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超弦理论
基本简介
超弦理论
玻色弦费密弦理论基础上提出的一种同时具有10维时空超对称性和 2维弦空间超对称性的弦理论。该理论是1981年由M.B.格林J.H.许瓦兹提出的。根据超弦理论引力子、规范玻色子夸克轻子等(见强子结构),都是弦在弦空间中振动的不同模式。弦分闭弦和开弦两种,闭弦零质量模式构成超引力多重态,包含引力子、引力微子等;开弦零质量模式构成超杨-密耳斯多重态,包括规范场和规范费密子。此外,弦还有无穷多高激发态模式。弦的断裂或连接表示弦之间的相互作用。当弦的张力趋向无穷大时,弦理论过渡到通常的点粒子理论。超弦理论分为三种类型:Ⅰ 型,由开弦和非定向闭弦构成,其低能极限等价于N=1的10维超引力和超杨-密耳斯理论,规范群为SO(N)和USP(N);Ⅱ型,仅由定向闭
五种弦图
弦构成,不能描述规范相互作用,低能极限等价于N=2的10维超引力理论;Ⅲ型是1985年由D.J.格罗斯等人提出的杂交弦,由26维空间玻色弦和10维空间费密弦“杂交”而成,虽然它仅包含定向闭弦,但由于在环面上紧致化及孤立子的存在,可以描述规范相互作用,规范群为E8×E8Spin(32)/Z2,其中Spin(32)为SO(32)的覆盖群,其低能极限与Ⅰ型超弦相同。 格林和许瓦兹于1984年证明:精确到一圈图,如果规范群为SO(32),Ⅰ 型超弦理论无反常且有限(此结论对杂交弦亦正确)。因而超弦理论有可能成为一种把引力相互作用弱相互作用电磁相互作用强相互作用统一起来的理论形式,因此它已成为1984~1985年粒子物理学理论最活跃的研究方向。
弦理论认识
超弦理论
弦理论或者超弦理论是那些象量子夸克等等已经溶入大众词典的诸多新科学专用词汇之一,但它们却很少能被人解释清楚。即使会议的参加者也会告诉你,超弦理论,象许多新兴科学和研究领域一样,涉及了许多高前沿的数学领域,并不是很容易能把握的。超弦理论到底是什么呢?简单说来,我们可以这样来定义超弦理论:(1)超弦理论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论;(2)超弦理论认为弦是物质组成的最基本单元,所有的基本粒子如电子光子中微子和夸克都是弦的不同振动激发态;(3)超弦理论第一次将二十世纪的两大基础理论-广义相对论和量子力学-结合到一个数学上自冾的框架里;(4)超弦理论有可能解决一些长期困绕物理学家的世纪难题如黑洞的本质和宇宙的起源。(5)超弦理论的实验证实将从根本上改变人们对物质结构、空间和时间的认识。  首先,我们发现,弦理论描述自然界的活动还真有几分科学幻想的成份。举例来说、弦理论描述的世界并不是我们肉眼所看到的三维空间和一维时间。合理的解释是那些额外的空间维数没有被观测到是因为它们很小很小。要理解弦理论的高维属性并不困难。(参见《宇宙的琴弦》P. 180-181)   在弦理论中就有许多这样极小的额外空间维数,因此,微观世界并不象我们普遍感觉到的世界那么简单。在宏观尺度上,弦理论也可能用来解释宇宙大爆炸的开始和黑洞内部的行为,而这些问题是以前的物理理论包括爱因斯坦的广义相对论都失效的地方。现在发展的弦理论是有关时间和空间的量子理论,因此理论看起来也就显得非常非常的奇怪。
五种超弦与所衰变成的所有粒子-结构图表[1]
 弦理论的一个基本观点就是自然界的基本单元不是象电子、光子、中微子和夸克等等这样的粒子,这些看起来象粒子的东西实际上都是很小很小的弦的闭合圈(称为闭合弦或闭弦),闭弦的不同振动和运动就给出这些不同的基本粒子。因此弦理论从一些非常基本和简单的单元就能得到宇宙的无穷变化和复杂性。在弦理论中,人们自然地可以得到规范对称性、超对称性和引力,而这些原理在原有的标准模型中或者是强加进去的或者是与量子理论相冲突的,在弦理论中它们都协和地统一起来了,并且是彼此需要、独一无二的。
相关理论
超弦來源(圖一)
