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coldance

木虫 (正式写手)

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[交流] 简说---超弦理论

一，由古老数学而来，走向终极未来――弦理论历史

说起弦理论（或是超弦理论），其最早是20世纪六十年代被人类偶然发现的。当时的人们正在研究有关“强力”（自然界四种基本力中最强的力，将夸克组成质子和中子，将质子与中子束缚成原子核的力）的信使粒子（传导力的粒子）――“胶子”的性质时偶然发现，一个两百多年前的数学公式――欧拉B函数可以很好地解释强力及胶子的产生及作用机制。科学家们将物理学的概念带入数学公式，发现了其公式可以理解为是一种“弦”（就是线或线圈）的振动。由此，弦理论诞生了。

但是，用弦理论来解释强力因为某种原因继续下去变得十分困难，同时七十年代初，随着加速器的进步，人类对于亚原子结构的探索又更深了一层，“量子色动力学”产生了，它在量子场论的框架下很好的解决了有关强力的问题。所以，弦理论又被暂时搁置了。

后来，到了八十年代，格林和施瓦茨（两者都是当今最伟大的弦理论学家，至今仍十分活跃）通过持续的研究和努力克服解决了弦理论原来的缺点，并发现它其实不单单能够解释强力，其理论甚至有能力容纳自然界的全部四种基本力（强力，弱力，电磁力和引力）；不但如此，它甚至能缝合量子力学与广义相对论――同被人们在微观和宏观尺度上奉为经典理论的巨大鸿沟！又加之自95年兴起的第二次超弦革命（发现超对偶性，弥补了近似性计算为弦理论所造成的局限），这使得弦理论在当今最有望成为一个统一的，包含万有的理论（Theory Of Everthing ）！

二，喧闹与平静――两大理论之百慕大三角

爱因斯坦的相对论为我们带来的不仅仅是质能转化公式（能量等于质量乘以光速的平方），更重要的是，它革新了我们原有的时空观――自古以来，我们都认为这个宇宙只是我们人生的大舞台，它从远古就有，直到未来也不会有所改变――然则，相对论告诉我们，时空与其中所包容的物质都是相互联系相互影响的：物质的质量会对周围的空间产生作用，使之弯曲（如同在床上放一只保龄球，床会塌陷）；而空间的弯曲则会对物质的运动产生影响（床塌陷了，原本放在其上的小弹珠就会朝着塌陷滚动）。举个戏虐的例子，以前总是说少了你地球还照样转，而按照相对论的观点，少了你的话空间就会受影响，则地球肯定会受影响的，转虽然还是转，但是运动绝对会有所改变。

量子力学则在微观的尺度上为我们揭示了，其主要核心就是海德堡不确定原理，即对于一个微观粒子，我们不可能既明确的知道它的位置并且也知道它的运动状态，我们只能用概率来说明它的情况。事实上，量子力学认为物质都是波，物质波长公式表达为波长等于普朗克常数除以物体的动量。因为普朗克常数很小，所以它只能在微观粒子领域才得以被考察，我们才能够直接观测到光子的波动性而看不到人的波动性（假如普朗克常数很大，人的波动性也表现为几率问题，即你可以突然出现在食堂，也可能突然出现在教室，我们要找你的话只能说你出现在教室的可能性比较大。。。）

量子力学的一个推导结果表明，我们考察的距离越小，时间越短，空间将变得越疯狂，能量和动量也变得不确定起来，能量可以不断被借出来生成动量，形成一对对正反粒子对；而它们又迅速湮灭，还原成能量，由此，宇宙在微观尺度上变成一个疯狂的世界。

相对论与量子力学的分野由此产生，相对论的基础是认为空间的基本力学背景是平滑无杂波的，也就是在没有任何力出现的情况下，整个空间是完全水平的，没有任何突起或凹陷，而力的作用就是在这个空间内产生凹陷(引力)或突起(斥力)。量子力学认为在微观尺度下（具体来说就是普朗克长度，小数点后33个零厘米）整个背景空间就变得充满了随机涨落，也就是说相对论力学所要求的平滑空间事实上并不存在。于是若是要考察如黑洞的奇点一般的微观尺度下的大质量物体的话，我们似乎就走入了一个令人迷惘困惑的百慕大了。。。

然而，由八十年代的探索，我们知道了通过弦理论，似乎可以将自然界的四种力统一在一起，包括在微观尺度下产生作用的强力弱力电磁力，更重要的是包含进了虽然力本身很小，但是作用距离最大的，统治整个宇宙的引力。量子物理与相对论最集中的交点就是引力――表现为对时空是否平滑的不同理解――而引力正是由时空弯曲所产生的力。

