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弦论框架现代版表示讲义(中) 二、弦论框架表示之由来
弦论能用框架表示吗?从明斯基最初是把框架作为视觉感知、自然语言对话和其他复杂行为的基础提出来的看,但他一经提出,就因为框架论既是层次化的,又是模块化的,就引起了极大地反响,被称为通用的知识表示方法,得到广泛接受和应用,这也启示了我们,弦论作为本是连接牛顿力学和相对论及量子力学的交叉科学,就应该使用框架来表示这种知识,而我国中国不应该只是把它作为是一种"舶来品"。 特别13亿人的中国,是弦论研究的古国、大国,却没有多少人知道什么是弦论;就连是学者、院士的高级知识分子群,很多人对弦论也是一知半解。例如张崇安先生是一个如今活跃在网络论坛的山西省煤炭厅煤炭资源地质局的高级工程师、山西北武能源技术有限公司的总经理,他问:"标准弦到底有多长?对什么范围的长度起到绊脚的作用?如果宇宙中到处是长长不断的弦,会不会把星体绊的停止下来?会不会把原子内的电子也绊的停止下来?" 即使"舶来品"的弦论,也涉及对从夸克到中微子,从确定标准模型中费米子混合和CP破缺参数到用标准模型以外框架理解味结构,从强子尺度的非微扰QCD到TeV尺度等新物理知识的交叉。弦论与粒子物理和宇宙学呈现出相互影响与促进,彼此密不可分日趋结合的研究势态。2012年8月8日~12日将由中科院理论物理研究所主办、山东大学承办的"2012 味物理及宇宙物理国际会议",在山东大学国际学术交流中心召开。而已公开提出要与吴岳良等竞聘中科院理论物理研究所的所长的燕山大学的博士生导师李子丰教授,竟然不知"味物理"是什么东西?李子丰问吴岳良:"味物理"是不是吴所长的发明?李子丰教授指着吴岳良的文章说:根据汉语词意,"味物理"应该是味道的物理学,而实际上,这里的内容并不是。 1、目前按汉语词意的弦,有琴弦、弦管、弓弦,弦弧、弦乐、弦脉、丝弦、弦线、弦子(三弦)、弦音、调弦、繁弦、弦歌、弦日、弦矢、续弦、断弦、心弦、弦外之音、改弦易张等。运用于数、理、化、天、地、生等各门科学中的扩容,其自然全息集成的基础可分以下七类: ①物理:振动发力。弓弦,弓背两端之间系着的绳装物,如弯弓上发箭的绳,有弹性。 ②物理:振动发声。音乐,弦乐器的弦,琴弦,弦乐,乐器上能振动发声的线,如用于发音的丝线、铜线、钢线等。也还包括管道薄膜、气柱振动发音的弦管、弦笛等乐器。 ③物理:发条储能。钟弦、表弦,如钟。表等的发条上弦。 ④数学:直角三角形中对着直角的斜边。中国古代《周髀算经》称不等腰直角三角形中有勾三、股四、弦五的边长关系。 ⑤数学:圆上两点之间的连线称为弦。如连接圆周上任意两点的线段,或直线与圆相交,夹在圆周以内的部分。或特指曲线上正割的两个交点之间的线段,即连结曲线上两点的直线。 ⑥天文:月球公转的四分之一的月相变化,比喻半圆月亮的月貌,如弦望,上弦月、下弦月。即上弦是月球在太阳之东90°时的位相,下弦是月球在太阳之西90°时的位相。