20世纪物理学有两次大的革命:一次是狭义相对论和广义相对论,它几乎是爱因斯坦一人完成的;另一次是量子理论的建立。经过人们的努力,量子理论与狭义相对论成功地结合成量子场论,这是迄今为止最为成功的理论。粒子物理的标准模型理论预言电子的磁矩是1.001159652193个玻尔磁子,实验给出的数值是1.001159652188,两者在误差是完全一致的,精确度达13位有效数值。广义相对论也有长足的发展,在小至太阳系,大至整个宇宙范围里,实验观测与理论很好地符合。但在极端条件下,引出了时空奇异,显示了理论自身的不完善。就我们现在的认识水平,量子场论和广义相对论是相互不自洽的,因此量子场论和广义相对论应该在一个更大的理论框架里统一起来。现在这一更大的理论框架已初显端倪,它就是超弦理论。超弦理论是物理学家追求统一理论的最自然的结果。爱因斯坦建立相对论之后自然地想到要统一当时公知的两种相互作用--万有引力和电磁力。他花费了后半生近40年的主要精力去寻求和建立一个统一理论,但没有成功。现在回过头来看历史,爱因斯坦的失败并不奇怪。实际上自然界还存在另外两种相互作用力--弱力和强力。现在已经知道,自然界中总共4种相互作用力除有引力之外的3种都可有量子理论来描述,电磁、弱和强相互作用力的形成是用假设相互交换“量子”来解释的。但是,引力的形成完全是另一回事,爱因斯坦的广义相对论是用物质影响空间的几何性质来解释引力的。在这一图像中,弥漫在空间中的物质使空间弯曲了,而弯曲的空间决定粒子的运动。人们也可以模仿解释电磁力的方法来解释引力,这时物质交换的“量子”称为引力子,但这一尝试却遇到了原则上的困难--量子化后的广义相对论是不可重整的,因此,量子化和广义相对论是相互不自洽的。
研究评论
超弦理论
超弦理论是人们抛弃了基本粒子点粒子的假设而代之以基本粒子是一维弦的假设而建立起来的自洽的理论,自然界中的各种不同粒子都是一维弦的不同振动模式。与以往量子场论和规范理论不同的是,超弦理论要求引力存在,也要求规范原理和超对称。毫无疑问,将引力和其他由规范场引起的相互作用力自然地统一起来是超弦理论最吸引人的特点之一。因此,从1984年底开始,当人们认识到超弦理论可以给出一个包容标准模型的统一理论之后,一大批才华横溢的年轻人自然地投身到超弦理论的研究中去了。经过人们的研究发现,在十维空间中,实际上有5种自洽的超弦理论,它们分别是两个IIAIIB,一个规范为Apin(32)/Z2的杂化弦理论,一个规范群为E8×E8的杂化弦理论和一个规范为SO(32)的I型弦理论。对一个统一理论来说,5种可能性还是稍嫌多了一些。因此,过去一直有一些从更一
超弦來源(圖二)
般的理论导出这些超弦理论的尝试,但直到1995年人们才得到一个比较完美的关于这5种超弦理论统一的图像。这一图像可以有用上图来表示。存在一个唯一的理论,姑且称其为M理论。M理论有一个很大的模空间(各种可能的真空构成的空间)。5种已知的超弦理论和十一维超引力都是M理论的某些极限区域或是模空间的边界点(图中的尖点)。有关超弦对偶性的研究告诉我们,没有模空间中的哪一区域是有别于其他区域而显得更为重要和基本的,每一区域都仅仅是能较好地描述M理论的一部分性质。但是,在将这些不同的描述自洽地柔合起来的过程中我闪也学到了对偶性和M理论的许多奇妙性质,尤其是各种D-膜相互转换的性质。在此我们不得不提到超弦理论成功地解释了黑洞辐射,这是第一次从微观理论出发,利用统计物理量子力学的基本原理,严格了导出了宏观物体黑洞的熵和辐射公式,毫无疑问地确立了超弦理论是一个关于引力和其他相互作用力的正确理论。将5种超弦理论和十一维超引力统一到M理论无疑是成功的,但同是也向人们提出了更大的挑战。M理论在提出时并没有一个严格的数学表述,因此寻找M理论的数学表述和仔细研究M理论的性质就成了这一时期理论物理研究热点。道格拉斯Douglas,MR)等人仔细研究了D-膜的性质,发现了在极短距离下,D-膜间的相互作用可以完全由规范理论来描述,这些相互作用也包括引力相互作用。因此,极短距离下的引力相互作用实际上是规范理论的量子效应。基于这些结果,班克Banks,T)等人提出了用零维D-膜(也称点D-膜)作为基本自由度的M理论的一种基本表述--矩阵理论。矩阵理论是M理论的非微扰的拉氏量表述,这一表述要求选取光锥坐标系和真空背景至少有6个渐近平坦的方向。利用这一表述已经证明了许多偶性猜测,得到了一类新的没有引力相互作用的具有洛仑兹不变的理论。如果我们将注意力放在能量为1/N量级的态(N为矩阵的行数或列数),在N趋于无穷大的极限下,可以导出一类通常的规范场理论。许多迹象表明,在大N极限下,理论将变得更简单,许多有限N下的自由度将不与物理的自由度耦合,因而可以完全忽略。所有这些结论都是在光锥坐标系和有限N下得到的,可以预期一个明显洛仑兹不变的表述将是研究上述问题极有力的工具。具体来说,人们期望在如下问题的研究上取得进展:

