多维宇宙数学模型（标准模型的19个自由参数与M理论中的多元宇宙）

物理学的圣杯是万物理论，它将量子力学与广义相对论结合起来，帮助我们理解引力在最小尺度上的行为。这样的理论可能会显示所有力的起源——可能来自一个主力，以及所有粒子的起源——可能来自一个超粒子。我们有这样的理论吗？没有，但我们有一些接近它的东西，它可能会为我们提供关于现实真实本质的线索。

我们没有关于一切的理论，但我们有一个在很大程度上接近的理论，这被称为粒子物理学的标准模型。这是描述我们所拥有的现实本质的最成功并经过测试的模型。这个模型实际上非常好，以至于当万有理论被发现时，它必须是对标准模型的改进，就像爱因斯坦的广义相对论是对牛顿万有引力定律的改进一样。这个模型解释了所有原子的亚原子构成，但唯一缺少的是引力。引力不适用于量子力学方程，还没有引力的量子理论。

标准模型向我们展示了构成所有物质的基本粒子，以及支配它们的四种力量中的三种。但是有19个参数是它无法预测的，这些参数必须通过测量计算出来，并作为常数放入模型中。这19个参数是什么？这些参数包括六个夸克和三个轻子的质量(9个)、希格斯玻色子的质量和希格斯场的强度(2个)、四个夸克衰变时间(4个)、电磁力、强力和弱力的强度(3个)、以及夸克和胶子之间的力相互作用(1个)。

这些被称为自由参数，都是必须测量的常数，并放入方程中，没有什么理论可以预测这些。如果你问：“为什么这些常数会选择这些数值？”我只想告诉你，我们的宇宙恰好是这样的。据我们所知，在不同的宇宙中，这些参数可能会有所不同。

如果这些常数拥有不是在我们宇宙中观察到的数值，会发生什么？我们的宇宙可能会略有不同，也可能会完全不同。例如，如果电磁力的强度更强，我们可能会有更小的原子，但化学仍然存在。在这种情况下，宇宙可能只是略有不同。

然而，如果上下夸克的质量相差很大，就没有原子，我们就会有一个完全不同的宇宙。为什么呢？因为它会改变质子和中子的相对质量。我们宇宙中的中子仅比质子大0.1%左右。但这种差异至关重要，因为它允许中子衰变为质子、电子和反中微子。如果相对质量颠倒过来，质子就会衰变为中子。最终，我们将拥有充满中子的宇宙。没有质子意味着没有原子，并且也没有化学。

这是微调论证的关键——这些常数以及宇宙中的其他常数，如广义相对论的引力常数和宇宙学常数，似乎使得我们特定宇宙中的生命可以存在。如果这些常数确实是任意的，而不是基于任何基础理论，那么它可能会为现实的多元宇宙理论提供可信度。

事实上，研究最多的万物理论的一个版本，以及拥有最多物理学家研究它的理论，预测了如此庞大的多个宇宙。这就是M理论，它是一种将弦理论的所有一致版本统一起来的理论。M理论通过断言弦实际上是二维膜的一维切片，在 11维时空中振动，将所有弦理论结合在一起。这是许多物理学家支持的万物理论的候选者。

一些估计表明，该理论预测的多元宇宙数量是10的500次方，这是难以想象的巨大。现在这个理论有一些问题：它预测了一种称为引力子的亚原子粒子的存在，这种粒子到目前为止还没有被发现；它还要求宇宙具有多达11个维度，因为弦必须能够在这些维度中振动，才能使理论在数学上起作用。如果这是真的，那么其他维度在哪里？

弦理论学家说，这些维度可能会在非常小的范围内被紧致化。例如，一块地毯从很远的地方看起来是二维的，但近距离看，你可以看到它有第三个维度的厚度，类似于代表其他潜在维度。现在想象一根弦不仅在我们的三个维度上振动，而且由于弦可以非常小，它们也可以在这些更小的维度上振动。它们振动的方式决定了它们所代表的粒子：一种振动可以是光子，另一种振动可以是电子等等。

在弦理论中，弦及其振动受到这些弦运动的几何形状的影响。如果额外维度的形状是已知的，那么弦理论的数学可以准确地告诉你振动会产生什么。这将为我们提供一个理论基础，解释为什么这些参数会是这样的数值。换句话说，额外维度的形状可以确定这些参数的确切大小。如果这些形状有任何不同，那么数值就会不同。

但即使我们发现了额外维度的形状，并确定弦理论的数学预测了我们测量的确切数字，这仍然可能留下一个问题：为什么这些额外维度的形状是这样的？因此，即使弦理论回答了宇宙真实性质的问题，它仍然可能暗示可能存在其他宇宙，其中这些额外维度的形状与我们观察到的不同。