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科学家发现弦理论的首个观测证据
科学家或发现弦理论首个观测证据，新模型认为时空具量子性，其推论与暗能量观测数据惊人吻合，有望揭示宇宙加速膨胀本质。
物理学家们提出了一种全新的时空模型，这或许为弦理论提供了“第一个观测性证据”。根据一项新的预印本研究，这个模型甚至可能解开暗能量之谜——那股驱动宇宙加速膨胀的神秘力量。
研究者们的计算揭示，在微乎其微的尺度下，时空展现出深刻的量子特性，这与我们日常体验中那个平滑、连续的世界截然不同。他们的发现指出，时空的坐标是“不可交换”的，这意味着它们在数学方程中出现的先后顺序，会直接影响计算结果。这种特性，其实与量子力学里描述粒子位置和速度的方式颇为相似。
而这种由弦理论预言的量子时空，其最惊人的推论之一，便是它自然而然地导向了宇宙的加速膨胀。更令人振奋的是，研究团队发现，模型预测的加速膨胀随时间减缓的速率，竟然与暗能量光谱仪器(DESI)最新观测到的数据惊人地吻合。
研究的合著者、纽约州立大学奥尔德韦斯特伯里分校的教授 Michael Kavic 通过邮件向 Live Science 解释道：“如果透过我们研究的视角来看，那么DESI的观测结果，或许可以被视为支持弦理论的第一个观测证据，甚至可能是弦理论与量子引力理论首次展现出的、可被观察到的具体效应。”
回溯到1998年，宇宙膨胀的奥秘迎来了转折点。当时，两个独立的研究团队——超新星宇宙学项目组和高红移超新星搜索队，不约而同地发现了一个惊人事实：宇宙的膨胀非但没有像先前认为的那样减速，反而正在加速进行！他们的依据来自对遥远超新星的观测，这些濒死恒星的亮度远低于预期。这一发现强烈暗示着，宇宙空间中弥漫着一种未知的神秘力量，后来人们将其命名为“暗能量”。
然而，暗能量究竟从何而来，始终是个悬而未决的谜题。一种流行的假说推测，它可能源自真空中的量子涨落，就像电磁场中观察到的现象一样。可是，当物理学家们尝试基于这个想法去计算宇宙的膨胀率时，结果却令人瞠目结舌：理论计算值竟然比观测值大了整整120个数量级！这个巨大的鸿沟，无疑是对现有理论的严峻挑战。
近期来自DESI的观测数据，更是给这个谜团增添了新的复杂性。按照粒子物理学的标准模型，如果暗能量仅仅是真空能量的一种体现，那么它的密度应该在整个宇宙历史中保持恒定不变。但DESI的数据却揭示了一个不同的故事：宇宙的加速膨胀率并非一成不变，而是在随着时间推移逐渐减缓。这一点，恰恰是标准模型所无法解释的。
为了突破这些理论困境，研究者们将目光投向了弦理论——当前最有希望统一引力与量子力学的候选理论之一。与标准模型将基本粒子视为无体积的“点”不同，弦理论描绘了一个更为精妙的图景：构成万物的基本单元并非点，而是极其微小、不断振动的一维“弦”。这些弦的不同振动模式，对应着我们观察到的各种不同粒子，其中就包括传递引力相互作用的假想粒子——引力子。
在一篇新近发布于预印本数据库arXiv、尚未经过同行评审的论文中，来自弗吉尼亚理工大学的物理学家 Sunhaeng Hur、Djordje Minic、Tatsu Takeuchi，以及来自威特沃特斯兰德大学的 Vishnu Jejjala 和前文提到的 Michael Kavic，共同运用弦理论对量子层面的时空进行了深入分析。
他们采用弦理论的框架来替代标准模型对基本粒子的描述，由此发现，时空本身在最基础的层面上就具有内禀的量子性和非对易性。正是这种对经典物理学观念的根本性突破，使得他们能够不再仅仅依赖实验数据去拟合暗能量的性质，而是直接从一个基础物理理论出发进行推导。
令人惊喜的是，他们的模型不仅计算出了与当前观测数据高度吻合的暗能量密度值，更准确地预测了这种能量密度会随着时间的流逝而逐渐降低——这恰好与DESI的最新观测结果不谋而合。
这项研究成果中最引人深思的一点，或许在于它揭示了暗能量的数值竟然同时取决于两个尺度悬殊的物理量：一个是代表量子引力基本尺度的普朗克长度，小到大约10⁻³³厘米；另一个则是浩瀚宇宙自身的尺度，横跨数十亿光年。在物理学中，将如此极端微观与极端宏观的尺度联系起来是极为罕见的，这强烈暗示着暗能量可能深深植根于时空本身的量子属性之中。
Michael Kavic 指出：“这暗示着量子引力与那些我们过去认为是恒定不变的宇宙动力学特性之间，可能存在着比预想中更深层次的关联。也许我们一直以来都存在一个根本性的误解，那就是认为宇宙的基本属性是静止不变的，但事实或许并非如此。”
当然，尽管这个团队对宇宙加速膨胀的解释堪称理论上的重大突破，但其模型的正确性仍需通过独立的实验检验来最终确认。值得庆幸的是，研究者们已经提出了一些具体的实验方案来验证他们的想法。弗吉尼亚理工大学的物理学家、论文合著者 Djordje Minic 通过邮件解释说，其中一个关键的验证途径，“涉及到探测一种复杂的量子干涉图样。这种现象在标准的量子物理框架下是不可能出现的，但根据量子引力理论，它却应该存在。”
所谓干涉，是指当波(例如光波或物质波)叠加时，它们会相互增强或抵消，从而形成独特的图样。在传统的量子力学中，干涉遵循着明确的规则。然而，某些量子引力模型预测存在更复杂的相互作用，会产生超越标准模式的“高阶干涉”效应。若能在实验室中捕捉到这类效应，无疑将是对量子引力理论的革命性检验。Minic 补充道：“这些都是可以在不久的将来——比如三到四年内——在实验台上进行的实验。”
当然，研究团队并未止步于理论构建，等待实验结果的最终宣判。他们正持续深化对量子时空的理解，并积极探索其他可能验证其理论的途径。
一旦这些发现得到证实，那将不仅仅是解开暗能量之谜的里程碑式突破，更将历史性地为弦理论——这个基础物理学领域孜孜以求数十年的终极理论之一——提供首个坚实的观测证据。
本文译自 Live Science，由 BALI 编辑发布。