(1)全同粒子的统计规范对称性应从一个更大的连续的规范对称性导出。

(2)时空的存在应与超对称理论中玻色子费米子贡献相消相关联。

膜宇宙图

(3)当我们紧致化更多维数时,理论中将出现更多的自由度,如何从量子场论的观点理解这一奇怪的性质?

(4)有效引力理论的短距离(紫外)发散实际上是某些略去的自由度的红外发散,这些自由度对应于延伸在两粒子间的一维D-膜,从场论的观点来看,这此自由度的性质是非常奇怪的。

(5)将M理论与宇宙学联系起来。

显然,没有太多的理由认为矩阵理论是M理论的一个完美的表述。值得注意的是矩阵理论的确给出了许多有意义的结果,因此也必定有其物理上合理的成分,这很像本世纪初量子力学完全建立前的时期(那时,普良克提出能量量子导出黑体辐射公式,玻尔提出轨道量子化给出氢原子光谱),一些有关一个全新理论的迹象和物理内涵已经被人们发现了。但是,我们离真正建立一个完美自洽M理论还相距甚远,因此有必要从超弦理论出发更多更深地发掘其内涵。在这方面,超弦理论的研究又有了新的突破。

1997年底,马尔达塞纳Maldacena)基于D-膜的近视界几何的研究发现,紧化在AdS5×S5上的IIB型超弦理论与大N SU(N)超对称规范理论是对偶的,有望解决强耦合规范场论方面一些基本问题如夸克禁闭和手征对称破缺。早在70年代,特胡夫特tHooft)就提出:在大N情况下,规范场论中的平面费曼图将给出主要贡献,从这一结论出发,波利考夫(Polyakov)早就猜测大N规范场论可以用(非临界)弦理论来描述,现在马尔塞纳的发现将理论和规范理论更加具体化了。1968年维内齐诺Veneziano)为了解决相互作用而提出了弦理论,发现弦理论是一个可以用来统一四种相互作用力的统一理论,对偶性的研究引出了M理论,现在马尔达塞纳的研究又将M理论和超弦理论与规范理论(可以用来描叙强相互作用)联系起来,从某种意义上来说,我们又回到了强相互作用的这一点,显然我们对强相互作用的认识有了极大的提高,但是我们仍没有完全解决强相互作用的问题,也没有解决四种相互作用力的统一问题,因此对M理论、超弦理论和规范理论的研究仍是一个长期和非常困难的问题。

