超弦理论、M理论和量子力学 Flash

超弦理论、M理论和量子力学Flash NOVA弦理论科普片之一。其它的有兴趣自己上网搜吧。

爱因斯坦在生命的最后30年里一直在寻找统一场论--一个能在单独的包罗万象的协和的数学框架下描写自然界所有力的理论。爱因斯坦这样做的动机不是我们常想的那些与科学研究紧密相关的东西，例如，为了解释这样或那样的已知现象或实验数据。

实际上，驱使他的是一种关于自然界基本规律内在美的信念：对宇宙的最深刻认识将揭示它的最真实秘密，那就是，它所依赖的原理是简单而有力的。爱因斯坦渴望以前人从未成功达到过的清晰来揭示宇宙活动的奥秘，由此而展示的自然界的动人美丽和优雅，将让每一个第一次知道的人产生有生以来最强烈的敬畏、惊讶和震撼。

弦理论或者超弦理论是那些象量子和夸克等等已经溶入大众词典的诸多新科学专用词汇之一，但它们却很少能被人解释清楚。即使会议的参加者也会告诉你，超弦理论，象许多新兴科学和研究领域一样，涉及了许多高前沿的数学领域，并不是很容易能把握的。超弦理论到底是什么呢?简单说来，我们可以这样来定义超弦理论：

(1)超弦理论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论；

(2)超弦理论认为弦是物质组成的最基本单元，所有的基本粒子如电子、光子、中微子和夸克都是弦的不同振动激发态；

(3)超弦理论第一次将二十世纪的两大基础理论-广义相对论和量子力学-结合到一个数学上自冾的框架里；

(4)超弦理论有可能解决一些长期困绕物理学家的世纪难题如黑洞的本质和宇宙的起源。

(5)超弦理论的实验证实将从根本上改变人们对物质结构、空间和时间的认识。

首先，我们发现，弦理论描述自然界的活动还真有几分科学幻想的成份。

举例来说、弦理论描述的世界并不是我们肉眼所看到的三维空间和一维时间。

合理的解释是那些额外的空间维数没有被观测到是因为它们很小很小。要理解

弦理论的高维属性并不困难。(参见《宇宙的琴弦》P.180-181)

在弦理论中就有许多这样极小的额外空间维数，因此，微观世界并不象我

们普遍感觉到的世界那么简单。在宏观尺度上，弦理论也可能用来解释宇宙大

爆炸的开始和黑洞内部的行为，而这些问题是以前的物理理论包括爱因斯坦的

广义相对论都失效的地方。现在发展的弦理论是有关时间和空间的量子理论，

因此理论看起来也就显得非常非常的奇怪。弦理论的一个基本观点就是自然界

的基本单元不是象电子、光子、中微子和夸克等等这样的粒子，这些看起来象

粒子的东西实际上都是很小很小的弦的闭合圈(称为闭合弦或闭弦)，闭弦的不

同振动和运动就给出这些不同的基本粒子。因此弦理论从一些非常基本和简单

的单元就能得到宇宙的无穷变化和复杂性。在弦理论中，人们自然地可以得到

规范对称性、超对称性和引力，而这些原理在原有的标准模型中或者是强加进

去的或者是与量子理论相冲突的，在弦理论中它们都协和地统一起来了，并且

是彼此需要、独一无二的。

在此我们不得不提到超弦理论成功地解释了黑洞的熵和辐射，这是第一次

从微观理论出发，利用统计物理和量子力学的基本原理，严格了导出了宏观物

体黑洞的熵和辐射公式，毫无疑问地确立了超弦理论是一个关于引力和其他相

互作用力的正确理论。从1984年底开始，当人们认识到超弦理论可以给出一个包容标准模型的统一理论之后，一大批才华横溢的年轻人自然地投身到超弦理

论的研究中去了。经过人们的研究发，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。将5种超弦理论和十一维超引力统一到M

理论无疑是成功的，但同是也向人们提出了更大的挑战。M理论在提出时并没

有一个严格的数学表述，因此寻找M理论的数学表述和仔细研究M理论的性质就成了这一时期理论物理研究热点。

道格拉斯(Douglas，MR)等人仔细研究了D-膜的性质，发现了在极短距离下，D-膜间的相互作用可以完全由规范理论来描述，这些相互作用也包括引力相互作用。因此，极短距离下的引力相互作用实际上是规范理论的量子效应。基于这些结果，班克(Banks，T)等人提出了用零维D-膜(也称点D-膜)作为基本自由度的M理论的一种基本表述-矩阵理论。