宇宙的琴弦（下）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

弦

超弦

M理论

黑洞 大爆炸原点

对黑洞的解释

对大爆炸及宇宙演变的解释

对时空的认识（宏观）- 相对论

对时空的认识（微观）

对物质的认识量子力学

宇宙标准模型

粒子标准模型

对物质的认识

对时空的认识

对物质的认识 - 振动的弦

从（粒子）标准模型的缺点说起

1. 不能包含引力

2. 不能解释粒子和的组成

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

它把这些粒子及其性质（实验观测得来）当作

输入的原始输入

弦理论构造上的特点和优势

1. 弦论的立论概念是简单而优美的

2. 弦论不需要诸多输入参数，只需要一个确定测量尺度标准的数

不同的共振模式发出不同的音调

弦的不同的振动模式生成了不同的质量和力荷

质量决定于振动模式的能

量，能量决定于振动模式的

疯狂程度

从这个简单而优美的构思出发，我们得

到了和从前2000年迥然不同的物理图景

. 基本粒子是从不同的结构里分离出来的

. 每中粒子都是基本的，但各自的“基元”类型却不同

之前

弦论. 所有物质的和力的“基元”都是相同的，都是由一根弦组成

. 所有的弦都是绝对相同的

. 粒子间的区别是因为各自的弦以不同的模式振动

弦是粒子的指纹

弦是什么做的？

弦或者为开或者为闭，则它有空间结构，那它是由更小的结构组成的么？

1. 不可分的基元，问它的组成没有意义

2. 如果弦论错了，忘记这个问题

3. 出现了一些线索，暗示弦有更小结构

弦不同于点粒子独有的特性 - 张力

1974 谢尔克和施瓦兹：

- 某个特别的振动模式是引力子

- 通过间接“弹拨”弦的方法，预言了弦的张力

弦振动引力子传递的力 = K * 1/弦张力

引力非常小，则引力子的弦具有巨大的张力：

普朗克张力 - 10e39 T

硬弦

硬弦带来的结论：

普朗克长度 10e-33 m

长度：

能量：

- 遵从量子力学，弦振动所拥有的能量是某个最小单元的整数倍

- 张力巨大，则能量极高普朗克能量 1.22e19 GeV

质量： 遵从狭义相对论，能量极高，则质量极大

普朗克质量 2.176e-8 Kg

在普朗克张力作用下

振动模式： 弦能以无线多的不同的振动方式振动，

即预言了新粒子的存在

弦论中的引力和量子力学

弦论告诉我们 我们之所以碰到这些问题乃是因为我们没有真正懂得游戏规则 即：宇宙有最小的结构 不能在无限小的空间尺度下考虑宇宙的性质

泡利 狄拉克 费曼 都提出过大自然的基本组成可能不是点 而是点滴或者碎片

圈量子引力- 空间是离散的：最小长度是普朗克长度 最小体积是普朗克立方- 时间是离散的：最小时间是普朗克时间

普朗克尺度以下的涨落不过是从我们的理论生出来的

在弦论看来，普朗克长度以下的量子涨落是不存在的

点粒子模型为何无法解释引力

传递相互作用的信使粒子完全挤压在

一个点，带来灾难性后果，得到无限

大的结果，而弦把发生相互作用的地

方“抹开”了

超 弦

美在物理学中的位置

1919年

洛仑兹电：爱丁顿观测日全食验证广义相对论成立老爱学生：如果没有看到预测的星光弯曲怎么办？爱因斯坦：如果不是那样，我会为上帝感到遗憾。

理论物理学家的某些抉择是根据美学趣味作出的

有些是错的：以太统一了光、声、电、磁，却是错误的

有些是得诸多成功的：例如对称性

物理学定律的本质 - 对称性

对称性的例子：

宏观：空间平移 | 空间旋转 | 时间

微观：电荷对称（C）| 宇称（P）

人们对对称的认识

1967 科尔曼和曼都拉的错误证明除

1918 德国数学家艾米·诺特（A·E·Noether）诺特定理：

作用量的每一种对称性都对应一个守恒定律，有一个守恒量

自旋

1925 乌伦贝克和戈德斯米特发现

- 如果假定电子具有特别的磁性，

则光被原子发射和吸收的数据可以解释

基本粒子的内禀属性 - 质量、力荷、自旋

弦论：和质量、力荷一样，自旋也关联着弦的振动模式

1974 谢尔克和施瓦兹 弦振动中存在无质量自旋2的模式 - 引力子

带有量子力学色彩的旋转运动

1971 证明自旋包含数学上可能的自然规律的对称性，超对称

自旋运动是否也蕴含着某种对称性呢？

什么是超对称？

如果宇宙是超对称的，自然粒子必然成对出现，自旋相差1/2

即：一个费米子（1/2倍自旋）对应着一个玻色子（整数倍自旋）

弦论之前的超对称

1. 自然更美更调谐了

2. 超对称可以消除某些粒子相互作用过程中数据的矛盾

- 超对称标准模型 不再依赖敏感且难过的数字调节

- 费米子零点能为正 玻色子零点能为负

在超对称理论中各种参数和自由度对称后 零点能抵消

- 但实验死活没验证

仍不放弃的原因在于：它是自发对称破缺的

距离减小

力的强度

超对称对标准模型意义重大

若无超对称三种力不会完全趋于一点

超伙伴粒子，会产生新的量子涨落

正好能使三者强度趋于一致

关于 对称-规范 的八卦

1918 数学家外尔创立了包含规范原理的数学模型

规范原理

“认识对称性是了不起的事情，因为它能告诉我

们关于力的知识…有时我们从对称性只能得到力

的这样或者那样的一部分知识，但也有特殊情

况，对称能完全确定力。所谓规范力就属于这种

情况…认识对称可以确定一个力的所有性质，这

是20世纪物理学最重要的发明之一。这种思想就

是规范原理的精神。”