理论背景

谈话背景
谈到弦论的普及,恐怕没有人能比得上布赖恩·格林。他是哥伦比亚大学的物理学教授,也是弦论研究的一员大将。
他于1999年出版的《优雅的宇宙》(The Elegant Universe)一书在《纽约时报》的畅销书排行榜上名列第四,并入围了普利策奖的最终评选。格林是美国公共电视网Nova系列专辑的主持人,而他近期刚刚完成了一本关于空间和时间本质的书。《科学美国人》的编辑George Musser最近和格林边吃细弦般的意大利面边聊弦论,以下是这次“餐访”的纪要。
评价
SA:有时我们的读者在听到“弦论”或“宇宙论”时,他们会两手一摊说:“我永远也搞不懂它。”
格林:我的确知道,人们在一开始谈到弦论或者宇宙论时会感到相当的吃力。我和许多人聊过,但我发现他们对于这些概念的基本兴趣是那么的广泛和深刻,因此,比起其他更容易的题材,人们愿意在这方面多花点心思。
SA:我注意到在《优雅的宇宙》一书中,你在很多地方是先扼要介绍物理概念,然后才开始详细论述。
实现突破与否,往往就取决于一点点洞察力
格林:我发现这个法子很管用,尤其是对于那些比较难懂的章节。这样一来读者就可以选择了:如果你只需要简要的说明,这就够了,你可以跳过底下比较难的部分;如果你不满足,你可以继续读下去。我喜欢用多种方式来说明问题,因为我认为,当你遇到抽象的概念时,你需要更多的方式来了解它们。从科学观点来看,如果你死守一条路不放,那么你在研究上的突破能力就会受到影响。我就是这样理解突破性的:大家都从这个方向看问题,而你却从后面看过去。不同的思路往往可以发现全新的东西。
判断
SA:能不能给我们提供一些这种“走后门”的例子?
格林:嗯,最好的例子也许是维顿(Edward Witten)的突破。维顿只是走上山顶往下看,他看到了其他人看不到的那些关联,因而把此前人们认为完全不同的五种弦论统一起来。其实那些东西都是现存的,他只不过是换了一个视角,就“砰”地一下把它们全装进去了。这就是天才。对我而言,这意味着一个基本的发现。从某种意义上说,是宇宙在引导我们走向真理,因为正是这些真理在支配着我们所看到的一切。如果我们受控于我们所看到的东西,那么我们就被引导到同一个方向。因此,实现突破与否,往往就取决于一点点洞察力,无论是真的洞察力还是数学上的洞察力,看是否能够将东西以不同的方式结合起来。
SA: 如果没有天才,你认为我们会有这些发现吗?
格林:嗯,这很难说。就弦论而言,我认为会的,因为里面的谜正在一点一点地变得清晰起来。也许会晚5年或10年,但我认为这些结果还是会出现。不过对于广义相对论,我就不知道了。广义相对论实在是一个大飞跃,是重新思考空间、时间和引力的里程碑。假如没有爱因斯坦,我还真不知道它会在什么时候以什么方式出现。
SA:在弦论研究中,你认为是否存在类似的大飞跃?
格林:我觉得我们还在等待这样一种大飞跃的出现。弦论是由许多小点子汇集而成的,许多人都做出了贡献,这样才慢慢连结成宏大的理论结构。但是,高居这个大厦顶端的究竟是怎么样的概念?我们现在还不得而知。一旦有一天我们真的搞清楚了,我相信它将成为闪耀的灯塔,将照亮整个结构,而且还将解答那些尚未解决的关键问题。
采访
相对论是对时间和空间重新思考的里程碑,我们正在等待另一次这样的飞跃
SA:让我们来谈谈环量子理论与其他一些理论。你总是说弦论是唯一的量子引力论,你现在还这么认为吗?