1)按汉语词意,从上面的知识可知,弦论在中国传统中也是一个框架。其特点是交叉的、多元的、开放的和扩容的。这些特点是自然的,不是对抗的。即中国传统的弦论不是作为对抗性的传统思维,甚至一开始就出现在弦论框架的顶层,或说是超类或父类;而且主要是物理性和数学性的。如物理性的弦有绳、线,丝线、铜线、钢线、薄膜、气柱、发条等;数学性的弦有直角三角形的斜边、连结曲线上两点的直线。 弦论由此这种固定的表示,其框架的概念、对象或事件的下层,或说延伸或子类,如天文、生物、化学、生理、医学等也有类似的框架特点,以描述具体事物特征。这使得科学与自然全息是和谐发展的,打破了作为大国科学对抗的传统思维,这是可指导建立21世纪新弦学合作共赢的新型唯物论关系。 例如拿"舶来品"的西方弦论来对照,举沈致远教授说超弦理论是始于韦内齐亚诺和南部阳一郎。这虽源于"卢瑟福散射"的理念和方法,但韦内齐亚诺和南部阳一郎的弦论也仅仅能对照汉语词意弦论框架物理性丝线、铜线、钢线,有弹性这个类上。这也是山西煤老板张崇安先生所能理解的弦论:即"弦有多长?会不会把星体绊的停止下来?会不会把原子内的电子也绊的停止下来?"。而从1维的线型的西方弦论来说,也不止韦内齐亚诺和南部阳一郎的弦论,按张崇安的绳、线、绊、绑理解,西方牛顿的天体的万有引力,也是弦论。法拉第的磁力线,也是弦论。安培的存在环形电流微小电荷的磁性起源假说,也是弦论。费曼的描述微观粒子交流反应的费曼线图,也是弦论。盖尔曼的强子内部捆绑夸克的胶子,也是弦论。 2)对比西方的1维弦论,汉语弦论数学性的子类,如圆上两点之间的连线称的弦,相通联系射影几何,通过投射锥和取截景、交比、连续变等证明的一些著名定理。如与帕斯卡定理:"如果将一圆锥曲线的6个点看成是一个六边形的顶点,那么相对的边的交点共线",和逆定理:"如果将一圆锥曲线的6条切线看成是一个六边形的边,那么相对的顶点的连线共点"等相对映,可以用来理解基本粒子体系,如标准模型描述的两组、三类、六种夸克系列,轻子系列。如1996年我们发表的《物质族基本粒子质量谱计算公式》,把质量的起源基于宇宙创生的视界模撕裂产生的,能推导计算出夸克、轻子和规范玻色子的质量。其次,泡利不相容原理也可用环圈的三旋得证:对每个电子轨道圈最多只可以容纳两个自转相反电子,是因如果该轨道圆圈作三旋,虽然面旋和线旋都能容纳多个电子,但作体旋,如决定一根圆圈面内的轴为转轴,排列在圆圈轨道上的所有电子作体旋而垂直转轴的直径,会出现从小到大对称的排列,中间最大的直径只有一条,只能容纳一对电子。如果保持该轨道上所有电子的体旋能量的一致性,其余的电子必然要发生分离。即说明多粒子三旋要保持跟圆心最大的对称原则。可见汉语弦学的深远。 3)其次,汉语物理性的子类也不止丝线、铜线、钢线等1维的弦论,还有如钟弦、表弦等钟表的发条,上弦,即储能。如果说丝线、铜线、钢线等琴弦的弦,还是1维的线型,那么钟表上弦的发条,以及管道薄膜、气柱振动发音的弦管、弦笛等乐器,已经扩容为2维、3维的多维了。这与韦内齐亚诺和南部阳一郎以后的西方弦论的发展是一致的,如沈致远教授说的威滕激起的"第二次超弦革命";威滕的M论,不但是框架式的,而且弦也是有各种维数,即N维弦,而不限制于1维的线型,也可见汉语弦学的深远。 2、那么汉语弦学中有没有沈致远教授说的类似格林、施瓦茨等主导的"第一次超弦革命"的东西呢?如不但有1维线型的开弦,还有环线形的闭弦呢?有,如上弦月、下弦月的月相变化,这是月球绕太阳和地球的圆周运动的变化,有近乎"闭弦"的意思。 