超弦理论 超弦理论，弦理论还只是停留在纸上的理论

第44章:超弦理论，弦理论只是停留在纸上的理论

除了标准模型，量子力学还发展了一些理论，试图将引力纳入一个大系统。我们将在本章介绍的弦理论，超弦理论，就是这样一种理论。

弦论又称弦论，是发展中的理论物理的一个分支，它结合了量子力学和广义相对论作为万物理论。弦论以一系列“能量弦”为基本单位，表明宇宙中所有微观粒子，如电子、质子、夸克，都是由这条一维“能量线”构成的。

早期建立的粒子理论认为所有物质都是由零维点粒子组成的，这也是目前被广泛接受的物理模型。它还成功地解释和预测了许多物理现象和问题，但基于这一理论的粒子模型遇到了一些无法解释的问题。相比之下，弦理论是基于波动模型的，因此可以避免前一种理论遇到的问题。

更深层次的弦论不仅描述了类弦物体，还包括了点状、膜状物体、更高维度空，甚至平行宇宙。目前，弦理论还不能做出可以通过实验验证的准确预测。

首先我的看法是我不太喜欢弦理论，尤其是关于高维空。但是弦理论是由波动模型发展而来的，仍然有一些理论可以被标准模型借鉴。

所以要多了解新的思维，新的事物，新的理论。一切都在变化，和谐却又不同。而想理解这个理论的人也很好。至少高等数学和物理比我们其他人好。

我们来看看弦理论的历史。有了前面40章的内容，大家基本都能看懂了。

弦理论的雏形是由加布里埃尔·维尼奇亚诺在1968年发明的。据说他原本是在寻找一个可以描述原子核内的强力的数学函数，然后在一本旧的数学书里找到了有200年历史的欧拉贝塔函数，可以描述他所请求的解的强力。

但据维尼奇诺自己说，这个函数是他多年努力的结果，“偶然发现”和“从数学书上发现”的传闻让他很不开心。不久之后，利昂纳特·苏斯金发现，这个函数可以理解为一个可以像橡皮筋一样扭动、晃动的小弹性“线段”，以后会发展成“弦理论”。

目前弦论学家普遍认为强子散射振幅公式是弦论的开端。这个公式来源于γ函数和B函数，先把两个强子描述成两个弦，然后合并成一个，再分裂成两个。这些弦扫过的区域称为世界平面，整个过程的概率幅度可以用量子力学来计算。

此外，在CERN工作的铃木美彦几乎同时独立查阅了相关数据，也发现了beta函数。当他把这个消息告诉欧洲粒子物理研究所的一位资深物理学家时，他得到的回应是:“另一位年轻的物理学家几周前发现了同样的功能。”并建议铃木不要公布他的结果。

弦理论不仅可以解释强力，还可以消除点粒子的无穷大。因为粒子的相互作用可以用费曼图来描述，所以粒子的相互作用点就相当于奇点，换句话说就是会造成无穷大。

量子场论中的重整化理论虽然可以求解无穷大，但是在量子的微观尺度上，充满了随机的量子涨落，结构层次的变化会使重整化不适用。这是因为当广义相对论中转移引力的介质可以看作一个整体空，当空的背景是量子尺度时，结构就不稳定，如果把量子力学的计算方法强行应用到广义相对论中，就会有局限性。所以如果用弦来描述粒子相互作用的费曼图，基本上不会有奇点，因为弦的轨迹就是世界平面。所以弦理论是量子引力的候选理论，有望完成物理学所追求的万物理论。

虽然弦论原本是想算出强力的作用方式，但后来的研究发现，所有粒子，如正负夸克、正负电子、正负中微子、四种基本力粒子，都可以用类似的方式表示为一个短的振动能量弦，各种粒子的区别也就只有这一根弦

最早的弦论叫玻色弦论，南部阳一郎给出了最早的作用量，但很难在场论框架内量化作用量。之后，亚历山大·泊里雅科夫给出了一个等价的作用量，其几何意义是把时间空坐标看作世界表面上的标量场，满足广义相对论在世界表面上的广义坐标变换规则。另外，如果要求动作量在外部变化下保持不变，那么自然会要求世界表面是二维曲面。

玻色弦论是弦论最简单的模型，它最重要的物理图像是物理粒子不是简单的点粒子，而是弦振动产生的激发态。显然，它有很大的缺点。首先，它简单描述了标量玻色子，没有将费米子引入框架；其次，它不包括一般量子场论中的规范对称性；再次，在研究它的质谱时，发现它的真空态是一群质量平方小于零的不稳定快子。这些问题在推广到超弦理论后都得到了很好的解释。超弦理论后面会介绍。

1995年，圣巴巴拉加州大学的约瑟夫·波尔钦斯基发现了弦理论的一个相当模糊的特征。他发现，在某个特殊的时间空区域中，开弦的端点不能完全自由移动。波尔琴斯基随后猜测，这些特殊空空间正式被P片占据。这些“粘性”膜被称为狄利克雷膜，或D-P膜。他的计算表明，D-P-膜是施加在弦端的力的来源，目的是将其限制在存在的P维空。

但并不是所有的弦都属于P膜。闭合的弦类似于引力子，可以在膜之间自由移动。在具有四种力的粒子中，引力子因此非常特殊。研究人员推测，这可能就是为什么在研究其他三种力时，没有办法发现高维空的存在。这三种力的介质粒子就是把自己限制在P膜中的开弦。在这个阶段，我们需要做的是对引力子做更详细的研究，以证明空在其他维度的存在。