格林:呃,我认为弦论是目前最有趣的理论。平心而论,近来环量子引力阵营取得了重大的进展。但我还是觉得存在很多非常基本的问题没有得到解答,或者说答案还不能令我满意。但它的确是个可能成功的理论,有那么多极有天赋的人从事这项研究,这是很好的事。我希望,终究我们是在发展同一套理论,只是所采用的角度不同而已,这也是施莫林(Lee Smolin)所鼓吹的。在通往量子力学的路上,我们走我们的,他们走他们的,两条路完全有可能在某个地方相会。因为事实证明,很多他们所长正是我们所短,而我们所长正是他们所短。弦论的一个弱点是所谓的背景依赖(background-dependent)。我们必须假定一个弦赖以运动的时空。也许人们希望从真正的量子引力论的基本方程中能导出这样一个时空。他们(环量子引力研究者)的理论中的确有一种“背景独立”的数学结构,从中可以自然地推导出时空的存在。从另一方面讲,我们(弦论研究者)可以在大尺度的结构上,直接和爱因斯坦广义相对论连接起来。我们可以从方程式看到这一点,而他们要和普通的引力相连接就很困难。这样很自然地,我们希望把两边的长处结合起来。
研究进展
SA:在这方面有什么进展吗?
格林:很缓慢。很少有人同时精通两边的理论。两个体系都太庞大,就算你单在你的理论上花一辈子时间,竭尽你的每一分每一秒,也仍然无法知道这个体系的所有进展。但是现在已经有不少人在沿着这个方向走,思考着这方面的问题,相互间的讨论也已经开始。
SA:如果真的存在这种“背景依赖”,那么要如何才能真正深刻地理解时间和空间呢?
格林:嗯,我们可以逐步解决这个难题。比如说,虽然我们还不能脱离背景依赖,我们还是发现了镜像对称性这样的性质,也说是说两种时空可以有相同的一套物理定律。我们还发现了时空的拓扑变化:空间以传统上不可置信的方式演化。我们还发现微观世界中起决定作用的可能是非对易几何,在那里坐标不再是实数,坐标之间的乘积取决于乘操作的顺序。这就是说,我们可以获得许多关于空间的暗示。你会隐约在这时看见一点,那里又看见一点,还有它们底下到底是怎么一回事。但是我认为,如果没有“背景独立”的数学结构,将很难把这些点点滴滴凑成一个整体。
SA:镜像对称性真是太深奥了,它居然把时空几何学和物理定律隔离开来,可过去我们一直认为这二者的联系就是爱因斯坦说的那样。
认识
格林:你说的没错。但是我们并没有把二者完全分割开来。镜像对称只是告诉你遗漏了事情的另一半。几何学和物理定律是紧密相连的,但它就像是一副对折开的地图。我们不应该使用物理定律和几何学这个说法。真正的应该是物理-几何与几何-几何,至于你愿意使用哪一种几何是你自己的事情。有时候使用某一种几何能让你看到更多深入的东西。这里我们又一次看到,可以用不同的方式来看同一个物理系统:两套几何学对应同一套物理定律。对于某些物理和几何系统来说,人们已经发现只使用一种几何学无法回答很多数学上的问题。在引入镜像对称之后,我们突然发现,那些深奥无比的问题一下子变得很简单了。
理论上可以导出许多不同的宇宙,其中我们的宇宙似乎是唯一适合我们生存的
SA:弦论以及一般的现代物理学,似乎逼近一个非如此不可的逻辑结构;理论如此发展是因为再无他路可走。一方面,这与“人择”的方向相反;但是另一方面,理论还是有弹性引导你到“人择”的方向。
格林:这种弹性是否存在还不好说。它可能是我们缺乏全面理解而人为造成的假像。不过以我目前所了解的来推断,弦论确实可以导出许多不同的宇宙。我们的宇宙可能只是其中之一,而且不见得有多么特殊。因此,你说得没错,这与追求一个绝对的、没有商量余地的目标是有矛盾的。
置身于弦宇宙,时空可能像这样:另有6维卷曲在所谓的“卡拉比-丘空间”内。
SA:如果有研究生还在摸索,你如何在方向上引导他们?
格林:嗯,我想大的问题就是我们刚才谈到的那些。我们是否能穷究时间和空间的来源?我们能否搞清楚弦论或M理论的基本思想?我们能否证明这个基本思想能导出一个独特的理论?这个独特理论的独特解,也就是我们所知的这个世界?有没有可能借助天文观测或加速器实验来验证这些思想?甚至,我们能不能回过头来,了解为什么量子力学必然是我们所知世界不可或缺的一部分?任何可能成功的理论在其深层都得依赖一些东西:比如时间、空间、量子力学等,这其中有哪些是真正关键的,有哪些是可以省略掉仍能导出与我们世界相类似的结果?

