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天文新知

弦論物理學家的"Paperwork" 用不真實的模型解釋真實宇宙

在過去的幾年,弦論比較少再試圖找尋對宇宙中所有力和物質的統一描述,而是將心力投注在探索「AdS/CFT對偶」,雖然沒有一個好記易懂的名稱,但卻是解決複雜物理問題的好工具。

AdS/CFT對偶中的「AdS」意思是"anti-de Sitter",源自荷蘭數學家、物理學家和天文學家威廉·德西特(Willem de Sitter),他對廣義相對論下過許多功夫,測試了許多不同的宇宙模型,其中"de Sitter"宇宙代表了沒有任何物質但宇宙常數為正的理論宇宙模型。雖然這不是真實宇宙的樣子,但隨著不斷演化,我們的宇宙其實越來越像"de Sitter"宇宙。

anti-de Sitter則是同樣沒有任何物質,但宇宙常數為負的模型,儘管不真實,卻是弦論可以施展身手的好地方。

「CFT」則代表共形場論(Conformal Field Theory),這是一種量子場論,用來描述微觀世界的作用力,而「共形」如同字面上的意思,在一些轉換過程中保持形狀不變,它是「尺度不變(scale invariant) 」的一個例子,如果有一具「尺度不變引擎」,將可以把任何等量的燃料轉換成相同的功。基本上物理學家討論「共形」就是指「尺度不變」,它也跟「AdS」一樣,與真實世界相悖,因為宇宙中的作用力會因為能階不同而改變性質,像是在高能狀態,電磁力與弱核力可以整合成電弱力,這不符合「尺度不變」。

所以在AdS/CFT對偶的一邊,是一個看起來不像我們的宇宙,另一邊則是不適用真實世界的數學理論,它還有什麼用處?

大約20年前,物理學家發明了一些數學把戲,將AdS的時空與CFT描述的時空邊界互相連結,雖然還未證實,但這個連結意義深遠。

弦論有很多解決問題的學工具及技巧,有一些難解的物理問題,可以用共形場論改寫,便可以對應到anti-de Sitter空間,以弦論處理。

有時則可以反過來,將難以處理的弦論問題(如包含重力的統一場論),嘗試以共形場論破解。

而AdS/CFT對偶最成功的例子就是能夠解決霍金的黑洞資訊悖論,將黑洞內的資訊以全像原理保存在二維的黑洞表面上。(編譯/虞景翔)

全像原理描述了一個空間的性質可編碼在其邊界上,就像三維空間只是其二維邊界的投影。

資料來源:space.com

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