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粒子与相互作用

粒子与相互作用

字符串理论计算描述‘宇宙的诞生’

06 Dec 2011
Do new calculations describe the "宇宙的诞生"?

日本研究人员已经开发出了第一个具有自然机制的弦理论模型,该模型可以解释为什么如果宇宙实际上还存在六个空间,那么宇宙似乎将存在于三个空间维度。根据他们的模型,九个维度中只有三个在宇宙开始时就开始增长,这两个因素都说明了宇宙’的持续扩展及其明显的三维性质。

弦理论有潜力“theory of everything”,将所有物质和力结合在一个单一的理论框架中,该框架以振动的弦而不是粒子来描述宇宙的基本水平。尽管该框架甚至可以在亚原子水平上自然地吸收引力,但这暗示着宇宙具有一些奇怪的特性,例如九个或十个空间维度。弦理论家通过寻找方法来解决这个问题。“compactify”其中六个或七个尺寸,或者缩小尺寸,这样我们就不会’没注意到他们。不幸的是,筑波市高能加速器研究组织(KEK)的西村淳说“有很多方法可以获取四维空间–时间,以及不同的方式导致不同的物理学。”该解决方案不够独特,不足以产生有用的预测。

通过扰动理论研究了这些压缩方案,其中将字符串可能相互作用的所有可能方式加起来来描述相互作用。但是,这仅在交互作用相对较弱且每种可能的交互作用的可能性具有明显的层次结构时才起作用。如果弦之间的相互作用更强,并且可能同时产生多个结果,则扰动理论将不再起作用。

矩阵可以增强互动

弱相互作用的弦无法用其高能量,高密度和高温度来描述早期的宇宙,因此研究人员寻求一种方法来研究彼此强烈影响的弦。为此,一些弦理论家试图使用矩阵来重新表述该理论。“字符串图片是在矩阵无穷大的限制下从矩阵中出现的,”西村说。扰动理论可以描述五种形式的弦论,但是只有一种具有完整的矩阵形式–IIB型。甚至有人推测IIB型矩阵实际上描述了M-理论,M-理论被认为是将所有五个已知类型结合在一起的弦论的基本版本。

由大阪大学(西村)的Sang-Woo Kim和静冈大学的Asato Tsuchiya开发的模型描述了在9个空间维度加上时间或10个维度中强烈相互作用的弦的行为。与微扰理论不同,可以在计算机上对矩阵模型进行数值模拟,从而避免了一些弦理论计算的麻烦。尽管对于一个完美的模型,矩阵必须无限大,但它们的大小限制为8 × 8 to 32 × 在模拟中为32。 Kim说,使用最大矩阵进行的计算在超级计算机上花费了两个多月的时间。

宇宙的物理属性显示在数百或数千个矩阵的平均值中。增大矩阵大小所产生的趋势使团队可以推断出矩阵无限时模型宇宙的行为。“In our work, we focus on the size of the space as a function of 时间,” says Nishimura.

‘宇宙的诞生’

矩阵的大小有限,这意味着团队无法在其模型中看到超出宇宙开始的范围。据他们所知,它最初是一个对称的九维空间,每个维大约为10–33 cm. This is a fundamental unit of length known as the Planck length. After some passage of 时间, the string interactions cause the symmetry of the universe to spontaneously break, causing three of the nine dimensions to expand. The other six are left stunted at the Planck length. “The 时间 when the symmetry is broken is the 宇宙的诞生,” says Nishimura.

“该论文之所以出色,是因为它表明确实存在一种机制,可以从10维矩阵模型中动态获取4维,”奥地利维也纳大学的Harold Steinacker说。

日本京都大学的川ika光(Hikaru Kawai)于1997年与土屋(Tsuchiya)等人合作提出了IIB矩阵模型,他对“二维空间的清晰信号–time”. “这将是了解我们宇宙起源的一大步,” he says. Although he finds that the evolution of the model universe in 时间 is too simple and different from the general theory of relativity, he says the new direction opened by the work is “值得深入研究”.

标准模型会出现吗?

研究小组尚未证明粒子物理学的标准模型将以比早期宇宙研究初期的能量低得多的能量出现在其模型中。如果它跨越了这一障碍,团队可以使用它来探索宇宙学。与摄动模型相比,Steinacker说,“这个模型应该更具预测性”.

西村希望通过改进模型和仿真软件,研究小组能够尽快研究早期宇宙的膨胀或物质的密度分布,并根据真实宇宙的密度分布评估结果。

这项研究将在即将发表的论文中进行描述 体检信 并在以下位置提供预印本 arXiv:1108.1540.

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