二次革命

如果说超弦理论的第一次革命统一了量子力学和广义相对论,那么近年来发生的弦理论的第二次革命则统一了五种不同的弦理论和十一维超引力,预言了一个更大的M理论的存在,揭示了相互作用和时空的一些本质,并暗示了时间和空间并不是最基本的,而是从一些更基本的量导出或演化形成的。M理论如果成功,那将会是一场人类对时空概念、时空维数等认识的革命,其深刻程度不亚于上个世纪的两场物理学革命。
从科学研究本身看,研究引力的量子化及其与其他互相作用力的统一是自爱因斯坦以来国际著名物理学家的梦想,但由于该理论涉及的能量极高,不能进行直接实验验证。尽管如此,一些技术和方法的发展,启发了很多新的物理思想,如解决能量等级问题的Randall-Sundrum模型和引力局域化,关于弦理论巨量可能真空的图景想法和人择原理等等。
近期天文和宇宙学观察所取得的进展对弦理论的发展会起积极的促进作用。比如,近期观察的宇宙加速膨胀所暗示的一个很小的但大于零的宇宙学常数(或暗能量),为弦理论目前的发展提供了指导作用。反过来说,要在更深层次上理解近期的天体物理学观察和暗能量,没有一个基本的量子引力理论是行不通的,弦理论是目前仅有的量子引力理论的理想候选者。二者的结合不仅对弦理论的自身发展有着指导作用,同时对理解和解释宇宙学观察也有很大的促进作用。

相关问题

基本粒子源于五种超弦模型表解析
物质组成的最终单元
在过去的一百多年里,物理学家已经发现了一连串越来越小和越来越基本的物质组成单元。这些研究成果最终被总结成为标准模型:轻子(象电子和中微子)、夸克以及将这些粒子捆绑在一起的电磁力、弱相互作用力。但是,标准模型并不是故事的结局,因为它实在是太复杂了,它本身并不能解释一个比元素周期表还要复杂的基本粒子表以及它们之间的相互用力。
现在,弦理论家们普遍相信标准模型中的基本粒子实际上都是一些很小很小的线状的“弦”(包括有端点的“开弦”和圈状的“闭弦”或闭合弦)。[1] 弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子。所有粒子都可由闭弦的不同振动和运动来得到,从本质上讲,所有的粒子都是质地相同的弦。这一听似奇怪的想法能够解释标准模型的许多粗犷轮廓和特性,但是在决定性实验验证弦理论之前,人们仍然有必要对它进行更深刻的认识和了解。
量子力学的原理和广义相对论是否相冲突
量子力学和广义相对论是二十世纪两个非常成功的理论,但令人惊讶的是这两个理论在现有的框架下是相冲突的。简单说来,量子力学认为没有任何东西是静止不动的,任何东西都有起伏涨落(测不准原理)。广义相对论认为时空是弯曲的,弯曲时空是万有引力的起源。将这两个理论结合就可以导出时空本身也是每时每刻都在经历着量子的起伏涨落。在大多数情况下,这些涨落是很小很小的,但在一些极端情况下,比如说在极短距离下、在黑洞的视界附近,在大爆炸的初始时刻等等,这些量子涨落将变得非常重要。在这些情况下,我们现有的理论(量子力学和广义相对论)是不适用的,只能得到一些结果为无穷大荒谬结论。很显然,我们需要一个更完备的理论。
令人惊讶的是,从粒子物理学中发展起来的弦理论提供了这一问题的答案。在弦理论中,由于弦的延展性(一维而不是一个点),引力和光滑的时空观念在比弦尺度还小的距离下失去了意义,时空量子泡沬由“弦几何”代替了。现在,用弦理论已经解决了有关黑洞量子力学问题的一些疑难。如何用弦理论来说明宇宙大爆炸的初始起点仍然是一个没有解决的大问题。
我们是否生活在11维时空
宇宙学告诉我们,我们肉眼看到的三个空间维数正在膨胀,由此可以推测它们曾经是很小和高度弯曲的。一个自然的可能性是;也许存在与我们观测到的三个空间维数垂直的其它空间维数,这些额外空间维数曾经是但现在仍然是很小和高度弯曲的。如果这些维数的尺度是够小,以我们现有的观测手段仍不是以直接推测到,但是这些维数仍将以许多间接的效应表现出来。
特别地,这是一个强有力的统一观念:在低维中观测到的不同粒子也可能是同一种粒子,在额外维数空间中,它们都是同一粒子不同方向的运动的表现。实际上,额外维数还是弦理论不可分割的一部分:弦理论的数学方程要求空间是9维的,再加上时间维度总共是10维时空。更进一步的研究表明,由M理论给出的更完全的认识揭示了弦理论的第10维空间方向,因此理论的最大维数是11维。最近的一些发展还提出了我们也许生活在低维的膜上面,但是引力仍然是10维的,为了得到现实的3维引力,可以通过引入“影子膜”或者Randall-Sundrum机制。Randall-Sundrum机制是一种束缚引力的新方法,这时,额外维度可以不是很小很小的。通过观测小距离情况下引力对平方反比定律的偏离,或者是在粒子加速上或者是通过超新星爆发中产生的粒子散射进入额外维度因而看起来象消失一样等等奇怪的现象,也许我们现在就有能力探测到这些额外维度。弦理论不仅大大地拓展了人们的思维空间,将大大地拓展人们的活动空间。

