Ландшафт теории струн

Коллекция возможных вакуумов теории струн

В теории струн ландшафт теории струн (или ландшафт вакуума ) представляет собой совокупность возможных ложных вакуумов [ ^1], вместе составляющих коллективный «ландшафт» выборов параметров, управляющих компактификациями .

Термин «ландшафт» происходит от понятия ландшафта приспособленности в эволюционной биологии . ^[2] Впервые он был применен к космологии Ли Смолиным в его книге «Жизнь космоса» (1997), а в контексте теории струн впервые был использован Леонардом Сасскиндом . ^[3]

Компактифицированные многообразия Калаби–Яу.

В теории струн число потоков вакуумов обычно считается примерно равным , ^[4] но может быть ^[5] или выше. Большое количество возможностей возникает из выбора многообразий Калаби–Яу и выбора обобщенных магнитных потоков по различным циклам гомологии , найденных в F-теории . ${\displaystyle 10^{500}}$ ${\displaystyle 10^{272,000}}$

Если в пространстве вакуума нет структуры, то задача нахождения структуры с достаточно малой космологической постоянной является NP-полной . ^[6] Это версия задачи о сумме подмножеств .

Возможный механизм стабилизации вакуума в теории струн, ныне известный как механизм KKLT , был предложен в 2003 году Шамитом Качру , Ренатой Каллош , Андреем Линде и Сандипом Триведи . ^[7]

Тонкая настройка по антропному принципу

Обычно предполагается , что тонкая настройка констант, таких как космологическая постоянная или масса бозона Хиггса , происходит по точным физическим причинам, а не принимает их конкретные значения случайным образом. То есть эти значения должны однозначно соответствовать основным физическим законам.

Число теоретически допустимых конфигураций вызвало предположения ^{[ по мнению кого? ]} , что это не так, и что физически реализуется множество различных вакуумов. ^[8] Антропный принцип предполагает, что фундаментальные константы могут иметь те значения, которые они имеют, потому что такие значения необходимы для жизни (и, следовательно, для разумных наблюдателей, чтобы измерять константы). Таким образом, антропный ландшафт относится к совокупности тех частей ландшафта, которые подходят для поддержания разумной жизни.

модель Вайнберга

В 1987 году Стивен Вайнберг предположил, что наблюдаемое значение космологической постоянной столь мало, поскольку жизнь не может возникнуть во Вселенной с гораздо большей космологической постоянной. ^[9]

Вайнберг попытался предсказать величину космологической постоянной на основе вероятностных аргументов. Были сделаны и другие попытки ^{[ какие? ] применить подобные рассуждения к моделям физики элементарных частиц. [10]}

Такие попытки основаны на общих идеях байесовской вероятности ; интерпретация вероятности в контексте, где возможно извлечь только одну выборку из распределения , проблематична в частотной вероятности , но не в байесовской вероятности, которая не определяется с точки зрения частоты повторяющихся событий.

В такой структуре вероятность наблюдения некоторых фундаментальных параметров определяется как: ${\displaystyle P(x)}$ ${\displaystyle x}$

${\displaystyle P(x)=P_{\mathrm {prior} }(x)\times P_{\mathrm {selection} }(x),}$

где — априорная вероятность параметров из фундаментальной теории, а — «антропная функция отбора», определяемая числом «наблюдателей», которые могли бы появиться во вселенной с параметрами . ^{[ необходима цитата ]} ${\displaystyle P_{\mathrm {prior} }}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle P_{\mathrm {selection} }}$ ${\displaystyle x}$

Эти вероятностные аргументы являются наиболее спорным аспектом ландшафта. Техническая критика этих предложений указала на то, что: ^{[ необходимая ссылка ] [ необходимый год ]}

• Эта функция совершенно неизвестна в теории струн и, возможно, ее невозможно определить или интерпретировать каким-либо разумным вероятностным способом. ${\displaystyle P_{\mathrm {prior} }}$
• Функция совершенно неизвестна, поскольку о происхождении жизни известно очень мало. Упрощенные критерии (например, число галактик) должны использоваться в качестве прокси для числа наблюдателей. Более того, может никогда не оказаться возможным вычислить ее для параметров, радикально отличающихся от параметров наблюдаемой вселенной. ${\displaystyle P_{\mathrm {selection} }}$

Упрощенные подходы

Тегмарк и др. недавно рассмотрели эти возражения и предложили упрощенный антропный сценарий для аксионной темной материи , в котором они утверждают, что первые две из этих проблем неприменимы. ^[11]

