们更不知道绝大多数宇宙学背景是否可以用弦论来直接研究。目前“有效”的方法还是局限于半经典场论近似。

这样,我们就无法在根子上解决一些原则上是量子引力问题的宇宙学问题,如宇宙学常数,如暴涨理论的第一原理。

String Landscape的研究方法基本也是半经典的。

3、弦景观(string landscape)存在吗?

我曾经怀疑过弦景观并不存在,因为KKLT是半经典的。现在看来,它是存在的,但它的存在让弦论处于一个尴尬的位置,因为太多的亚稳态的存在,我们无法从弦论出发计算任何低能物理的参数。换句话说,我们无法做出确切的预言。

4、一些含有null奇点的宇宙学背景

几年前人们发现了一些这样的“宇宙学”背景可以用矩阵模型或场论来描述,但一直没有根本进展:我们不知道可观测量是什么,我们不知道如何计算,所以,我们不知道如何研究真正的宇宙学问题。

5、 弦论看来是一种量子引力理论,但它是“唯一”的量子引力理论吗?

和那些反对弦论的人不同,我绝对是相信弦论是一种量子引力理论的,因为存在微扰定义,在某些情形下还存在非微扰定义。

问题在于,存在不存在无法划归为弦论的量子引力理论?先不说loop gravity,前段时间人们觉得N=8的四维超引力可能是自洽的量子引力理论,我不知道现在对这个问题的最好的回答是什么。

弦论作为一种量子引力理论,已经越来越成为一种可应用的理论,如从AdS/CFT出发,可以研究QCD特别是quark-gluon等离子体,某些 超导体和流体,等等。后者在最近的进展非常快,我已经无法跟上这些进展了。(原因是我还是主要关注弦论的fundamental效应)。

6、其实弦论有预言的

毫无疑问,弦论预言弦或其他延展态的存在,可能也预言超对称的存在,预言在一定的能区中自由度激增。

但是,何处可以发现这些预言?也就是说,基本的能标是多大?遗憾的是,弦论无法计算这个能标(是我们无法,不是根本无法-当然如果弦景观是对的,也许我们根本无法计算)。

所以,真诚地说,弦论还没有预言任何东西。

7、宇宙学中的弦论标志

最直接的标志是宇宙弦,如果我们发现一根宇宙弦,相信很多人会觉得弦论是正确的,虽然这根宇宙弦也许可以用场论来解释。

在宇宙弦之外,微波背景辐射谱中会存在超Planck能标的效应吗(我过去花了很大精力研究这些)。

我觉得更重要的是,是否存在弦论“布朗运动”效应,这是个比方,布朗运动是分子原子存在的证据,那么,弦论有对应的某种间接效应吗?

非对易时空的效应,例如非对易暴涨,我最近和学生研究的非对易时空引起的光子时间延迟(请耐心等待,很快就有文章了),等等。

弦气体代替暴涨论?

8、弦论的第一原理

我们主要关心的是构造性原理,该原理可以帮助我们写出方程或做计算(就像惯性原理,光速不变原理,等效原理,等等)。

目前可能的第一原理,都不是构造性原理:

(a) 全息原理(被普遍接受)。

(b) 时空测不准原理(没有被普遍接受,但很多人觉得可能)。

(c) 人择原理(被普遍反对,但一些人觉得可能)。

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