另外，“弦论”一词最初是指26维的玻色弦论和超对称的超弦理论。在最近的物理学界，“弦理论”一般指“超弦理论”。为了便于区分，更早的“玻色弦论”被称为全称。

20世纪90年代，受二元性的启发，爱德华·威滕猜想有一个11维M理论。他和其他学者发现了有力的证据，表明10维超弦理论和11维超重力理论的5个不同版本，实际上应该是M理论的6个不同极限。这些发现导致了第二次超弦革命。

11维弦理论我曾经在《变》中批评过这样一个空的高维假设。我觉得这是一个数学游戏。不是现实的空。题目在高维空之间存疑。

弦理论之所以如此受关注，大部分原因是因为它很可能成为一个大统一理论。弦理论也可能是量子引力的解答之一，里面包含了很多内容。除了引力，它自然成功地描述了各种力，包括电磁力和自然界存在的其他力。超弦理论还包括费米子，费米子是物质的基本粒子之一。至于弦理论能否基于物理学中已知的所有力和物质成功地解释宇宙，还不得而知。到目前为止，研究人员还没有找到一个弦理论模型，它的低能量极限是一个标准模型。

额外维度是相对于“四维时间空”而提出的概念，一般是指从基于四维时间空的理论引申出来的其他维度。

爱因斯坦提出宇宙是由空组成的“四维时间空”。1926年，德国数学物理学家西奥多·卡鲁扎在四维时间空上增加了另一维度空，即增加了第五维度，改写了爱因斯坦的相对论方程。改写后的方程自然可以将当时已知的两种基本力，即“电磁力”和“重力”，统一为同一个方程。到目前为止，理论上的额外维度统称为“额外维度”。超弦理论中，一维时间介于十维空或九维空之间。

超弦理论的时间空维度既然是10维，自然会想到还有6个额外的维度需要收紧。当闭合弦收紧时，就可以找到所谓的t对偶；另一方面，可以发现开弦的端点留在这些超曲面上，满足狄利克雷边界条件。所以这些超曲面一般称为“D膜”。研究者将D片的动力学称为“矩阵理论”，这也是“M”的来源之一。

弦理论在未被实验证明之前，属于理论物理或哲学，不能完全视为物理。我们得不到实验证明的原因之一是没有人对弦理论有足够的了解来做出正确的预测，另一个原因是目前的高速粒子加速器不够强大。

科学家利用目前和准备中的新一代高速粒子加速器，试图寻找超弦理论中主要的超对称理论所预言的超粒子。但即使找到了超粒子，也仍然不是证明弦论的有力证据，因为它只是宇宙中存在的一个粒子，但至少说明研究方向没有错。

所以现阶段大家都知道，弦理论停留在理论阶段。离检查还有很长的路要走。我只是想让科学家们更加相信自己的感官。高维、超对称等概念。都是有疑问的，因为你想证明的一定是超越你想证明的，但是如果我们连我们想证明的都不能理解，那怎么谈证明呢？这是一个哲学前提，这也是我反对的原因。

这个理论可以发展，但是要在我们可以想象的范围内发展。不然就是纯粹的想象。

虽然弦理论是物理学在历史上的分支之一，但仍然有人认为弦理论目前不能实验，这意味着它应该被归类为数学框架而不是科学。一个有效的理论必须通过实验和观察得到经验的证明。

许多物理学家主张弦理论应该通过一些实验方法来验证。有科学家希望利用CERN的大型强子对撞机获得相应的实验数据——虽然很多人认为任何量子引力理论都需要更高阶的能量来直接探索。此外，虽然弦理论得到了一些物理学家的认可，但它有许多同等可能性的解。因此，一些科学家认为弦理论可能是不可证伪的，没有预测能力。

但我不认为这是可以证伪的，我们应该高兴。因为它没有预言的能量。没有预言的理论不是法律。

由于任何不同于其他理论的弦理论所做的预测都没有经过实验的验证，这个理论的正确性还有待验证。要看清粒子中弦的性质，所需的能级比目前实验所能达到的要高得多。弦理论在数学上有很多有趣的特性，自然包含了标准模型的大部分特性，比如非阿贝尔群和手征费米子。因为弦理论在可预见的未来可能很难被实验证明，所以有科学家问，弦理论是否甚至应该被称为科学理论。

但不得不承认，弦理论的思想给物理学带来了超越标准模型的巨大影响。比如，超对称虽然是弦理论的重要组成部分，但科学家们也研究过与弦理论没有明显关联的超对称模型。

所以，如果在大型强子对撞机中探测到超对称性，就不算是弦理论的直接证明了。但是，如果没有探测到超对称性，因为弦论中有一个真理空只能用更高的能量才能看到，它的缺乏并不能证明弦论是错的。反之，如果观测到日食期间太阳引力不按预测角度偏转光线，爱因斯坦的广义相对论就会被证明是错误的。实验证明了广义相对论的正确性。

在更数学的层面上，另一个问题是，和很多量子场论一样，弦理论很大一部分仍然是用一个带微扰的公式来表示的。虽然非微扰技术已经取得了相当大的进展——包括空满足一些渐进定义的假设——但仍然缺乏一个非微扰的、充分的理论定义。

在物理学中，关于弦理论应用的一个中心问题是，弦理论最好的理解背景保留了大部分由“时不变时间空”导出的超对称势理论:目前，弦理论无法处理时间依赖和宇宙学背景的问题。

以上两点涉及到一个更深刻的问题:在目前的弦论概念中，由于弦论依赖于背景——它描述的是固定时间空背景的摄动展开，所以可能并不是真正的基础。有人把背景独立性作为一个量子引力理论的基本要求；由于广义相对论的背景是独立的，这一点尤其如此。

摘自独立学者、诗人、作家、著名国学教师灵遁者的《见微知著》