而且"闭弦"有近"奇点"的意思,这也与"物质无限可分说"等物质结构争论问题有千丝万缕的联系。1959年徐光宪院士出版的《物质结构》一书,第一章的《绪论》就提到惠子讲的"一尺之棰,日取其半,万世不竭"; 以及墨子讲的"端",即不能在分割下去的问题。1953年毛主席就谈过:"墨子在公元前5世纪就提出‘端'是组成物质的最小成分,比外国人提得早。"毛主席还提及《庄子》一书中"一尺之棰,日取其半,万世不竭"这句话。可是半个世纪以来,国内的科学史家们很少或者根本没有去想,这两者结合与"奇点"的联系。即惠子和墨子的弦论,已经指向"奇点"。 美国波士顿大学著名物理学史学家、科学哲学家曹天予教授在国外学习了十年,1997年出版的《20世纪场论的概念发展》一书揭开了此迷。曹天予对"奇点"有两点理解,一是"奇点"表达的环面与球面不同伦,即环面自旋范围是虚与实两种空间共存,环面的实体部分对应实数,是无限可分的,这近乎惠子的"万世不竭"的意思;而微分几何、拓扑学的"连通"也是判别环面与球面不同伦的根据。二是反其意,环面实体以外包围的中心虚空部分,对应自然数0,不是无限可分的。即无限可分的还是等于0,这类似一个不可穿透的球,所以把离开环面的中心虚空部分也等价看成"奇点",那么它即是不容易分割下去的东西,这近乎墨子的"端"的意思。这种奇点来源于环又不说环的智慧,微分几何、拓扑学没有讲,也没有定义。但在霍金、彭罗斯的黑洞时空讲得很多,如说裸黑洞、黑洞裸点,即黑洞坍缩出现无穷大密度的一团均匀球对称的尘埃云,就关联"奇点"。霍金说,宇宙在密度很高的早期,每个点过去都出现奇点,这是爱因斯坦的广义相对论也没有提供的准确描述。即按弦论,广义相对论也是可以修正的。但类似梅晓春教授式的一些反相对论的物理学家,并不如曹天予知道"奇点"的这种精致与限制,也就直接把均匀球对称体,混淆当作奇点。这是国内最大的一种误解。然而20世纪后期,西方的科学家正是基于这种智慧,创造了奇点、视界、黑洞等三个概念。但奇点主要还是指要暗含环面,这不是出于球面与环面直观的区别。这也可见汉语惠子和墨子弦学的深远。 1)如果说与格林、施瓦茨的"第一次超弦革命"相通,汉语惠子和墨子弦学的奇点包含旋转运动或类似实数的无限可分的环面,以及有一个相连的不可穿透的球面的智慧,还是隐蔽的,那么中国古代的阴阳五行论,其环圈及循环运动的智慧,则是明显的。但这只能与古希腊的四元素说相比较,才更突显。这里我们说我国先秦的阴阳和金、木、水、火、土五行论,是一种环圈论,是因为我国还强调阴阳五行是相生相克循环无边自转的。这也是与惠子和墨子弦学的奇点的智慧相通的中国古代的"奇点"说,这里的"阴阳"正代表了包含旋转运动或类似实的无限可分的环面,和有一个相连的不可穿透的虚球面的意思。 但无论是无限可分及"端"的奇点论和阴阳五行的奇点论,都毕竟不是现代版的"奇点"论,所以我国现代很多人荡然无存古代的智慧。这说明即使唯物论的内容,如离开了弦论,也只能变成一种"幽灵论"。涂润生先生主张把幽灵论拿出来晒太阳,那么我们就把涂润生的"奇点"论也拿出来晒一晒。涂润生说:"奇点是不受任何规律约束的东西,它的功能非常强大;无中生有或密度无穷大,或者在最初的32秒钟内发生超光速膨胀等功能,都是根据理论本身的需要设计的,没有现实的基础(完全脱离现实)"。