1、超弦理論淺談 超弦理論的發展史 什么是超弦理論 怎樣證明超弦理論是正確的 超弦理論的爭議超弦理論淺談超弦理論的發展史1921 克魯札克萊因1926年，愛因斯坦的同事克魯札率先發表一篇論文，之后波爾的同事克萊因加以改進，形成了克魯札克萊因理論，這是個五次元的理論，試圖結合馬克思威爾的電磁學方程式和愛因斯坦重力方程式，可說是超弦理論的先聲。然而，第五度空間是如此的小，甚至僅僅藏于普朗克尺度之下只有10的負-30次方，一般的物理學家們對于無法在近期做實驗觀測的理論不抱太多興趣，克魯札克萊因的五次元理論終于胎死腹中。超弦理論的發展史1921 克魯札克萊因在統一廣義相對論和量子論的漫漫征途中，物理學家一

2、開始采用的是較為溫和的辦法。他們試圖采用老的戰術，也就是在征討強、弱作用力和電磁力時用過的那些行之有效的手段，把它同樣用在引力的身上。在相對論里，引力被描述為由于時空彎曲而造成的幾何效應，而正如我們所看到的，量子場論把基本的力看成是交換粒子的作用，比如電磁力是交換光子，強相互作用力是交換膠子等等。那么，引力莫非也是交換某種粒子的結果？在還沒見到這個粒子之前，人們已經為它取好了名字，就叫“引力子”(graviton)。可是，要是把所謂引力子和光子等一視同仁地處理，人們馬上就發現他們注定要遭到失敗。在量子場論內部，無論我們如何耍弄小聰明，也沒法叫引力子乖乖地聽話：計算結果必定導致無窮的發散項，無窮

3、大！在統一廣義相對論和量子論的漫漫征途中，物理學家一開始采用的是在這場戰爭中我們初戰告負，一切溫和的統一之路都被切斷，量子論和廣義相對論互相怒目而視，作了最后的割席決裂，我們終于認識到，它們是互不相容的，沒法叫它們正常地結合在一起！物理學的前途頓時又籠罩在一片陰影之中，相對論的支持者固然不忿氣，擁護量子論的人們也有些躊躇不前。 新希望出現在1968年，但卻是由一個極為偶然的線索開始的：它本來根本和引力毫無關系。那一年，CERN（歐洲核子物理研究所）的意大利物理學家維尼基亞諾(Gabriel Veneziano)隨手翻閱一本數學書，在上面找到了一個叫做“歐拉函數”的東西。維尼基亞諾順手把它運用到

4、所謂“雷吉軌跡”(Regge trajectory)的問題上面，作了一些計算，結果驚訝地發現，這個歐拉早于1771年就出于純數學原因而研究過的函數，它竟然能夠很好地描述核子中許多強相對作用力的效應。在這場戰爭中我們初戰告負，一切溫和的統一之路都被切斷，量子論維尼基亞諾模型不久后被3個人幾乎同時注意到，他們是芝加哥大學的南部陽一郎，耶希華大學(Yeshiva Univ)的薩斯金(Leonard Susskind)和玻爾研究所的尼爾森(Holger Nielsen)。三人分別證明了，這個模型在描述粒子的時候，它等效于描述一根一維的“弦”！這可是非常稀奇的結果，在量子場論中，任何基本粒子向來被看成一

5、個沒有長度也沒有寬度的小點，怎么會變成了一根弦呢？ 雖然這個結果出人意料，但加州理工的施瓦茨(John Schwarz)仍然與當時正在那里訪問的法國物理學家謝爾克(Joel Scherk)合作，研究了這個理論的一些性質。在弦論最慘淡的日子里，只有施瓦茨和謝爾克兩個人堅持不懈地沿著這條道路前進。維尼基亞諾模型不久后被3個人幾乎同時注意到，他們是芝加哥大學1971年，施瓦茨和雷蒙(Pierre Ramond)等人合作，把原來需要26維的弦論簡化為只需要10維。這里面初步引入了所謂“超對稱”的思想當把他們的模型用于引力的時候，在計算引力的時候，無窮大不再出現了！計算結果有限而且有意義“第一次超弦革命

6、”由此爆發了，前不久還對超弦不屑一顧，極其冷落的物理界忽然像著了魔似的，傾注出罕見的熱情和關注。第一次革命過后，我們得到了這樣一個圖像：任何粒子其實都不是傳統意義上的點，而是開放或者閉合(頭尾相接而成環)的弦。當它們以不同的方式振動時，就分別對應于自然界中的不同粒子(電子、光子包括引力子！)。我們仍然生活在一個10維的空間里，但是有6個維度是緊緊蜷縮起來的，所以我們平時覺察不到它。1971年，施瓦茨和雷蒙(Pierre Ramond)等人合一直要到90年代中期，超弦才再次從沉睡中蘇醒過來，完成一次絕地反攻。這次喚醒它的是愛德華威頓。在1995年南加州大學召開的超弦年會上，威頓讓所有的人都吃驚不

