物理学家提出了一种新的时空模型，它可能提供“支持弦理论的第一个观测证据”，新的预印本建议。
（图片来源：Terranaut via Pixabay）
一项新的预印本研究暗示，物理学家声称他们可能已经找到了期待已久的暗能量的解释，暗能量是推动宇宙加速膨胀的神秘力量。
他们的计算表明，在最小的尺度上，时空以一种深刻的量子方式表现，与我们在日常生活中体验到的平滑、连续的结构截然不同。根据他们的发现，时空坐标不会“交换”——这意味着它们在方程中出现的顺序会影响结果。这类似于量子力学中粒子的位置和速度的行为方式。
正如弦理论所预测的那样，这个量子时空最引人注目的后果之一是它自然会导致宇宙加速。此外，研究人员发现，这种加速度随时间降低的速率与暗能量光谱仪 （DESI） 的最新观察结果非常吻合。
宇宙膨胀之谜1998 年，两个独立的团队——超新星宇宙学项目和高 Z 超新星搜索团队——发现宇宙的膨胀并没有像以前认为的那样减慢，而是在加速。他们通过研究遥远的超新星得出了这一结论，这些超新星似乎比预期的要暗淡。这种加速意味着存在一个渗透到太空中的神秘实体，后来被称为暗能量。
然而，暗能量的起源仍然难以捉摸。一个流行的假设表明，它是由真空中的量子涨落引起的，类似于电磁场中看到的量子涨落。然而，当物理学家试图根据这个想法计算膨胀率时，他们得出的值大了 120 个数量级——这是一个惊人的差异。
最近的 DESI 观察使情况进一步复杂化。根据基本粒子的标准模型，如果暗能量只是一种真空能量，那么它的密度应该随着时间的推移而保持不变。然而，DESI 数据表明，加速度不是固定的，而是随着时间的推移而降低——这是标准模型无法预测的。
安装在亚利桑那州基特峰国家天文台 4 米 Mayall 望远镜顶部的暗能量光谱仪 （DESI） 的外观视图（图片来源：DESI
用弦理论解开谜团为了解决这些不一致问题，研究人员转向了弦理论，这是量子引力理论的主要候选者之一。与将基本粒子视为点状的标准模型不同，弦理论提出它们实际上是微小的、振动的一维物体，称为弦。这些弦，根据它们的振动模式，会产生不同的粒子——包括引力子，即假设的引力量子载体。
在一篇发布在预印本数据库 arXiv 但尚未经过同行评审的新论文中，物理学家 Sunhaeng Hur、Djordje Minic、Tatsu Takeuchi（弗吉尼亚理工大学）、Vishnu Jejjala（金山大学）和 Michael Kavic 应用弦理论在量子水平上分析时空。
通过用弦理论的框架替换标准模型对粒子的描述，研究人员发现时空本身本质上是量子和非交换的，这意味着坐标在方程中出现的顺序很重要。
这种与经典物理学的根本背离使他们不仅可以从实验数据中得出暗能量的特性，还可以直接从基本物理理论中得出暗能量的特性。他们的模型不仅产生了与观测数据非常匹配的暗能量密度，而且还正确预测了这种能量应该会随着时间的推移而减少，这与 DESI 的发现一致。
他们结果最引人注目的方面之一是，暗能量的值取决于两个截然不同的长度尺度：普朗克长度，量子引力的基本尺度，约为 10⁻³³ 厘米;以及宇宙的大小，直径为数十亿光年。宇宙中最小尺度和最大尺度之间的这种联系在物理学中是非常不寻常的，它表明暗能量与时空本身的量子性质密切相关。
“这暗示了量子引力与自然界的动力学特性之间有更深的联系，而这些特性本来应该是恒定的，”卡维奇说。“事实证明，我们携带的一个根本性误解是，我们宇宙的基本定义属性是静态的，而实际上它们不是。”
实验测试和未来展望尽管该团队对宇宙加速膨胀的解释是一项重大的理论突破，但需要独立的实验测试来证实他们的模型。研究人员提出了具体方法来测试他们的想法。
米尼克补充说，其中一条证据“涉及检测复杂的量子干涉模式，这在标准量子物理学中是不可能的，但在量子引力中应该发生”。
当波（例如光波或物质波）重叠并相互放大或抵消，从而产生特征图案时，就会发生干涉。在传统的量子力学中，干涉遵循众所周知的规则，通常涉及两个或多个可能的量子路径。然而，由一些量子引力模型预测的高阶干涉表明了超出这些标准模式的更复杂的相互作用。在实验室中检测这种效应将是量子引力的开创性测试。
“这些是桌面实验，可以在不久的将来进行 — 三到四年内。”
“我们的量子引力方法有很多含义，”弗吉尼亚理工大学的物理学家、该论文的合著者乔尔杰·米尼克（Djordje Minic）在一封电子邮件中说。米尼克补充说，其中一条证据“涉及检测复杂的量子干涉模式，这在标准量子物理学中是不可能的，但在量子引力中应该发生”。
当波（例如光波或物质波）重叠并相互放大或抵消，从而产生特征图案时，就会发生干涉。在传统的量子力学中，干涉遵循众所周知的规则。然而，一些量子引力模型提出了超出这些标准模式的更复杂的相互作用。在实验室中检测这种效应将是量子引力的开创性测试。
“这些是桌面实验，可以在不久的将来进行 — 三到四年内。”
与此同时，研究人员并没有等待实验确认。他们正在继续完善对量子时空的理解，并探索其他途径来检验他们的理论。
如果得到证实，他们的发现将标志着一项重大突破，不仅在解释暗能量方面，而且为弦理论提供了第一个有形的证据——弦理论是基础物理学中长期寻求的目标。