可见涂润生先生基本不懂什么是"奇点"的数学定义和物理定义的胡晒,所以涂润生才说大爆炸宇宙论的"奇点"就是一个幽灵。如果说涂润生是一个"家科",自创幽灵论三条判断标准就没有什么可笑的。那么周天龙先生曾经作为中科院的一个"公科",也是曾缺乏"奇点"论的训练,就可见我国现代大中小学教育的问题了。 2)周天龙先生问:质子,中子是什么粒子组成的?周天龙自己的回答是:肯定是由正负电子合成的。而且周天龙的中子结构示意图,是内外层各分布919个正、负电子。周天龙的道理是:.a. 任何物质都可以不断分小,一直分到不可再分为止,这就是基本粒子,所以一切物质都是基本粒子组成的。b. 从常见粒子表中可以知道正负电子和正反中微子是质量最小,不可再分的基本粒子。c. 所以处于基本粒子上一层次的粒子(亚原子粒子)质子、中子,肯定是正负电子和正反中微子组成的。考虑到中微子质量仅为质子、中子质量的万分之一,故一般只说质子、中子是由正负电子组成的。d. 这个结论可由"正负电子对撞实验"反应式得到证明。因为进入对撞室的只有正负电子,而生成物有质子、中子、反质子、反中子等粒子。 就像进入中科院周天龙这样的一个"公科",漏洞百出的数理逻辑推理是:如果他说"不断分小,一直分到不可再分为止,这就是基本粒子"; 一切物质都是基本粒子组成的。这里由"小"组成"大",这个基本道理一般可成立;一直分到不可再分为止就是基本粒子,也可成立的。但我国古代的阴阳五行的"奇点"论都知道,不断分小一直分到不可再分为止,都有"金、木、水、火、土"五种"基本粒子",就不是一种;而且这五种"基本粒子"也不是质量都一定很小。当然周天龙的"基本粒子"也不是一种,而是两种,即电子和中微子。但按周天龙的由"小"组成"大"逻辑,电子比中微子的质量大,应该由中微子组成电子,再由电子组成质子、中子,但周天龙说"考虑到中微子质量仅为质子、中子质量的万分之一,故一般只说质子、中子是由正负电子组成的"。可见周天龙的唯物论离开了弦论的判断内容,也就成了涂润生式的"幽灵论"。 周天龙还说,正负电子对撞实验证明了他的"基本粒子"说,是因为"进入对撞室的只有正负电子,而生成物有质子、中子、反质子、反中子等粒子"。这就是进入我国中科院一个"公科"认识的一片天?对撞实验只有正负电子对撞机吗?中国有什么对撞机,宇宙世界才有什么基本粒子吗?大型强子对撞机证明的粒子表,就不算数吗?唯物论就只有正负电子对撞机吗? 3)量子中国开创的弦论,一开始就引导民众沿着我国传统的悠久的唯物的优秀的科学文化前进,大方向是正确的。温家宝总理在美国《科学》杂志发表的文章说,科学无国界,许多中国科学家走向国际学术殿堂,在与国际同行的相互学习和借鉴中得到了提高,同时也为世界科学技术事业的繁荣和发展做出了贡献。他坚信科学是最高意义上的革命,中国的科学技术事业需要更加广泛深入地融入世界,世界也需要在科学技术上更有作为的中国。碰撞才能产生火花,交流才能丰富想象。但王令隽教授却有疑问,对科学没有国界,不需要标上国籍,王令隽问:"纳粹德国给爱因斯坦的相对论贴上‘犹太物理学'的标签,那海森伯的量子力学是不是就应该是‘纳粹物理学'或‘量子德国'了?阿卡尼哈默得祖籍伊朗,生于美国。他的最一流的超弦理论到底是‘量子美国'呢,还是‘量子伊朗'?" 