7、小，他證明了，不同耦合常數的弦論在本質上其實是相同的！我們只能用微擾法處理弱耦合的理論，也就是說，耦合常數很小，在這樣的情況下5種弦論看起來相當不同。但是，假如我們逐漸放大耦合常數，它們應當是一個大理論的5個不同的變種！ 這樣一來，5種超弦就都被包容在一個統一的圖像中，物理學家們終于可以松一口氣。這個統一的理論被稱為“M理論”。不管超弦還是M理論，它們都剛剛起步，還有更長的路要走。雖然異常復雜，但是超弦/M理論仍然取得了一定的成功，甚至它得以解釋黑洞熵的問題。M理論是“第二次超弦革命”的一部分，如今這次革命的硝煙也已經散盡，超弦又進入一個蟄伏期。PBS后來在格林的書的基礎上做了有關超弦的電視節

8、目，在公眾中引起了相當的熱潮。或許不久就會有第三次第四次超弦革命，從而最終完成物理學的統一，我們誰也無法預見。一直要到90年代中期，超弦才再次從沉睡中蘇醒過來，完成一次絕值得注意的是，自弦論以來，我們開始注意到，似乎量子論的結構才是更為基本的。以往人們喜歡先用經典手段確定理論的大框架，然后在細節上做量子論的修正，這可以稱為“自大而小”的方法。但在弦論里，必須首先引進量子論，然后才導出大尺度上的時空結構！人們開始認識到，也許“自小而大”才是根本的解釋宇宙的方法。2006年，世界弦理論大會在中國舉行。中國在這個理論物理的前沿領地，沒有較著名的科學家。值得注意的是，自弦論以來，我們開始注意到，似乎量

9、子論的結構才什么是超弦理論弦理論是理論物理的一個分支學科。弦論的一個基本觀點是，自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的點狀粒子，而是很小很小的線狀的“弦”（包括有端點的“開弦”和圈狀的“閉弦”或閉合弦）。弦的不同振動和運動就產生出各種不同的基本粒子。弦論中的弦尺度非常小，但操控它們性質的基本原理預言，存在著幾種尺度較大的薄膜狀物體，后者被簡稱為“膜”。直觀的說，我們所處的宇宙空間可能是9+1維時空中的D3膜。弦論是現在最有希望將自然界的基本粒子和四種相互作用力統一起來的理論。什么是超弦理論弦理論是理論物理的一個分支學科。弦論的一個基本弦理論（以及它的升級版超弦理論）認為所有的亞原子

10、粒子都并非是小點，而是類似于橡皮筋的弦1 。與粒子類型的唯一區別在于弦振動的頻率差異1 。弦理論主要試圖解決表面上的不兼容的兩個主要物理學理論量子力學和廣義相對論并欲創造的描述整個宇宙的“萬物理論”1 。然而這項理論非常難測試，并需要對我們所描繪的宇宙進行一些調整，也即宇宙一定存在比我們所知的四維空間更多的時空維度1 。科學家認為這些隱藏的維度可能卷起到非常小以至于我們沒有發現它們弦理論（以及它的升級版超弦理論）認為所有的亞原子粒子都并非是怎樣證明超弦理論是正確的在超弦理論當中，十一維空間中存在一個額外維度，證明額外維度的存在就可以得出我們生活的空間并非四維。在日內瓦歐洲粒子研究中心建造的大型

11、強子對撞機，當粒子接近光速在隧道中反向運動碰撞時，如果能量充足，部分殘骸會從我們的維度中噴出，進入其他維度。我們如何觀測到呢？測量撞擊前后能量的變化，如果能量減少了，說明能量逃逸了，如果它們是以計算出的模式逃逸，就可以證明額外維度的存在怎樣證明超弦理論是正確的在超弦理論當中，十一維空間中存在一個超弦理論的爭議無法獲得實驗證明的原因之一是目前尚沒有人對弦理論有足夠的了解而做出正確的預測，另一個則是目前的高速粒子加速器還不夠強大。科學家們使用目前的和正在籌備中的新一代的高速粒子加速器試圖尋找超弦理論里主要的超對稱性學說所預測的超粒子。超弦理論的爭議無法獲得實驗證明的原因之一是目前尚沒有人對弦理雖然歷史上，弦理論是物理學的分支之一，但仍有一些人主張，弦理論目前不可實驗的情況，意味著它應該（嚴格地說）被更多地歸為一個數學框架而非科學。一個有效的理論，必須通過實驗與觀察，并被經驗地證明。不少物理學家們主張要通過一些實驗途徑去證實弦理論。一些科學家希望借助歐洲核子研究組織（CERN，Conseil European Pour Recherches Nucleaires）的大型強子對撞機，以獲得相應的