宇宙的琴弦（上）mabo01@baidu.comBaidu Si-Fi Group: 1375819

为什么会出现弦论？

它解决了什么问题？

弦论的思路、概念和现状？

弦论的困境

物理学的困境

先简要的说一遍（10 min）

稍详细的说一遍（50 min）

考虑到题目的生僻和时间的限制

从量子力学和相对论开始

量子力学研究微观尺度的物质和现象

. 能量：量子态（普朗克、爱因斯坦）

. 物质：一切微观粒子都具有波粒二相性（德布罗伊）

. 粒子在空间中的运动用波方程描述（薛定谔）

. 波方程描述的不是粒子的轨迹，而是出现概率（波恩）

. 系统状态之间遵循“不可测”原理（海森堡）

. 场：量子场论（狄拉克）

结果：微观世界变成了汹涌的量子波浪和泡沫；经典因果律失效（量子纠缠和塌缩）

相对论研究宏观大尺度的物质和现象

. 光速不变性公理

. 相对性原理（狭义相对论）

. 同时性消失

. 时间膨胀

. 空间压缩（洛伦兹压缩）

. 等效性原理（广义相对论）

. 引力场对空间的扭曲

. 引力场对时间的扭曲

. 膨胀的宇宙

结果：宏观世界：时间和空间是一回事；时空和每个人的运动状态相关；时空在引力场中扭曲；宇宙非静止不动的

无比妖孽的两个理论各自NB的解释

着世界的一个方面，直到遇上……

黑洞核心

. 由广义相对论预言（1916），并得到观测证实

（1971，天鹅座X-1）

. 质量密度/引力大到相对论效应极其明显

. 尺度小到必须考虑量子效应（黑洞蒸发和辐射）

大爆炸原点

. 膨胀宇宙：

. 广义相对论预言（1915）

. 哈勃观测验证（1929）

. 通过广义相对论对宇宙膨胀进行时间反演

. 质量密度/引力极大

. 尺度极小

在这种 条件下两者水火不相容，

也就是说：两者不可能都是正确的

引力极大尺度极小

广义相对论要求平滑一致的时空结构，

容不下量子力学在微观尺度（时空）上永不停息的涨落

以量子力学为基础的各种“统一”理论中没有引力的位置

（四种力无法统一：靠近粒子的引力会无限增大）

对圣杯（T.O.E）的追求由来已久……

. 爱因斯坦 - 统一场论 - 失败

. 狄拉克 - 狄拉克方程 - 局部有效

. 量子场论（对场的量子化）- 局部有效

. 标准模型/大统一理论 - 对实验解释很成功，但尚未证实或证伪

. 希格斯玻色子负责引导规范变换中的对称性自发破缺，是惯性质量的来源,是整个“标准模型”基石。. 弱电对称破缺. 不包含引力

万物、万象真的只是一根振动的弦么？

. 粒子不是点状的，而是一维的小环

. 不同的粒子和性质是闭合环不同的振动模式

. 超弦具有11维的时空结构（10空间+时间）

. 弦（的7个空间维度）卷曲（紧化）成3维空间

. 卷曲的空间中包含了汹涌的量子涨落

. 引力和光滑的时空观念在比弦尺度还小的距离下失去了意义

. 时空量子泡沬由“弦几何”代替了

. 相对论和量子力学的统一（通过高维空间，四种力统一）

. 用量子引力理论包含了引力

. 带来了对时空的新认识（空间的膜结构和平行宇宙）

. 验证：惰性中微子；贝肯斯坦-霍金熵相关的黑洞难题

. 预言了超粒子的存在，尚未实验证实

. 质疑不断，也不是唯一的希望（环量子引力理论）

对所有基本粒子！

卡拉比-丘空间

～ 5 min ~

稍详细的说一遍（50min）

关于物质的知识

需要先简要的回顾两点……

关于时空的知识

古希腊人猜想物质是由原子构成的

1930s 原子的太阳系模型（汤姆逊、卢瑟福、玻尔、查德威克）

电子、质子和中子就是原子

1968 夸克被发现（盖尔曼）

物质是由电子、上夸克和下夸克构成的

1956 中微子被发现（泡利|雷恩、柯万）

