超弦理论与虫洞

超弦理论与虫洞

摘要：超弦理论是建立在“波导模型”基础上的、从微观角度上阐述物质构成和宇宙性质的新理论。本文从爱因斯坦和霍金的基本理论研究出发，对超弦理论做了较为具体的概述，以及由此而扩展开的关于通过虫洞进行时空旅行的不可行性分析。

关键词：超弦理论，相对论，虫洞，时空旅行

Abstract: Superstring theory based on the model of waveguide is a kind of newly-found theory which can explain the constitutions of substance and characters of universe. This thesis elaborates the conception of superstring theory and contains further analysis about travelling through wormhole according to the theories of Einstein and Hawking.

Keywords:superstring theory, relativity theory, wormhole, trip through time

一、引言

二十世纪的物理学有两次大的革命: 一次是狭义相对论和广义相对论; 另一次是量子理论的建立。经过人们的努力, 量子理论与狭义相对论成功地结合成量子场论, 这是迄今为止最为成功的理论。两个理论差不多所有的预言都在实验上被物理学家以难以想象的精度证实了。但同样的这两个理论工具, 却无情地把我们引向一个痛苦的结论: 量子场论和广义相对论是不相容的。

爱因斯坦毕生都在寻求完成两种理论的统一，找到一种宇宙大一统的定律，但没有成功。现在已经知道, 自然界中除有引力之外的3 种都可用量子理论来描述, 电磁、弱和强相互作用力的形成是用假设相互交换“量子”来解释的。但是, 引力的形成完全是另一回事, 爱因斯坦的广义相对论是用物质影响空间的几何性质来解释引力的。在这一图像中, 弥漫在空间中的物质使空间弯曲了, 而弯曲的空间决定粒子的运动。人们也可以模仿解释电磁力的方法来解释引力, 这时物质交换的“量子”称为引力子, 但这一尝试却遇到了原则上的困难—- 量子化后的广义相对论是不可重整的, 因此, 量子化和广义相对论是相互不自洽的。因此量子场论和广义相对论应该在一个更大的理论框架里统一起来。现在这一更大的理论框架已初显端倪, 它就是超弦理论。超弦理论是物理学家追求统一理论的最自然的结果。

二、正文

两种基本的时空观

1、基本粒子构成物质世界

众所周知，物质是由原子组成，而原子由原子核和电子组成，原子核又由质子和中

子组成，质子和中子又由夸克组成。科学家发现，夸克和电子都不可再分了，似乎是没有内部结构的点粒子，因此把它们称为基本粒子。基本粒子是一切物质的基本单元，就像英语里的“字母”一样。

但是，已知的基本粒子并不仅仅是夸克和电子两种，而是多达数百种，而且，每一种基本粒子都有它们的反粒子。我们现在把所有的基本粒子分为三大类，通常称为“族”：轻子族，包括电子、中微子等；夸克族，包括上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克和底夸克这六种夸克和各自的反夸克；媒介粒子族，包括光子、胶子等。非常奇怪的是，除了夸克和电子外，大部分基本粒子都不组成更大的物质结构，例如，中微子总是在宇宙中独来独往，不与其它物质发生相互作用；媒介粒子则只在其它粒子间传递力的作用；还有很多粒子像介子、超子等都极不稳定，通常在极短时间内衰变成其它粒子。

这些基本粒子性质各不相同的原因是什么？它们为什么在不停地自旋？这些不同的粒子还能不能找到更深层的、统一的内部结构？

2、普遍存在的四种力

宇宙中存在着各种类型的力，是它们把散沙般的基本粒子结合在一起，组成了各种各样的物质，并安排了宇宙间的秩序。这些力从本质上都可归结为四种基本力：引力、电磁力、强力和弱力。

四种力的相对强度以及作用范围都有着巨大的区别。从相对强度上来说，假定以电磁力的强度为一个单位强度，则强力要比这个单位大出100倍，弱力只有 1/1000，引力小到几乎是可以忽略不计的：在微观世界中，它只有电磁力的1040分之一！从作用范围上来说，引力的作用范围是宇宙范围的；电磁力的作用范围在理论上可以达到无限远，但实际上，大多数物体正负电荷相互抵消，其外部都呈电中性；而强力和弱力的作用范围则极小，只能在粒子范围内发生作用。这四种强弱悬殊、性质各异的基本力，完全控制了我们的宇宙。

爱因斯坦的广义相对论，在更大的范围内解释了引力，统一了引力场；量子理论又从微观解释了电磁力、强力和弱力。广义相对论与量子理论不能统一，成为现代物理学最核心的灾难。人们很难相信，在宇宙的微观层面和宏观层面，居然不是一个统一连贯的整体，我们对宇宙最深处的认识居然是由两个分裂的理论拼接起来的。

那么，如何才能统一我们的宇宙认识？有没有一个完整的理论来解释宏观和微观的差别呢？随着科学家不断的研究探索，一种新的理论渐渐浮现出来，日趋完善——超弦理论。

超弦理论的模型

1、粒子变成弦

自20世纪60年代以来，弦理论逐渐被科学家所认可：弦理论认为，构成物质的最基本单位不是粒子，而是一条一维的曲线——“弦”。在每一个基本粒子内部，都有一根细细的弦在振动，就像小提琴琴弦的振动一样。它的弦长为

一个单位的普朗克（Planck)）长度，即为

-33

1. 610cm

⨯。我们会有这样的直观印象，拨动吉

他一根弦，你会听到一个音。拨动另一根弦，你会

听到另一个不同的音调，因为不同的弦振动的模式

不同。一个音乐家可以只通过一个吉他的六弦合奏，

使这些弦在不同频率振动，于是创造出了无数美妙的图一，弦的想象图

音乐。像琴弦的不同振动模式弹出不同的乐音那样，粒子内部的弦也有不同的振动模式，只不过这种弦的振动不是产生什么音乐，而是产生一个个粒子。不同粒子的性质由弦的不同振动行为来决定，电子是以某种方式振动的弦，上夸克又是以另一种方式振动的弦，如此等等。

2、弦理论基础——“波动模型”

弦的振动形式是建立在一种类似“波动模型”的基础之上。弦分为开弦和闭弦。其中开弦像琴弦一样，有端点；而闭弦如同橡皮筋，首尾相连，没有端点。

开弦的振动分为基频和泛频。第n个泛频频率为

n

2l = n

λ(l：弦长)。所以当n=0时，可以描写弦的

匀速直线的整体自由运动，开弦端点也能反射弦上

的波动而形成驻波。n=1时，称为元振动模式，和琴

弦类似，其他第n个振动的频率是元振动频率的n倍。

n的不同取值对应开弦的不同模式。弦振动相当于无

穷多个谐振子的谐振动。

图二开弦振动模式示意图闭弦的振动模式由于没有反射波的端点，所以只有左旋和右旋的行波。