弦理論簡介


先來作者總結:弦理論(超弦理論)實際上在目前是不可實驗的,而科學的重要定義是可重複、可實驗、數據化。那麽,在不可實驗隻是純理論的這樣一種說法可能更多地偏向于假說,而弦理論的來源其實也和哲學、玄學分不開關系。實際上,在現代物理界,許多理論都要從哲學、玄學裏汲取思想的營養;而這正好是證明了“理性”向“超理性”的方向在不斷拓展。現代的物理學使命正是“拓展(explore)”;而社會學科則更多地在“内爆(inplore,created-by-somebody,not-nobody,but-i-do-not-konw-who-he-is。)”向内部更深層次地挖掘。而人類要想突破已有的、禁锢的認知,就必須要對曾經摒棄、排斥的宗教思想甚至從原始的巫術崇拜裏找到認識世界的新途徑……

弦理論是發展中的理論物理學的一支,結合量子力學和廣義相對論爲量子引力。弦理論用一段段“能量弦線”作最基本單位以說明宇宙裏所有微觀粒子如電子、質子及誇克都由這一維的“能量線”所組成。中文文獻上,一般寫作“弦”或“絃”。較早時期所建立的粒子學說則是認爲所有物質是由零維的點粒子所組成,也是目前廣爲接受的物理模型,也很成功的解釋和預測相當多的物理現象和問題,但是此理論所根據的粒子模型卻遇到一些無法解釋的問題。比較起來,弦理論的基礎是波動模型,因此能夠避開前一種理論所遇到的問題。更深的弦理論學說不隻是描述弦狀物體,還包含了點狀、薄膜狀物體,更高維度的空間,甚至平行宇宙。值得注意的是,弦理論目前尚未能做出可以實驗驗證的準确預測,關于這一點,以下内文會說明。弦理論的雛形是在1968年由維内奇諾(gabrieleveneziano)發現。有說法稱,他原本是要找能描述原子核内的強作用力的數學函數,然後在一本老舊的數學書裏找到了有200年曆史的貝塔函數(歐拉),這函數能夠描述他所要求解的強作用力。事實并非如此,根據維内奇諾本人的說法,這個函數是他多年努力的結果,而那些“偶然發現”以及“從數學書中發現”的傳言令他本人很不高興。不久後李奧納特·蘇士侃發現,這函數可理解爲一小段類似橡皮筋那樣可扭曲抖動的有彈性的“線段”,這在日後則發展成“弦理論”。雖然弦理論最開始是要解出強作用力的作用模式,但是後來的研究則發現了所有的粒子(含反粒子),如正反誇克,正反電子(電子、正電子),正反中微子等等,以及四種基本作用力粒子(膠子、中間玻色子、光子、引力子),都能用類似方法表示成一小段的不停振動的能量弦線,而各種粒子彼此之間的差異隻是這弦線的長度、振動參數和形狀的不同而已。

最早期的弦論叫做玻色弦理論,南部陽一郎給予最早的作用量,[來源請求]但是該作用量在場論的框架内難以量子化。此後亞曆山大·泊裏雅科夫給予一個等效的作用量,其幾何含義是把時空坐标視爲一個世界面的标量場,并且在世界面上滿足廣義相對論的一般坐标變換規則。除此之外,如果要求這個作用量同時滿足在外爾變化下不變,那麽自然的會要求這個世界面是一個二維的曲面。玻色弦理論是最簡單的一個弦論的模型,它最重要的物理圖像是認爲物理粒子不是單純的點粒子,而是由于弦的振動産生的激發态。顯然它有很大的缺點,其一是它隻簡單描述标量玻色子,沒有将費米子引入框架内;其二沒有包含一般量子場論中的規範對稱性;其三是當研究它的質量譜時候發現,它的真空态是一組質量平方小于零的不穩定快子。所有這些問題在推廣到超弦理論後得到很好的解釋。超弦理論

另外,“弦理論”這一用詞所指的原本包含26維的玻色弦理論,和加入超對稱性的超弦理論。在近日的物理界,“弦理論”一般是專指“超弦理論”,爲了方便區分,較早的“玻色弦理論”則以全名稱呼。1990年代,受弦對偶的啓發,愛德華·維頓猜想存在一11維的m理論,他和其他學者找到強力的證據,顯示五種不同版本的十維超弦理論與十一維超引力論其實應該是m理論的六個不同極限。這些發現帶動了第二次超弦理論革新。弦理論與大統一弦理論會吸引這麽多注意,大部分的原因是因爲它很有可能會成爲大一統理論。弦理論也可能是量子引力的解決方案之一。除了引力之外,它很自然的成功描述各式作用力,包含電磁力和自然界存在的其他各種作用力。超弦理論還包含組成物質的基本粒子之一的費米子。至于弦理論能不能成功的解釋基于目前物理界已知的所有作用力和物質所組成的宇宙,這還是未知數。至今研究員仍未能找到一個弦論模型,其低能極限爲标準模型。額外維

