描绘大统一的宇宙图景 ——超弦理论简述

描绘大统一的宇宙图景

——超弦理论简述

在网上看到一篇介绍超弦理论的文章，通俗易懂，很喜欢。将它简述如下，以备日后查阅——

相对论和量子理论，是现代物理学的两大支柱。但这两个理论却有着根深蒂固的矛盾。导致这个矛盾的，是宇宙中的四种基本力：引力、电磁力、强力和弱力。

（从前人们认为，）引力源于物体质量的相互吸引，两个有质量的物体间就存在引力，物体的质量越大，引力就越大。电磁力是由粒子的电荷产生的，一个粒子可以带正电荷，或者带负电荷，同性电荷相斥，异性电荷相吸。如果一个粒子不带电荷，则不受电磁力的影响，不会感受到排斥力和吸引力。强力主要是把夸克结合在一起的力，所以也叫核力。像电磁力一样，也起源于电荷，不过只是夸克间的电荷。弱力的作用是改变粒子而不对粒子产生推和拉的效应，核聚变和核裂变这两个过程都是受弱力支配的。

爱因斯坦的广义相对论就是关于引力的理论，他指出：空间本身是有形状的，当没有任何物质或能量存在时，空间应该是平直光滑的，当一个大质量物体进入空间后，平直的空间就发生了弯曲凹陷，引力就是因为这样的空间弯曲而导致的（是不是应当说，根据爱因斯坦的理论，根本就没有引力，“引力”仅仅是空间发生弯曲后的物质运动表现，导致空间发生弯曲的原因是巨大的质量。）。

但空间的几何形变却解释不了其它三种力，对另外三种力的解释需要量子理论来完成。量子理论研究微观世界里基本粒子的行为，在这个理论体系中，宇宙中所有的物质最终由数百种不同的基本粒子组成，力是由粒子的交换而来的，电磁力由光子交换而来，强力由胶子交换而来，弱力由弱规范玻色子交换而来。

但是，因空间弯曲所导致的引力是无法通过粒子交换而来的，而且，在微观世界里，粒子的自身质量不仅小到几乎没有，还总是在杂乱无章地运动，它们之间的引力从何谈起？因此，量子理论无法涵盖引力。

广义相对论与量子理论不能统一，成为现代物理学的灾难。人们很难相信，在宇宙的微观层面和宏观层面，居然不是一个统一连贯的整体，我们对宇宙最深处的认识居然是由两个分裂的理论拼接起来的。

所有这些力有没有一个共同的根基？也许在基本粒子内部存在一种更深层的结构，这种结构尚未被我们所理解？

自20世纪60年代以来，在科学家孜孜不倦的努力下，一个新的理论逐渐形成，这就是超弦理论。超弦理论认为，在每一个基本粒子内部，都有一根细细的线在振动（是不是应当说，每一个基本粒子，其实都是一根细细的不停地振动的线？），就像小提琴琴弦的振动一样，这根细细的线被科学家形象地称为“弦”。

粒子内部的弦有着不同的振动模式，只不过这种弦的振动不是产生什么音乐，而是产生一个个粒子。不同粒子的性质由弦的不同振动行为来决定，电子是以某种方式振动的弦，上夸克又是以另一种方式振动的弦，如此等等。

20世纪初，量子理论刚诞生时，科学家们发现，在微小的粒子世界，能量是一份一份发出的，而不是连续发出的，但他们却不知道为何有这种不连续性。

有了超弦理论就很好理解，弦是一段一段的，开弦就是一段线，闭弦就是一个圆圈，每一段弦片携带一份动量和能量。弦的振动越剧烈，粒子的能量就越大；振动越轻柔，粒子的能量就越小。

根据超弦理论，空间和时间都有自己的最小值：空间的最小尺度为10-33厘米，时间的最小值是10-43秒。当空间小到10-33厘米后，时间和空间就会融为一体，空间维度就会高达十维。

宏观的空间结构是由一份份最小的空间包组合起来的，在这一份份的空间包中间，极有可能存在着我们无法探测的空间裂缝！小小的十维空间包以及它们之间的裂缝存在于我们空间的每一个角落，只要有足够的能量，我们可以在任何地方凿开一个虫洞。

在量子理论中，每一个粒子还具有波的特性，这就是波粒二象性。现在我们明白了，粒子的波动性就是由弦的振动产生的。那一个个点粒子其实并不是一个个实体的点，而是一个个更微小的空间结构。

弦的振动模式与粒子的引力作用之间存在着直接的联系。同样，一根弦所携带的电磁力、弱力和强力也完全由它的振动模式决定。除了有开弦闭弦，一根弦还能分解成更细小的弦，也能与别的弦碰撞构成更长的弦。

当一根弦在时空中移动时，它就没那么简单了。弦的运动是如此的复杂，以至于三维空间已经无法容纳它的运动轨迹，必须有高达十维的空间才能满足它的运动，就像人的运动复杂到无法在二维平面中完成，必须在三维空间中完成一样。这个十维空间是数学方程计算的结果。空间维有两种，它可能很大延伸得很远，能直接显露出来；它也可能很小，卷缩了，很难看出来。在最微小的尺度上，科学家业已证明，我们宇宙的空间结构既有延展的维，也有紧紧卷缩在一个微小的空间的卷缩的维，计算表明，卷缩的维可能小到普朗克长度（即10-33厘米），即使用我们最精密的仪器(最先进的仪器能探测到百亿亿分之一米的结构)，也根本不能探测它们。

在我们的三维空间里，相对论和量子理论就像两块互不相干的碎片，永远也拼合不到一起。但把宇宙变为十维空间，这两块碎片就会令人震惊地结合得天衣无缝，成为一个更完整的理论大厦的两根互相依存的支柱！虽然我们在三维空间中无法想象和描述一个多维的空间，但我们却能通过复杂的数学方程推导出它的存在。

在宇宙诞生的10-43秒内，宇宙的直径仅有10-33厘米，含有丰富的十维空间，所有的空间维都平等地卷缩在一起。在那样的空间中，宇宙的能量极高、温度极高，所有四种力都融为一体，相对论和量子理论可以归结为一个理论。

但是，这样高维度、高能量、高温度的空间是极不稳定的，就像胀气太多的气球，于是大爆炸发生了。维度被解散、能量发散、温度降低。三维的空间和一维的时间无限延伸开来，逐渐形成了我们今天可感知的宇宙；而另外六维的空间则仍然卷缩在普朗克尺度（即10-33厘米）以内。

当宇宙处在1032K这样极高的温度时，引力与其他大统一力分离开来，引力随着宇宙的膨胀而不断延伸成长程力。随着宇宙进一步胀大和冷却，其它三种力也开始破裂，强力和弱-电磁力剥离开来。

10-9秒之后，宇宙的温度降低到了1015K，这时弱-电磁力破裂为电磁力和弱力，所有四种力都已相互分离，宇宙成了由自由夸克、轻子和光子组成的一锅“汤”。稍后，随着宇宙进一步冷却，夸克组合成质子和中子。它们最终形成原子核。3分钟后，稳定的原子核开始形成。

大爆炸发生30万年后，最早的原子问世。

宇宙就这样生成了。

有了超弦理论，浩瀚宇宙中所有纷繁复杂的现象都可以追溯到同一个源头，人类发现的大大小小的规律最终都可以被一个根本的规律所囊括。随着十维空间的崩裂，超弦理论也分裂成两个理论——相对论和量子理论，此后，随着物质丰富性的增加，它们又分裂成更多的理论。人类溯源而上，终于描绘出了大统一的宇宙图景。

2009－3