物理（二）

弦理论

是理论物理的一个分支学科，弦论的一个基本观点是，自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子，而是很小很小的线状的“弦”（包括有端点的“开弦”和圈状的“闭弦”或闭合弦）。

弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子，能量与物质是可以转化的，故弦理论并非证明物质不存在。

弦论中的弦尺度非常小，操控它们性质的基本原理预言，存在着几种尺度较大的薄膜状物体，后者被简称为“膜”。

直观的说，我们所处的宇宙空间可能是9+1维时空中的D3膜。

弦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。

弦理论是一门理论物理学上的学说。

理论里的物理模型认为组成所有物质的最基本单位是一小段“能量弦线”，大至星际银河，小至电子，质子，夸克一类的基本粒子都是由这占有二维时空的“能量线”所组成。

中文的翻译上，一般是译作“弦”。

超弦理论可以解决和黑洞相关的问题。

在弦理论中，基本对象不是占据空间单独一点的基本粒子，而是一维的弦。

这些弦可以有端点，或者他们可以自己连接成一个闭合圈环。

正如小提琴上的弦，弦理论中支持一定的振荡模式，或者共振频率，其波长准确地配合。

弦理论（以及它的升级版超弦理论）认为所有的亚原子粒子都并非是小点，而是类似于橡皮筋的弦 。

与粒子类型的唯一区别在于弦振动的频率差异 。

弦理论主要试图解决表面上的不兼容的两个主要物理学理论——量子力学和广义相对论——并欲创造的描述整个宇宙的“万物理论”。

然而这项理论非常难测试，并需要对我们所描绘的宇宙进行一些调整，也即宇宙一定存在比我们所知的四维空间更多的时空维度。

科学家认为这些隐藏的维度可能卷起到非常小以至于我们没有发现它们。

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，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。

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”。

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。

“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。

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。

由于超弦理论的时空维数为10维，所以很自然的可以认为有6个额外的维度需要被紧化。

当对闭弦紧化时，可以发现所谓的T-对偶；而对开弦紧化则可以发现开弦的端点是停留在这些超曲面上的，并且满足Dirichlet边界条件，所以这些超曲面一般被称为“D膜”。

研究员称D膜的动力学为“矩阵理论”（M理论)，是为“M”字之一来源。

最新一期的《环球科学》（2007.9）第10页题目为《我们身处十维空间？》中提到美国的费米国家加速器实验室在观察MiniBooNE探测器发射μ中微子束，看看到底有多少粒子在飞行途中转变成了电子中微子。

2007年4月，研究人员公布了首批结果，基本上与粒子物理标准模型吻合。

不过数据中也存在一个无法解释的异常现象。

科学家推测导致这一现象的原因在于世界上还存在另一种中微子，它能穿越弦理论所预言的额外维度，走出一条捷径。

这种粒子就是比其他三种中微子更诡异，它不像其他中微子那样受到微核力的作用，只能通过引力与其他物质发生相互作用。

他就是于20世纪90年代找到的惰性中微子（假定存在）。

弦理论确信至少需要十个维度才能建立一个理论框架，让引力与量子力学互相兼容。

弦理论科学家假定，宇宙中所有粒子都被局限在一个四维的膜宇宙（brane)中，而膜宇宙又漂浮在一个更高维度的体宇宙（bulk)里。

不过几种特殊的粒子可以从膜宇宙中穿入穿出，其中最出众的就是引力子和惰性中微子。

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种相互作用力除万有引力之外的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。

超弦理论是人们抛弃了基本粒子是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IIA和IIB，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。

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。

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的熵和辐射，这是第一次从微观理论出发，利用统计物理和量子力学的基本原理，严格导出了宏观物体黑洞的熵和辐射公式，毫无疑问地证明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和费米子贡献相消相关联。

（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，这些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，普朗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（´t Hooft）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。

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，就像琴弦的振动一样，因此这根细细的线就被科学家形象地称为“弦”。

我们知道，不同的琴弦振动的模式不同，因此振动产生的音调也不同。

类似的道理，粒子内部的弦也有不同的振动模式，不过这种弦的振动不是产生音调，而是产生一个个粒子。

换言之，每个基本粒子是由一根弦组成。

超弦理论认为，粒子并不存在，存在的只是弦在空间运动；各种不同的粒子只不过是弦的不同振动模式而已。

自然界中所发生的一切相互作用，所有的物质和能量，都可以用弦的分裂和结合来解释。

弦的运动是非常复杂，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，而必须在三维空间中完成一样。

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