—— Lee Smolin

爱因斯坦不相信外尔的理论

外尔创立了统一的现代概念，最终导致了弦理论

1918 数学家艾米·诺特：诺特定理

关于 对称-规范 的八卦（二）

外尔NB到什么程度？

被称为对物理学方程思考最深刻的大师之一，正是他认识到：

- 麦克斯韦方程完全可以用规范力来解释（1918）

- 1950s 人们怀疑是否其他场也能用规范原理来构造

- 确实可以：以不同基本粒子对称性上构造场论，被称为

“杨-米尔斯”理论

标准模型的基础：

- 规范对称力通过规范波色子传递

电磁 - 光子 | 强力 - 胶子 | 弱力 - 弱玻色子

而 杨-米尔斯 场：

弦论中的超对称 - 核心

没有引入超对称的弦论也是不堪的

最初 玻色子弦论（仅解释玻色子）

-> 存在快子问题

-> 加入超对称 -> 诞生超弦理论

1 避免快子

2 解释费米子

3 说明物质粒子

弦论：要求超对称，则如果超对称挂了，弦论就散了

但反过来说：发现了超粒子只是验证了超对称，并未证明弦.

离开了超对称，标准模型也不完美了（本来就不完美）

但超弦就彻底挂了

如果从超弦打回弦论，则日子非常难过：微扰论

快子

玻色子弦论中，存

在一种振动模式的质量

的平方是负数

超对称和弦论能喜结连理么？

超对称可以通过5种不同的方式进入弦论，从而产生5种弦论

I型

IIA型

IIB型

杂化O型

杂化E型

每一种方式都能生成成对的

玻色-费米子振动模式

但生成的粒子对的具体性质和理论的

许多性质都存在着巨大的不同

5种超弦理论的统一：M理论 by 爱德华.惠藤

1995 第二次超弦革命

格林和施瓦茨：弦论可以容纳4种基本力

1984 第一次超弦革命

对时空的认识 - 弦或卷或舒

习惯的错觉

1919 波兰数学家卡鲁扎：时空不是 3+1 而是更多

高维时空并不是弦的发明

1914 诺德斯特罗姆（芬兰）：通过增加一个空间维度，可以统一引力场和电磁场

1915 爱因斯坦正忙于建立广义相对论，并没有接受这个理论

诺氏：麦克斯韦电磁场应用于5维时空，建立引力

卡氏：广义相对论应用于5维时空，建立引力

1919 爱因斯坦着迷了，但是错了

成功的统一思想，必须：

1. 经过实验验证新的预言

2. 还会进一步引出新的思想

. 卡氏的理论要求多出的空间维卷曲成看不见的小圈，

且圆圈的半径必须是固定的，在时间和空间上都不变

. 而在广义相对论中，多出的一维（圆圈）应该是成

为动力学的（允许变化的）

. 但一旦这样，卡氏的理论将得到无穷多个解，且很

容易塌缩成一点

更多的力，需要更多的维——现代卡鲁扎-克莱茵理论

统一的场的理论不是无处可寻，而是一地鸡毛：统一太容易了，只要引入更多的空间维到广义相对论，描述强力和弱力的场就出现了，但必须要求这些额外的维度卷曲起来——弦论！

最后，将广义相对论应用于高维空间，杨-米尔斯场就出现了这是1950s才发现的事实，其意义到1970s才显现

多维的弦理论：花招？还是真理？

不同于之前的统一理论，弦理论要求更多的空间维

初期的弦理论会出现负概率问题

计算结果强烈依赖于弦的独立振动方向的数目

负概率产生的原因在于 振动方向 与 实际表现的方向 不相称

如果弦能在9个独立空间方向上振动，则负概率问题消失

多维的空间什么样？

卡拉比-丘空间

3维展开6维卷缩

（卡-丘空间）1维时间

为什么需要9维？

目前只有纯数学解释，这可能是弦论种不借助数

学最难回答的一个问题

为什么3维是展开的，6维是卷缩的？

为什么没有更多的时间维？

物理学的困惑

2000 The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory

2005 The Fabric of the Cosmos: Space, Time, and the Texture of Reality

2007 The Trouble With Physics: The Rise of String Theory, The Fall of a Science, and What Comes Next

Lee Smolin

. 将广义相对论 与 量子理论 结合为一个真正完备的自然的理论

. 解决量子力学的基础问题：要么弄清理论所代表的意义，

要么创立一个新的有意义的理论

. 确定不同粒子和力能否统一在一个理论，

并将其解释为一个单独的基本作用

. 自然是如何选择粒子物理学标准模型中的自由常数值的

. 解释暗物质和暗能量：如果不存在，如何修正引力理论

2

1

3

4

5

弦论潜在地解决了问题3，得1分

“我无法确定真正的问题，所以我怀疑没有真正的问题，可我又不敢肯定没有真正的问题”

—— 费曼

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