1936 μ子被发现（卡尔.安德森|超重版的电子|电子兄弟：第二代轻子）

1973 第三类夸克（顶和底）被预言（ 小林诚和益川敏英|1995 被发现）

1974 桀夸克被发现（ 哈伊姆·哈拉里）

1974 魅夸克（J粒子）被发现（ 丁肇中）

六种夸克和一队电子兄弟

1977 τ子被发现（电子兄弟：第三代轻子）

每一种粒子都存在对应的反粒子

对物质的认识是曲折的，如果不是混乱的话

人们对它们进行分类…

按费米-波色子分类：

希格斯玻色子

玻色-爱因斯坦凝聚

费米-狄拉克统计

族族族1 2 3

轻子 电子 u子 T子

中微子 电子-中微子 u-中微子 T-中微子

夸克上 桀 顶

夸克下 魅 底

物质分为3族，每族包括1个电子（兄弟）和2个夸克

同一行内质量依次增大，性质完全相同

为什么是3族，而不是4族或者1族？

为什么粒子质量似乎是随机分布？

为什么周围世界只需要电子和上下夸克（第1族）？

为什么有些粒子不遵循这样或者那样的对称？

按性质和质量关系分类：

力使问题更复杂了

四种基本力：引力、电磁力、强力、弱力

力的共同点

所有的力都关联着一个粒子（重子、轻子、介子）

力的“大小”由“荷”决定

力的困惑

为什么是4种，而不是5种？

为什么特性差异如此巨大？ . 引力比电磁力小38个数量级

为什么引力如此特殊？

这些粒子和力为什么是 这样的 性质？

这些粒子和力本质上存在什么样的 联系？

标准模型包含十二种“味道” 的费米子

每种夸克都有不同的“颜色”和“味道”

描写粒子和力需要19个量

这些量的取值和性质似乎是任意的

标准模型是从数据/实验到数据/实验的

力和物质的性质稍有改变，宇宙就大为不同

关于时空的知识（宏观）

对（牛顿）时空的重新思考起源于数学上的大收获

麦克斯韦方程（1855-65）

1. 电磁场的统一

2. 电磁扰动以恒速传递

爱因斯坦问：如果跑得和光一样快会怎样？

牛顿：光停了

Max：无静止的光（光速不变）

迈克耳孙-莫雷：实验证实了光速不变

以光速不变原理为公设，相对运动的观察者，所看到的世界是什么样的？

时间膨胀1

空间收缩2

同时性消失3

在时空中运动4

AAA B

C

以光速为上限5

E = mc2

A B

C

但是狭义相对论和牛顿引力理论不相容

太阳距地球1.5亿公里（8光分），如果太阳爆炸了，地球什么时候知道？

G

如何排除重力触发炸弹？

思维实验 - 封闭车厢(1)

不可分辨静止和匀速直线运动

相对性原理

思维实验 - 封闭车厢(2)

不可分辨引力和加速运动

等效性原理

靠对运动的认识，获得对引力的理解

思维实验 - 刚性转盘

C = 2Rπ

扭曲的空间和非欧几何

罗氏几何黎曼几何

等效性原理（加速度=引力）

刚性圆盘上的空间扭曲

引力导致空间扭曲

那（引力场中的）时间呢？

关于时空的知识（微观）

一份一份的能量，一份一份的暖气费

普朗克

杨氏双缝实验

简单至极深刻至极的实验的经典

幕

屏

光源

对这种古怪行为的描述，就是大名鼎鼎的薛定谔方程

哥本哈根解释

费曼解释

波方程是粒子在空间分布几率的描述

不需要为基本粒子联系上一个几率波粒子在空间的几率是到那一点所有可能路径的联合效应路径求和

量子力学的最核心原理—测不准

空间和时间的尺度越小，粒子的活动就越狂乱E=mc2 能量和物质 无中生有 有即为无

最诡异的现象—量子隧道

基本粒子的波函数（几率波）总有一小部分穿过了墙

～END ～

冲突

引力锦绣图景的破灭

人类物理学史上第三次

普朗克长度10e-33 m

也许

也许上帝就是运用两套设计语言

也许世界就是两组规则统治

相对论适用于宏观

量子管微观？

No!

