| 词条 | 超弦 |
| 释义 | § 物理名词解释 超弦超弦理论(Superstring theory)是物理学家追求统一理论的最自然的结果.阿尔伯特·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.超弦理论它属于弦理论的一种，也指狭义的弦理论。这里的“超”有超对称性的意思。为了将玻色子和费米子统一，科学家预言了这种粒子，由于实验条件的限制，人们很难找到这种能够证明弦理论的粒子。超弦理论作为最为艰深的理论之一，吸引着很多理论研究者对它进行研究。五种弦圖 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. § ＮＥＷＳ速递 最近由来自英国牛津大学的物理学教授布赖恩·福斯（Brian Foster）特身着围裙，正在用厨具演示超弦理论， 英国小提琴家杰克·黎贝克（Jack Liebeck）则时而作为助手站在他的旁边，递给他形态不同的空心粉、漏斗等东西充当演示抽象的物理学原理的道具，时而为听众演奏巴赫的名曲。 这一幕于日前分别在在广州、上海、北京、重庆四个城市上演，这是一场被称为 “超弦之音——琴迷阿尔伯特·爱因斯坦”的大型科普讲座暨音乐演奏会，由英国文化协会和北京市科学技术委员会共同主办。它巧妙地将阿尔伯特·爱因斯坦的现代物理学理念与他最喜爱的乐器小提琴结合在一起，成为艺术与科技联袂的精彩试验。 § 问题与争论 超弦來源(圖一) 虽然历史上，弦理论是物理学的分支之一，但仍有一些人主张，弦理论目前不可实验的情况，意味着它应该（严格地说）被更多地归为一个数学框架而非科学。一个有效的理论，必须通过实验与观察，并被经验地证明。不少物理学家们主张要通过一些实验途径去证实弦理论。一些科学家希望借助欧洲核子研究组织（CERN，Conseil European Pour Recherches Nucleaires）的大型强子对撞机，以获得相应的实验数据——尽管许多人相信，任何关于量子引力的理论都需要更高数量级的能量来直接探查。此外，弦理论虽然被普遍认同，但它拥有非常多的等可能性的解决方案。因此，一些科学家主张弦理论或许不是可证伪的，并且没有预言的力量。 由于任何弦理论所作出的那些与其他理论都不同的预测都未经实验证实的，该理论的正确与否尚待验证。为了看清微粒中弦的本性所需要的能量级，要比目前实验可达到的高出许多。弦理论具有很多数学兴趣的特性（features of mathematical interest）并自然地包含了标准模型的大多数特性，比如非阿贝尔群与手性费米子（chiral fermions）。因为弦理论在可预知的未来可能难以被实验证明，一些科学家问，弦理论甚至是否应该被叫做一个科学理论。它现在还不能在波普尔的意识（the sense of Karl Popper）中被证伪。但这也暗示了弦理论更多地被看做建设模型的框架。在同样的形式中，量子场论是一个框架。 弦理论的思想为物理学带来了一个建议上超越标准模型的巨大影响。例如，虽然超对称性是组成弦理论的重要一部分，但是那些与弦理论没有明显联系的超对称模型，科学家们也有研究。因此，如果超对称性在大型强子对撞机中被侦测到，它不会被看做弦理论的一个直接证明。然而，如果超对称性未被侦测出，由于弦理论中存在只有以更加更加高的能量才能看出超对称性的真空，所以它的缺乏不会证明弦理论是错误的。相反，如果日食期间观测到太阳的引力未使光按预测的角度偏转，那么爱因斯坦的广义相对论将被证明是错误的。（广义相对论当然已被证明是正确的。） 在更数学的层次上，另一个问题是，如同很多量子场超弦來源(圖二) 论，弦理论的很大一部分仍然是微扰地（perturbatively）用公式表达的（即为对连续的逼近，而非一个精确的解）。虽然非微扰技术有相当大的进步——包括猜测时空中满足某些渐进性的完整定义——一个非微扰的、充分的理论定义仍然是缺乏的。 物理学中，弦理论有关应用的一个中心问题是，弦理论最好的理解背景保存着大部分从时不变的时空得出的的超对称性潜在理论：目前，弦理论无法处理好时间依赖与宇宙论背景的问题。 前面提到的两点涉及一个更深奥的问题：在弦理论目前的构想中，由于弦理论对背景的依赖——它描述的是关于固定时空背景的微扰膨胀，它可能不是真正基础的。一些人把独立背景（background independence）看做对于一个量子引力理论的基础要求；自从广义相对论已经是背景独立的以来，尤其如此。 § 关于弦理论的几个问题 1.什么是物 质组成的最终单元？ 輕子與夸克之「弦的閉合圈」-結構圖 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小而又小的振动的弦的闭合圈 (称为闭合弦或闭弦)，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 粗旷轮廓和特性，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。 2.量子力学的原理和广义相对论是相冲突的吗？ 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奇点仍然是一个没有解决的大问题。 宇宙大爆炸的初始奇點-演化圖 3.我们 生活在11维时空吗？ 第六代奇點「M弦理論」-結構圖 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。 § 弦论的未来 物理学家、《优雅的宇宙》（中译《宇宙的琴弦》）作者布赖恩·格林（Brian Greene）访谈 过去一谈到弦论，人们就感到头晕脑胀，就算是弦论专家也烦恼不已；而其他物理学家则在一旁嘲笑它不能做出实验预测；普通人更是对它一无所知。科学家难以同外界说明为什么弦论如此刺激：为什么它有可能实现爱因斯坦对大统一理论的梦想，为什么它有助于我们深入了解“宇宙为何存在”这样深奥的问题。然而从1990年代中期开始，理论开始在观念上统合在一起，而且出现了一些可检验但还不够精确的预测。外界对弦论的关注也随之升温。今年7月，伍迪·艾伦在《纽约人》杂志的专栏上以嘲弄弦论为题材——也许这是第一次有人用“卡拉比-丘”空间理论来谈论办公室恋情。 |
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