趣闻相关

物理学是否有可能走另一条路,虽然面貌完全不同,但却能够解释所有的实验?我不知道,但是我觉得这是个很有意思的问题。从数据和数学逻辑出发,有多少我们认为基本的东西是唯一可能的结论?又有多少可以有其他可能性,而我们不过是恰恰发现了其中之一而已?在别的星球上的生物会不会有与我们完全不同的物理定律,而那里的物理学与我们一样成功?

在中国

在超弦的第一、第二次革命,以及随后的快速发展中,中国都未能在国际上起到应有的作用。我们在研究的整体水平上,与国际、与周边国家如印度、日本、韩国,甚至和我国台湾地区相比都有一定的差距。内陆学术界对弦理论的认识存在较大的分歧,一些有影响的物理学家,基于某种判断,公开地发表“弦理论不是物理”的观点。受他们的身份和地位的影响,这种观点在中国更容易被大多数人接受,因而在某种程度上制约了弦理论在中国的研究和发展。
从教育和人才培养上看,我国的世界一流大学如北大、清华,在相当长的一个时期内都严重缺乏主要从事弦理论研究的人才,这种局面间接地制约了青年研究生的专业选择,直接地造成了国内研究队伍的青黄不接。
值得庆幸的是,在丘成桐教授的直接推动下,伴随着浙江大学数学科学中心的成立,以及随后该中心和中国科学院晨兴数学中心每年举办的多次高水平专业会议,并邀请像安地·斯特罗明格这样一流水平的学者到中心工作,大大地推动了国内弦理论方面的研究。
2002年底,在中国科技大学成立的交叉学科理论研究中心,目前已经发展为非常活跃和具有吸引力的研究中心。成立4年来,通过多次举办工作周和暑期学校,在超弦理论的人才培养和研究方面做了许多基础性工作。在本次国际弦理论会议之前,国际理论物理中心和中国科学院交叉学科理论研究中心还举办了“亚太地区超弦理论暑期学校”,吸引了100 多名参加者。
这种种现象都表明,中国的超弦理论研究,在平静的外表下,正积蓄着旺盛的爆发潜力。很显然,一个国家或一个研究团体的整体水平,与这个国家将会在科研上出现的突破性进展的机会是成正比的,这就是所谓“东方不亮西方亮”的道理,也是所谓科学研究文化的建设重要性所在。忽略科学研究文化的建设,单纯追求诺贝尔奖,是一种急功近利的态度,其结果往往是“欲速则不达”。
摆在超弦理论研究面前的,是一幅广阔的前景和一条艰难的道路,这是一条热闹又孤独的旅程,它所涉及的问题对年轻的学生和学者,有着强大的魅力,同时它对研究人员的专业素养有着很高的要求。2006年国际弦理论会议,对我们来说,是一次机遇——壮大队伍、提高水平,并随着整体水平的不断提高,在国际上占有一席之地。我们正在为弦理论的第三次革命作准备,也期待着她的早日到来。