爱因斯坦统一场论

狄拉克狄拉克方程

费曼量子场论

温伯格大统一理论

爱德华.惠藤 Edward Witten

超弦理.M-理论

从广义相对论建立的那一刻起（1912）

一百年来人类就从没有屈服过

难道它们是可以统一

甚至是彼此需要的么？

Yes!

量子场论

薛定谔方程（波方程）中遗忘了狭义相对论（E=mc2）放进去又取出来了（不符合氢原子实验）。

量子电动力学

相对论量子场论的一个分支 . 量子的：几率和不确定性是基础 . 场论：基于经典的麦克斯韦电磁场 . 相对论的：E=mc2

有史以来最精确的理论 .木下东一郎，电子性质，小数点后12位都得到了实验的证实

统一的历程 . 弱力于电磁力统一于“弱电场”分离于“对称破缺”（温伯格等） . 大统一理论：强、弱、电磁力的统一（1970s）：标准模型

除了引力，都统一了

而引力藏于广义相对论的堡垒内

统一的希望是“规范对称性”

引力是对称的：收到的作用力与运动状态无关

直觉

理论和实验

同种“颜色”的夸克间的相互作用是相同的

甚至颜色和位置发生了转移，相互作用也不变

其他三种力是否也是对称的呢？

强力对称性

规范对称的一种

理论

为使观察立场对称，广义相对论要求存在引力

规范对称性中，杨-米尔斯场要求存在X力（强、弱和电磁力）

为了把量子力学融入广义相对论，应该寻找一种引力的规范场理论

万物的琴弦

得来全不费工夫

1968 CERN的Veneaizno 研究强力的性质 偶遇200年前的欧拉β函数

但是为什么呢？2年后

用一维振动弦模拟基本粒子，则其性质可用欧拉β描述

南部阳一郎（美）2008年诺贝尔物理学奖

弦论实际是庞加莱猜想球面在三维空间收缩与扩张的对称性，在一维空间发生的对称性自发破缺。

2008年诺贝尔物理学奖授予对弦论和大爆炸宇宙论作出贡献的南部阳一郎和小林诚、益川敏英等三位科学家，但瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会的公报又绝不提类似有争议的“弦论和大爆炸宇宙论”等字眼，而变换为“弦论和大爆炸宇宙论”等理论中的主旋律—亚原子物理及其中的对称性自发破缺机制以及对称性破缺的起源。

但是1970s 量子色动力学（以点粒子为基础）正火

J.施瓦兹从“垃圾堆”里捡出了它，因为它“太美了”

但是它似乎管的太多了：包含了“多余”的信使粒子

施瓦兹和Scherk(巴黎高师)：这个信使粒子符合“引力子”

：弦论不单是强力的理论，而是包含了引力的量子理论。

但是如果（人为的限制）仅用它解释强力，则有过错误，没有人太在意它……

就这样，过了10年。

直到1984年……标准模型正让人疲惫和退却

格林和施瓦茨：弦论可以容纳4种基本力

1984～86 第一次超弦革命

搞理论物理的常常10年磨一剑

弦什么做的？

弦在怎么振动？

怎么就振出各种粒子了？

一边振一边怎么就相互作用了？

弦的振动模式怎么决定粒子的性质？

（质量、电荷、自旋、同位旋、磁矩、寿命...）

怎么就把引力场、引力子、引力规范对称包含了？

怎样调和广义相对论和量子力学的时空模型的？

怎样超越标准模型的？

TO BE CONTINUED...