弦理論

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索
String theory.svg

弦理論是发展中的理論物理學的一支,结合量子力学广义相对论万有理论。弦理論用一段段“能量弦線”作最基本單位以说明宇宙里所有微观粒子如電子質子夸克都由這一維的“能量線”所組成。

較早時期所建立的粒子學說則是認為所有物質是由零維的點粒子所組成,也是目前廣為接受的物理模型,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只是描述弦狀物體,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確預測,關於這一點,以下內文會說明。

發展歷史[编辑]

弦理論的雛形是在1968年由維內奇諾Gabriele Veneziano)發明。有说法称,他原本是要找能描述原子核內的強作用力的數學函數,然後在一本老舊的數學書裡找到了有200年歷史的貝他函数欧拉),這函數能夠描述他所要求解的強作用力。事實並非如此,根據維內奇諾本人的說法,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,這函數可理解為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),如正反夸克,正反電子电子正电子),正反微中子等等,以及四種基本作用力粒子(胶子中间玻色子光子引力子),都能用类似方法表示成一小段的不停振动的能量弦線,而各種粒子彼此之間的差異只是這弦線的长度、振动参数和形狀的不同而已。

弦理論[编辑]

玻色弦理论[编辑]

最早期的弦论叫做玻色弦理论南部阳一郎给予最早的作用量[來源請求]但是该作用量在场论的框架内难以量子化。此后亚历山大·泊里雅科夫给予一个等效的作用量,其几何含义是把时空坐标视为一个世界面标量场,并且在世界面上满足广义相对论的一般坐标变换规则。除此之外,如果要求这个作用量同时满足在外尔变化下不变,那么自然的会要求这个世界面是一个二维的曲面。

玻色弦理论是最简单的一个弦论的模型,它最重要的物理图像是认为物理粒子不是单纯的点粒子,而是由于弦的振动产生的激发态。显然它有很大的缺点,其一是它只简单描述标量玻色子,没有将费米子引入框架内;其二没有包含一般量子场论中的规范对称性;其三是当研究它的质量谱时候发现,它的真空态是一组质量平方小于零的不稳定快子。所有这些问题在推广到超弦理论后得到很好的解释。

超弦理論[编辑]

另外,“弦理論”這一用詞所指的原本包含26維的玻色弦理論,和加入超對稱性超弦理論。在近日的物理界,“弦理論” 一般是專指“超弦理論”,為了方便區分,較早的“玻色弦理論”則以全名稱呼。1990年代,受絃對偶的啓發,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重力論其實應該是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

弦理論與大統一理論[编辑]

弦理論會吸引這麼多注意,大部分的原因是因為它很有可能會成為大統一理論。弦理論也可能是量子引力的解決方案之一,含有量很大。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。至於弦理論能不能成功的解釋基於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,其低能極限為標準模型

额外维[编辑]

额外维是相对于"四维时空"而提出的一个概念,一般泛指的是理论在四维时空基础上扩展出来的其它维度。

爱因斯坦提出宇宙是空间加时间组成的"四维时空"。1926年,德国数学物理学家西奥多·卡鲁扎在四维时空上再添加一个空间维,也就是添加一个第五维,把爱因斯坦的相对论方程加以改写,改写后的方程式可以把当时已知的两种基本力即“电磁力”和“引力”很自然地统一在同一个方程中。至此,理论中存在额外添加的维度统称为“额外维”。超弦理论中是一维时间十维空间或九维空间。

D-膜[编辑]

由于超弦理论的时空维数为10维,所以很自然的可以认为有6个额外的维度需要被紧化。当对闭弦紧化时,可以发现所谓的T-对偶;而对开弦紧化则可以发现开弦的端点是停留在这些超曲面上的,并且满足Dirichlet边界条件。所以这些超曲面一般被称为「D膜」。 研究員稱D膜的動力學為「矩陣理論」(M理论),是為「M」字之一來源。

简介[编辑]

物理或是哲學[编辑]

在未獲實驗證實之前,弦理論是屬於哲學的範疇,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確的預測,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裡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,因為那也只是找到一個本來就存在於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。

问题与争论[编辑]