三，万物的交响――弦的世界

传统观念认为，构成我们及世间万物的最基本的物质是原子。而现代粒子物理学告诉我们，原子也有它的更深一层的结构，它由原子核及包围着并绕它旋转的电子所组成。然而原子核也是可分的，它是由质子与中子所构成，并且质子与中子也有它们的微观结构，它们是由更小的夸克（构成质子或中子的夸克有两种，分别叫做上夸克与下夸克。。）通过强力的束缚所组成的。由此，自然界的已知基本粒子一共有四种――电子，中微子（只服从弱力作用的粒子，几乎无质量），上夸克与下夸克。通过更进步的加速器实验表明，还存在与之一一相对的另外两族基本粒子，它们是――μ子，μ子中微子，粲夸克，奇异夸克；τ子，τ子中微子，顶夸克，底夸克。以上三族12种粒子再加上力的信使粒子――胶子（强力），弱规范玻色子（弱力），光子（电磁力），引力子（引力）一起成为了传统物理学上的物质的本源与各种力场的基本。

但是按弦理论的观点，“万物”都是由一根根不断震动着的小线圈――“弦”所组成的。上面所述的各种“基本”粒子无论在质量上力荷上有着千差万别，但“弦”在本质上是毫无差别的！――只是因为振动的方式有所不同从而表现出不同的性质。由此，世界的本源由零维的点变成了一维的弦――弦就是弦，没有比它更微观的结构了，由它构成宇宙所有的一切――它便是我们可以考察的最小结构。我们之前所接触到的当代物理学上有关相对论与量子力学的冲突可以用弦理论来做很好的解释。以前，我们想象的所有物质的粒子和力的粒子都是点状的东西，没有或不考虑其的空间大小，所以，我们也总觉得要在任意小的尺度上考虑宇宙的性质。而在越走越窄的过程中，我们似乎走进了不可逾越的问题堆里。其原因是，我们还未掌握游戏规则，弦理论的规则告诉我们，我们在宇宙中将走进一个距离的终点――那实际上是说，我们传统的距离概念在超微观的宇宙中并不是无限适用的――而那个距离，便是弦的长度。（最新的弦理论“M理论”趋向认为最基本的结构不仅包括一维的弦，还有二维的膜，三维的液滴乃至更高维的一些东西，但现在我们在这里可以不予考虑）

那么，本节开头所说的那些点粒子又是什么呢？所谓的“弦”与其又有什么联系呢？要说明这个问题，得先考察一下我们所活跃的舞台――时空的特征和本质。

四，“果壳中的宇宙”――蜷缩的高维

第一节讲了弦理论因为是在解释强力的因子――胶子的性质时登上历史舞台的，但为何又迅速没落下去直到八十年代才又重新崛起的呢？那是因为那时的弦理论有一些缺陷，导致理论数值与后来的观测数值不符，加之量子色动力学（在量子力学框架下构建起来的强力理论）的建立所造成的。但是经过后人的总结研究，发现了原来问题的症结所在，那便是弦理论要我们变得更加的开放，要求我们拓展“弦”所施展才艺的舞台――也就是要我们拓展空间的维数。

在经过数学的推导证明后所得出的结论是：我们所生活的这个宇宙其实是一个10维的时空（最新的M理论认为是包含超引力的11维的时空），它是由三个延展的维――长宽高，加上六个蜷缩维――卷曲成“卡拉比-丘成桐流形”（也可以叫卡-丘空间）然后再加上一个时间维所构成的。我们人平常只能感知到空间的三个维度，其余六维高度蜷缩，长度只有普朗克级别（10的负33次方厘米）――长度太小，现阶段我们一般认为无法用任何办法来考察（M理论认为可以通过测量重弦来探测，但那也是2010年超级加速器制造完成以后的事了）；然而，我们前面所说的构成万物的“弦”却可以在所有的空间维度内振动，但是会受到六维空间（卡-丘空间，下同）的限制，具体来说的话就是卡-丘空间存在有空洞，空洞的大小和数量决定着弦的振动方式。

卡丘空间

那么我们在三节遗留下的问题就可以在这里来做个解释，那就是，弦在卡-丘空间内的不同的振动方式通过弦理论的公式可以转化为粒子物理里面的各种基本粒子的性质。也就是说，之所以会有三族12种基本物质粒子与4种基本力的携带粒子的区别就是在于相同的弦在卡-丘空间内的不同的振动状态所导致的――不仅如此，通过对于卡-丘空间形状的考察，在通过其对弦振动的影响，弦理论还能说明为什么那些基本粒子所表现出来的性质是这样的而不是那样的（质量的大小，力荷的强弱）――而这在粒子物理的框架下是无法说明的。

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