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特邀综述 | 膜间相互作用、开弦对产生和增强效应及其可能的实验探测

已有 1145 次阅读 2020-6-2 14:24 |系统分类:论文交流

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文章信息


膜间相互作用、开弦对产生和增强效应及其可能的实验探测

D-brane interaction, the open string pair production and its enhancement plus its possible detection

卢建新, 张楠

物理学报. 2020, 69(10): 101101


背景介绍

无论从探讨已知相互作用的本质及其统一,认识宇宙极早期和黑洞奇点,还是在基本层次上认识暗能量的本质,我们都需要研究引力的量子行为,需要一个基本的量子引力理论。目前存在两种比较认可的量子化引力尝试。一种是圈量子引力,另一种是弦/M-理论。如果从物质和相互作用的统一的角度,弦/M-理论是目前惟一的量子引力候选理论。


弦/M-理论在于理解和认识人类目前认知所能揭示的一些最基本的问题,因此其研究绝非容易,其研究过程本身也在不断地揭示新的内涵,加深我们新的认识。我们目前对该理论的理解其实很有限,其基本非微扰理论框架还有待于建立。尽管如此,至少从理论角度,该理论的研究为我们揭示了很多内涵和新的窗口,突破了一些常规认知。比如首次为黑洞熵提供了微观解释,对引力的全息特性给予了验证。另外,比如在场论方面,它告诉我们不包括引力情况下量子场论存在的最大时空维度为 6,有的量子场论没有拉氏量描述, 比如6维共形场论。最近基于弦理论的研究告诉我们,当考虑引力相互作用时,并不是任何一个有效理论都具备紫外完备推广, 即使其在没有考虑引力时具有紫外完备。


对已有弦理论的实验检验一直是一个重要的问题,常规的方式需要把11维M-理论或10维的弦理论紧致到我们生活的四维时空,比如得到已被实验验证的粒子物理标准模型或其推广。一个自然的问题是我们是否有其它不需要紧致化弦/M-理论从而达到对该理论对检验的手段或方式?                                                                 


文章导读

《物理学报》2020年第10期“特邀综述”栏目刊登了中国科学技术大学卢建新教授课题组撰写的膜间相互作用、开弦对产生和增强效应及其可能的实验探测综述文章。该文章详细介绍了具有取向的第二类(Type II)超弦理论中有关D膜间相互作用、开弦对产生以及这种对产生在一定情况下的增强效应的系列研究工作,其中 D3 膜是一个类似我们生活的具有3维空间和一维时间的世界。


该系列研究的目的是从理论上提供一种不需要紧致化时空、非常规的检验弦理论以及探讨额外维的手段。在弱耦合情况下,D膜可以看成是刚性的,具有开弦和闭弦两种等效的描述,其动力学可用开弦的微扰理论来研究。这是D膜作为一个非微扰客体最重要的特性,也是弦理论中特有的现象。


这种D膜的微扰开弦描述中的开弦,其两个端点带大小相等但符号相反的电荷,因此整体为电中性。每一张(或N张重叠的)这种Dp膜(p为D膜的空间维度)本身是稳定的, 类似稳定真空态。如同量子电动力学(QED)真空中虚的正反电子对涨落,Dp膜本身也有量子涨落,表现为所谓的虚的正反开弦对。对QED真空加一均匀电场,该电场有一定的几率把虚的正反电子对拉成可观察的实的正反电子对,即著名的施温格(Schwinger)对。对单张Dp膜,除非所加的电场达到所谓的弦临界电场,从而可以拉断开弦,否则,因开弦整体电中性的缘故,一般无法实现把虚的正反开弦对拉开成为实的正反开弦对。


为研究在小于弦临界电场的情况下仍然可以产生正反开弦对,可考虑一种比较简单的D膜系统即平行放置且有一定间距的两张Dp膜。这时的开弦涨落有三种情况(其中两种类似单张D膜情形,给不出正反开弦对的产生),其中只有一种有一定几率给出开弦对的产生,具体为虚的正反开弦对的四个带电端点中,有两个端点落在一张Dp膜上,另外两个端点落在另一张Dp 膜上。另外,注意到这种正反开弦对是沿着垂直于D膜的方向,因此相对于D膜上的观测者来说,该方向为额外维。如果在第一张Dp膜上加的电场不同于第二张Dp膜上加的电场,这两根虚的开弦端点所受的力会使它们分离,因此存在一定的几率产生正反开弦对。


该系列研究探讨了这种开弦对的产生以及这种开弦对产生的增强效应,发现开弦对产生率的增强效应与所加的电场和磁场的方向、大小相关联。特别,当其中一张膜的空间维度为3(看成我们生活的世界),另一张为1时,这种开弦对产生率可以大到人类实验室条件下得以检验。如上所说,开弦对的产生与额外维关联,如果假定弦理论的正确性及人类的4维时空可以看成一张D3膜的话,测量开弦对产生所给出的(比如)电流并验证其与所加电磁场的关系符合预言,由此可以检验额外维的存在性。同时,这也为弦理论提供了一种无须将该理论紧化到四维时空的全新实验检验方式。


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图1  D膜。


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图2   一对虚的正反开弦对。


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图3   两个膜上加不同电场的正反开弦对


作者介绍


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卢建新,中国科学技术大学教授、博士生导师。1992 年在美国Texas A&M 大学获得理学博士学位, 随后在欧洲核子中心(CETRN)、美国 Texas A&M 大学理论物理中心、密歇根大学理论物理中心从事博士后、访问助理教授、Senior Research Fellow 教学科研工作。他的研究领域为量子引力、弦/M-理论等。在所谓超弦第二次革命中与合作者一道做出了领先性的研究工作,发现了弦理论中不仅存在一维弦,还有其他高维膜的存在,为后来非微扰弦各种对偶性以及M-理论的存在性的建立提供了基础。他是2005 年度国家杰出青年科学基金获得者、2004 年度教育部长江特聘教授。

全文链接:

http://wulixb.iphy.ac.cn/article/doi/10.7498/aps.69.20200037


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