Виленкин и его коллеги предложили последовательный способ определения вероятностей для заданного вакуума. ^[12]

Проблема многих упрощенных подходов, которые люди ^{[ кто? ]} пробовали, заключается в том, что они «предсказывают» космологическую постоянную, которая слишком велика на 10–1000 порядков (в зависимости от предположений) и, следовательно, предполагают, что космическое ускорение должно быть намного быстрее, чем наблюдается. ^{[13] [14] [15]}

Интерпретация

Мало кто оспаривает большое количество метастабильных вакуумов. ^{[ необходима цитата ]} Однако существование, значение и научная значимость антропного ландшафта остаются спорными. ^{[ необходимы дополнительные пояснения ]}

Проблема космологической постоянной

Андрей Линде , сэр Мартин Риз и Леонард Сасскинд отстаивают его как решение проблемы космологической постоянной . ^{[ требуется ссылка ]}

Слабая масштабная суперсимметрия ландшафта

Идеи струнного ландшафта можно применить к понятию слабой масштабной суперсимметрии и проблеме Малой иерархии. Для струнных вакуумов, которые включают MSSM (Минимальную суперсимметричную стандартную модель) как низкоэнергетическую эффективную теорию поля, все значения полей нарушения SUSY, как ожидается, будут одинаково вероятны на ландшафте. Это привело Дугласа ^[16] и других к предположению, что масштаб нарушения SUSY распределен как степенной закон в ландшафте, где — число полей нарушения F (распределенных как комплексные числа), а — число полей нарушения D (распределенных как действительные числа). Далее можно наложить антропное требование Агравала, Барра, Донохью, Секкеля (ABDS) ^[17] , чтобы полученный слабый масштаб лежал в пределах нескольких множителей от нашего измеренного значения (чтобы ядра, необходимые для жизни, как мы ее знаем, не стали нестабильными (атомный принцип)). Объединяя эти эффекты с мягким степенным законом, тянущимся к большим мягким термам нарушения SUSY, можно вычислить массы бозона Хиггса и суперчастиц, ожидаемые от ландшафта. ^[18] Распределение вероятности массы Хиггса достигает пика около 125 ГэВ, в то время как счастицы (за исключением легких хиггсино) имеют тенденцию лежать далеко за пределами текущих поисковых пределов LHC. Этот подход является примером применения струнной естественности. ${\displaystyle P_{prior}\sim m_{soft}^{2n_{F}+n_{D}-1}}$ ${\displaystyle n_{F}}$ ${\displaystyle n_{D}}$

Научная значимость

Дэвид Гросс предполагает ^{[ требуется цитата ]} , что эта идея по своей сути ненаучна, нефальсифицируема или преждевременна. Известный спор об антропном ландшафте теории струн — это спор Смолина–Сусскинда о достоинствах ландшафта.

Народный прием

Существует несколько популярных книг об антропном принципе в космологии. ^[19] Авторы двух блогов по физике, Любош Мотл и Питер Войт , выступают против такого использования антропного принципа. ^{[ почему? ] [20]}

