微小的線在時空中穿梭並不斷振動：根據弦理論，這大致是你想象宇宙的方式。線的各種振動產生基本粒子，例如電子和夸克，以及它們之間作用的力。
然而，多年來，弦理論家們面臨著越來越多的困難。為了使該理論成立，需要額外的空間維度以及尚未觀察到的額外粒子。然而，最嚴重的挫折之一是弦理論提供的可能解的數量之多：超過 10500 個可能的宇宙從方程中湧現出來。而在其中，你必須找到適合我們世界的那個，描述相同的基本粒子和力。但這不僅僅是解決方案數量龐大造成了問題。從數學的角度來看，從特定解中推匯出可觀察到的粒子和力也極其困難。這就是為什麼弦理論家現在轉向某些人工智慧演算法來幫助他們完成這項任務。在 2024 年初，研究人員取得了令人印象深刻的成果，他們將其釋出在預印本伺服器 arXiv.org 上。
當物理學家在 20 世紀 80 年代研究出弦理論時，他們很快意識到數學形式主義不適合四個時空維度。為了使該理論成立，需要一個 10 維時空：一個時間維度和九個空間維度。然而，由於我們在我們的世界中只感知到三個空間維度，因此其餘六個維度必須捲曲成非常小的維度，以至於我們不會注意到其中任何一個。這意味著在空間的每個點上都會存在一個以六個維度存在的微小摺疊實體——如此之小，以至於任何顯微鏡都無法分辨出來。
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六維空間捲曲的方式在弦理論中起著重要作用。這是因為精確的幾何形狀決定了弦的振動方式——以及由此產生哪些基本粒子和力。最終目標是找到精確描述我們宇宙的捲曲空間的六維幾何形狀。弦理論家制定了捲曲幾何形狀必須滿足的一些要求，但仍然面臨著大量的可能性：六維幾何形狀的數量遠遠超過宇宙中粒子的數量。
然後又出現了另一個問題：計算捲曲維度的精確幾何細節被證明是一項艱鉅的任務。用數學精度描述複雜的六維形狀實際上是不可能的。即使你有了解決方案，你仍然需要計算微小的線如何與六維捲曲空間相互作用。這是推匯出在所描述的宇宙中可能產生哪些粒子和力的唯一方法。專家們陷入了僵局。
人工智慧領域的進步引起了一些弦理論家的注意，就像它們似乎引起了地球上大部分人的注意一樣。人工智慧可以使執行以前無法進行的計算成為可能。特別是，弦理論家將注意力轉向了神經網路：其結構基於神經皮層功能的演算法。這些網路在多層人工神經元中處理資訊，將輸入（例如，捲曲維度的粗略形狀）轉換為相應的輸出（其詳細的幾何形狀）。透過用成千上萬條資料訓練網路，科學家可以引導它們最終發現大多數人錯過的模式。而這正是弦理論家現在所利用的特性。
2017 年，研究人員使用神經網路確定了捲曲額外維度的六種最簡單方式的精確幾何形狀。然後，牛津大學的安德烈·康斯坦丁領導的團隊在 2024 年初發布了一篇預印本論文：物理學家使用其他神經網路來研究弦將如何與不同的捲曲幾何形狀相互作用以及將產生哪些基本粒子。最終，他們能夠推匯出三種不同夸克的質量，從而在他們的預印本中提供了一個具體的預測。
然而，結果與我們在宇宙中觀察到的夸克質量不符。這並不令人驚訝：畢竟，科學家們從 10500 種可能的配置中挑選出個別幾何形狀並對其進行了測試。因此，描述我們宇宙的正確幾何形狀可能仍然隱藏在這些 10500 個變體中。這就是為什麼一些弦理論家現在旨在首先減少這個龐大的數字，然後再用神經網路檢查剩餘的幾何形狀。
本文最初發表於《Spektrum der Wissenschaft》，經許可轉載。