額外維是相對于&“四維時空&“而提出的一個概念,一般泛指的是理論在四維時空基礎上擴展出來的其它維度。愛因斯坦提出宇宙是空間加時間組成的&“四維時空&“。1926年,德國數學物理學家西奧多·卡魯紮在四維時空上再添加一個空間維,也就是添加一個第五維,把愛因斯坦的相對論方程加以改寫,改寫後的方程可以把當時已知的兩種基本力即“電磁力”和“引力”很自然地統一在同一個方程中。至此,理論中存在額外添加的維度統稱爲“額外維”。超弦理論中是一維時間十維空間或九維空間。d-膜由于超弦理論的時空維數爲10維,所以很自然的可以認爲有6個額外的維度需要被緊化。當對閉弦緊化時,可以發現所謂的t-對偶;而對開弦緊化則可以發現開弦的端點是停留在這些超曲面上的,并且滿足dirichlet邊界條件。所以這些超曲面一般被稱爲“d膜”。研究員稱d膜的動力學爲“矩陣理論”(m理論),是爲“m”字之一來源。

在未獲實驗證實之前,弦理論是屬于哲學的範疇,不能完全算是物理學。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确的預測,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裏主要的超對稱性學說所預測的超粒子。但是就算是超粒子真的找到了,這仍不能算是可以證實弦理論的強力證據,因爲那也隻是找到一個本來就存在于這個宇宙的粒子而已,不過這至少表示研究方向還不是錯誤的。

雖然曆史上,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,意味着它應該(嚴格地說)被更多地歸爲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。[1]一些科學家希望借助歐洲核子研究組織(cern,conseileuropeanpourrecherchesnucleaires)的大型強子對撞機,以獲得相應的實驗數據——盡管許多人相信,任何關于量子引力的理論都需要更高數量級的能量來直接探查。[2]此外,弦理論雖然被普遍認同[原創研究?],但它擁有非常多的等可能性的解決方案。[3]因此,一些科學家主張弦理論或許不是可證僞的,并且沒有預言的力量。[4][5][6][7]由于任何弦理論所作出的那些與其他理論都不同的預測都未經實驗證實的,該理論的正确與否尚待驗證。爲了看清微粒中弦的本性所需要的能量級,要比目前實驗可達到的高出許多。弦理論具有很多在數學上很有意思的特征(featuresofmathematicalinterest)并自然地包含了标準模型的大多數特性,比如非阿貝爾群與手性費米子(chiralfermions)。因爲弦理論在可預知的未來可能難以被實驗證明,一些科學家[8]問,弦理論甚至是否應該被叫做一個科學理論。它現在還不能在波普爾的哲學含義中被證僞。但這也暗示了弦理論更多地被看做建設模型的框架。在同樣的形式中,量子場論是一個框架。[9]弦理論的思想爲物理學帶來了一個建議上超越标準模型的巨大影響。例如,雖然超對稱性是組成弦理論的重要一部分,但是那些與弦理論沒有明顯聯系的超對稱模型,科學家們也有研究。因此,如果超對稱性在大型強子對撞機中被偵測到,它不會被看做弦理論的一個直接證明。然而,如果超對稱性未被偵測出,由于弦理論中存在隻有以更加更加高的能量才能看出超對稱性的真空,所以它的缺乏不會證明弦理論是錯誤的。相反,如果日食期間觀測到太陽的引力未使光按預測的角度偏轉,那麽愛因斯坦的廣義相對論将被證明是錯誤的。(廣義相對論當然已被證明是正确的。)在更數學的層次上,另一個問題是,如同很多量子場論,弦理論的很大一部分仍然是微擾地(perturbatively)用公式表達的(即爲對連續的逼近,而非一個精确的解)。雖然非微擾技術有相當大的進步——包括猜測時空中滿足某些漸進性的完整定義——一個非微擾的、充分的理論定義仍然是缺乏的。物理學中,弦理論有關應用的一個中心問題是,弦理論最好的理解背景保存着大部分從“時不變的時空”得出的的超對稱性潛在理論:目前,弦理論無法處理好時間依賴與宇宙論背景的問題。前面提到的兩點涉及一個更深奧的問題:在弦理論目前的構想中,由于弦理論對背景的依賴——它描述的是關于固定時空背景的微擾膨脹,它可能不是真正基礎的。一些人把獨立背景(backgroundindependence)看做對于一個量子引力理論的基礎要求;自從廣義相對論已經是背景獨立的以來,尤其如此。

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