虽然历史上,弦理论是物理学的分支之一,但仍有一些人主张,弦理论目前不可实验的情况,意味着它应该(严格地说)被更多地归为一个数学框架而非科学。一个有效的理论,必须通过实验与观察,并被经验地证明。不少物理学家们主张要通过一些实验途径去证实弦理论。[1] 一些科学家希望借助歐洲核子研究組織(CERN,Conseil European Pour Recherches Nucleaires)的大型强子对撞机,以获得相应的实验数据——尽管许多人相信,任何关于量子引力的理论都需要更高数量级的能量来直接探查。[2]此外,弦理论虽然被普遍认同[原創研究?],但它拥有非常多的等可能性的解决方案。[3]因此,一些科学家主张弦理论或许不是可证伪的,并且没有预言的力量。[4][5][6][7]

由于任何弦理论所作出的那些与其他理论都不同的预测都未经实验证实的,该理论的正确与否尚待验证。为了看清微粒中弦的本性所需要的能量级,要比目前实验可达到的高出许多。弦理论具有很多在数学上很有意思的特征(features of mathematical interest)并自然地包含了标准模型的大多数特性,比如非阿贝尔群手性费米子(chiral fermions)。因为弦理论在可预知的未来可能难以被实验证明,一些科学家[8] 问,弦理论甚至是否应该被叫做一个科学理论。它现在还不能在波普尔的哲学含义中被证伪。但这也暗示了弦理论更多地被看做建设模型的框架。在同样的形式中,量子场论是一个框架。[9]

弦理论的思想为物理学带来了一个建议上超越标准模型的巨大影响。例如,虽然超对称性是组成弦理论的重要一部分,但是那些与弦理论没有明显联系的超对称模型,科学家们也有研究。因此,如果超对称性在大型强子对撞机中被侦测到,它不会被看做弦理论的一个直接证明。然而,如果超对称性未被侦测出,由于弦理论中存在只有以更加更加高的能量才能看出超对称性的真空,所以它的缺乏不会证明弦理论是错误的。相反,如果日食期间观测到太阳的引力未使光按预测的角度偏转,那么爱因斯坦的广义相对论将被证明是错误的。实验证明了广义相对论的正确性。

在更数学的层次上,另一个问题是,如同很多量子场论,弦理论的很大一部分仍然是微扰地(perturbatively)用公式表达的(即为对连续的逼近,而非一个精确的解)。虽然非微扰技术有相当大的进步——包括猜测时空中满足某些渐进性的完整定义——一个非微扰的、充分的理论定义仍然是缺乏的。

物理学中,弦理论有关应用的一个中心问题是,弦理论最好的理解背景保存着大部分从“时不变的时空”得出的的超对称性潜在理论:目前,弦理论无法处理好时间依赖与宇宙论背景的问题。

前面提到的两点涉及一个更深奥的问题:在弦理论目前的构想中,由于弦理论对背景的依赖——它描述的是关于固定时空背景的微扰膨胀,它可能不是真正基础的。一些人把独立背景(background independence)看做对于一个量子重力理论的基础要求;自从广义相对论已经是背景独立的以来,尤其如此。

相關主題[编辑]

资料来源[编辑]

  1. ^ M. R. Douglas,Are There Testable Predictions of String Theory? February 2007 Texas A&M
  2. ^ 见e.g. E. Kiritsis, String theory in a nutshell. Introduction to Modern String theory, Princeton University Press, Princeton, N.Y. (2007)
  3. ^ S. Kachru, R. Kallosh, A. Linde and S. P. Trivedi, de Sitter Vacua in String Theory, Phys.Rev.D68:046005,2003
  4. ^ Peter Woit's Not Even Wrong weblog
  5. ^ P. Woit (Columbia University) String theory: An Evaluation,February 2001, e-Print: physics/0102051
  6. ^ P. Woit, Is String Theory Testable? INFN Rome March 2007
  7. ^ Lee Smolin's The Trouble With Physics webpage
  8. ^ Prominent critics include Philip Anderson ("string theory is the first science in hundreds of years to be pursued in pre-Baconian fashion, without any adequate experimental guidance", New York Times, 4 January 2005), Sheldon Glashow ("there ain't no experiment that could be done nor is there any observation that could be made that would say, `You guys are wrong.' The theory is safe, permanently safe", NOVA interview), Lawrence Krauss ("String theory [is] yet to have any real successes in explaining or predicting anything measurable", New York Times, 8 November 2005), Peter Woit (see his blog, article and book "Not Even Wrong", ISBN 0-224-07605-1) and Carlo Rovelli (see his Dialog on Quantum Gravity)
  9. ^ David Gross, Perspectives, String Theory: Achievements and Perspectives - A conference

參考出處[编辑]

外部連結[编辑]