模型建立

较早时期所建立的粒子学说则是认为所有物质是由只占一度空间的“点”状粒子所组成,也是目前广为接受的物理模型,也很成功的解释和预测相当多的物理现象和问题,但是此理论所根据的“粒子模型”却遇到一些无法解释的问题。比如,在靠近粒子的地方的引力会增加至无限大。比较起来,“弦理论”的基础是“波动模型”,因此能够避开前一种理论所遇到的问题。更深的弦理论学说不只是描述“弦”状物体,还包含了点状、薄膜状物体,更高维度的空间,甚至平行宇宙。值得注意的是,弦理论目前尚未能做出可以实验验证的准确预测,关于这一点,以下文会说明。

发展历史

弦理论的雏形是在1968年由Gabriele Veneziano发现。他原本是要找能描述原子核内的强作用力的数学公式,然后在一本老旧的数学书里找到了有200年之久的欧拉公式(Euler's Function),这公式能够成功的描述他所要求解的强作用力。然而进一步将这公式理解为一小段类似橡皮筋那样可扭曲抖动的有弹性的“线段”却是在不久后由Leonard Susskind(李奥纳特·苏士侃)所发现,这在日后则发展出“弦理论”。

作用模式

虽然弦理论最开始是要解出强相互作用力的作用模式,但是后来的研究则发现了所有的最基本粒子,包含正反夸克,正反电子,正反中微子等等,以及四种基本作用力“粒子”(强、弱作用力粒子,电磁力粒子,以及重力粒子),都是由一小段的不停抖动的能量弦线所构成,而各种粒子彼此之间的差异只是这弦线抖动的方式和形状的不同而已。
超弦理论
另外,“弦理论”这一用词所指的原本包含了26度空间的玻色弦理论,和加入了超对称性的超弦理论。在近日的物理界,“弦理论”一般是专指“超弦理论”,而为了方便区分,较早的“玻色弦理论”则以全名称呼。1990年代,爱德华·维顿提出了一个具有11 度空间的M理论,他和其他学者找到强力的证据,证明了当时许多不同版本的超弦理论其实是M理论的不同极限设定条件下的结果,这些发现带动了第二次超弦理论革新。

大一统

弦理论会吸引这么多注意,大部分的原因是因为它很有可能会成为终极理论。目前,描述微观世界的量子力学与描述宏观引力的广义相对论在根本上有冲突,广义相对论的平滑时空与微观下时空剧烈的量子涨落相矛盾,这意味着二者不可能都正确,它们不能完整地描述世界。而除了引力之外,量子力学很自然的成功描述了其他三种基本作用力:电磁力、强力和弱力。弦理论也可能是量子引力的解决方案之一。超弦理论还包含了组成物质的基本粒子之一的费米子。至于弦理论能不能成功的解释基于目前物理界已知的所有作用力和物质所组成的宇宙以及应用到“黑洞”、“宇宙大爆炸”等需要同时用到量子力学与广义相对论的极端情况,这还是未知数。

额外维

额外维是相对于“四维时空”而提出的一个概念,一般泛指的是理论在四维时空基础上扩展出来的其它维度。爱因斯坦提出宇宙是空间加时间组成的“四维时空”。1926年,德国数学物理学家西奥多·卡鲁扎在四维时空上再添加一个空间维,也就是添加一个第五维,把爱因斯坦的相对论方程加以改写,改写后的方程可以把当时已知的两种基本力即“电磁力”和“引力”很自然地统一在同一个方程中。至此,理论中存在额外添加的维度统称为“额外维”。

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