Смотрите также

• Болото
• Дополнительные размеры

Ссылки

1. Число метастабильных вакуумов точно не известно, но обычно цитируемые оценки составляют порядка 10 ^500. См. M. Douglas , "The statistics of string / M theory vacua", JHEP 0305 , 46 (2003). arXiv :hep-th/0303194; S. Ashok и M. Douglas, "Counting flux vacua", JHEP 0401 , 060 (2004).
2. Багготт, Джим (2018). Квантовая пространственная петля, квантовая гравитация и поиск структуры пространства, времени и Вселенной. Oxford University Press. стр. 288. ISBN 978-0-19-253681-5.
3. Л. Смолин, «Эволюционировала ли Вселенная?», Classical and Quantum Gravity 9 , 173–191 (1992). Л. Смолин, Жизнь космоса (Оксфорд, 1997)
4. Read, James; Le Bihan, Baptiste (2021). «Ландшафт и мультивселенная: в чем проблема?». Synthese . 199 (3–4): 7749–7771. doi : 10.1007/s11229-021-03137-0 . S2CID  234815857.
5. Тейлор, Вашингтон; Ван, И-Нань (2015). «Геометрия F-теории с наибольшим потоком вакуумов». Журнал физики высоких энергий . 2015 (12): 164. arXiv : 1511.03209 . Bibcode : 2015JHEP...12..164T. doi : 10.1007/JHEP12(2015)164. S2CID  41149049.
6. Фредерик Денеф; Дуглас, Майкл Р. (2007). «Вычислительная сложность ландшафта». Annals of Physics . 322 (5): 1096–1142. arXiv : hep-th/0602072 . Bibcode : 2007AnPhy.322.1096D. doi : 10.1016/j.aop.2006.07.013. S2CID  281586.
7. Качру, Шамит; Каллош, Рената; Линде, Андрей; Триведи, Сандип П. (2003). "Вакуумы де Ситтера в теории струн". Physical Review D. 68 ( 4): 046005. arXiv : hep-th/0301240 . Bibcode : 2003PhRvD..68d6005K. doi : 10.1103/PhysRevD.68.046005. S2CID  119482182.
8. Л. Сасскинд, «Антропный ландшафт теории струн», arXiv :hep-th/0302219.
9. С. Вайнберг, «Антропная граница космологической постоянной», Phys. Rev. Lett. 59 , 2607 (1987).
10. SM Carroll, «Естественна ли наша Вселенная?» (2005) arXiv :hep-th/0512148 рассматривает ряд предложений в препринтах от 2004/5.
11. M. Tegmark, A. Aguirre, M. Rees и F. Wilczek, "Безразмерные константы, космология и другие темные материи", arXiv :astro-ph/0511774. F. Wilczek, "Просвещение, знание, невежество, искушение", arXiv :hep-ph/0512187. См. также обсуждение в [1].
12. См., например , Александр Виленкин (2007). «Мера мультивселенной». Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical . 40 (25): 6777–6785. arXiv : hep-th/0609193 . Bibcode :2007JPhA...40.6777V. doi :10.1088/1751-8113/40/25/S22. S2CID  119390736.
13. Авраам Лёб (2006). "Наблюдательный тест на антропное происхождение космологической константы". Журнал космологии и астрочастичной физики . 0605 (5): 009. arXiv : astro-ph/0604242 . Bibcode : 2006JCAP...05..009L. doi : 10.1088/1475-7516/2006/05/009. S2CID  39340203.
14. Жауме Гаррига и Александр Виленкин (2006). «Антропное предсказание для Лямбда и катастрофы Q». Prog. Theor. Phys. Suppl . 163 : 245–57. arXiv : hep-th/0508005 . Bibcode :2006PThPS.163..245G. doi :10.1143/PTPS.163.245. S2CID  118936307.
15. Делия Шварц-Перлов и Александр Виленкин (2006). «Вероятности в мультивселенной Буссо-Полчински». Журнал космологии и астрочастичной физики . 0606 (6): 010. arXiv : hep-th/0601162 . Bibcode : 2006JCAP...06..010S. doi : 10.1088/1475-7516/2006/06/010. S2CID  119337679.
16. MR Douglas, «Статистический анализ шкалы нарушения суперсимметрии», arXiv :hep-th/0405279.
17. V. Agrawal, SM Barr, JF Donoghue и D. Seckel, "Антропные соображения в теориях множественных доменов и масштаб нарушения электрослабой симметрии", Phys. Rev. Lett. 80 , 1822 (1998). arXiv :hep-ph/9801253
18. Х. Бэр, В. Баргер, Х. Серсе и К. Синха, «Предсказания масс Хиггса и суперчастиц из ландшафта», JHEP 03 , 002 (2018), arXiv :1712.01399.
19. L. Susskind, Космический ландшафт: теория струн и иллюзия разумного замысла (Little, Brown, 2005). MJ Rees, Всего шесть чисел: глубинные силы, формирующие вселенную (Basic Books, 2001). R. Bousso и J. Polchinski, «Ландшафт теории струн», Sci. Am. 291 , 60–69 (2004).
20. Блог Мотла критикует антропный принцип, а блог Войта часто нападает на ландшафт антропных струн.

Внешние ссылки

• Струнный ландшафт; стабилизация модулей; поток вакуума; компактификация потока на arxiv.org .
• Цветич, Мирьям ; Гарсия-Этксебаррия, Иньяки; Халверсон, Джеймс (март 2011 г.). «О вычислении непертурбативных эффективных потенциалов в ландшафте теории струн». Fortschritte der Physik . 59 (3–4): 243–283. arXiv : 1009.5386 . Bibcode : 2011ForPh..59..243C. doi : 10.1002/prop.201000093. S2CID  46634583.