王令隽怕遇到像阿卡尼哈默得,祖籍伊朗,生于美国,其最一流的超弦理论是"量子美国"还是"量子伊朗"的问题。其实要问王令隽是中国科学家?还是美国科学家?主要还是看他在美国与同行的相互学习和借鉴中是否得到了提高?同时也为世界科学技术事业的繁荣和发展做出了贡献?而不是他要反回来问:类似量子中国开创的讨论汉语惠子和墨子弦学的奇点包含旋转运动或类似实数的无限可分的环面,和有一个相连的不可穿透的球面的智慧,是不是如纳粹德国给爱因斯坦的相对论要贴上"犹太物理学"的标签? 众所周知,文革中陈伯达、张春桥和姚文元等反爱因斯坦的相对论,这并不就是"量子中国"。因为"量子中国"融入世界的,同时世界也需要的中国科学,只包括类似我国传统的悠久的唯物的优秀的科学。当然也不是说,他王令隽教授反爱因斯坦的相对论,就如纳粹贴"犹太物理学"标签,给他贴上"量子美国"或"量子中国"标签。因为能否贴上"量子中国"标签,主要还是看是否为世界科学技术事业的繁荣和发展做出了贡献?我国传统的悠久的唯物的优秀的科学文化,已经为世界科学技术事业的繁荣和发展做出了贡献,这是有目共睹,举世公认的,我们把它称为"量子中国"是当之无愧的。 4)反之正是在这一点上,国内的现代"公科"如果一味把"舶来品"的弦论,看着唯一指导前进的方向,那么像张崇安支持李子丰教授竞聘中科院所长的人,就不会少。他们之所以能抓住人心,张崇安说的道理是:"中国需要有自己的物理学,自己的自然科学,李子丰的这种精神是打破旧格局的企图,我认为是可取的。仿照外国,物极必反!我看理论物理研究所所长位置确实应该由敢于有挑战性的人担当,这样才能改变建国几十年没有诺奖的局面,才能把中国的自然科学推向新高潮!我拥护李子丰的行为! 要把民族的思想意识和精神信念树立起来。我不知为什么这些年一个如此众多人口的大国,如此辉煌文明的古国家,居然成天效仿别人,自己都不敢讲自己的话,可悲啊!可悲!"而且有人说:"在科学研究中,有些研究项目并不需要经费,如牛顿和爱因斯坦的重大发现,不需要一分钱。因此,当代一味地追求豪华、浮躁和铜臭味,腐蚀了大学的灵魂,致使大学精神丧失殆尽"。 问题是,为什么西方的弦论能集中智慧,能在世界扩大影响?对照我国半个世纪以来弦论的发展,也说明没有研究项目经费,许多"家科"也在自己研究。这种研究,当然不是如北京航天航空部高级工程师蒋春暄教授说的:他提出的新引力公式,超牛顿,打倒爱因斯坦广义相对论;全世界所有加速器,都应该关门;量子通讯、量子计算、弦论、夸克、黑洞、大爆炸,都是胡说八道。有人说,很多人对学术研究很迷恋;之所以迷恋,因为学术研究是人类探索未知世界的一个过程。这一探索过程实际上不仅充满了艰辛和劳累,过程本身也是很奢侈的。学术是一种高贵的奢侈,但为什么以前会有那么多的大师?看看解放前的这些大师的家庭背景,绝大多数都是出身豪门。一些学术大家,比如陈家、钱家、傅家、曾家、胡家,哪个不是富n代或官n代?欧洲近三百年来对科学做出重大贡献的人员,多数家底殷实,吃喝不愁。人只有不愁吃喝,把学术作为一种兴趣而不是职业,才有可能成为大家。但钱砸出去,并不一定能起到什么作用。在我们现阶段,绝大多数人实际上把学术作为一种职业。既然是职业,那就是饭碗,就需要通过学术的过程获得解决个人生存的问题。因而,也就出现了按照社会需求或者政府主导为导向的研究。目前国家的投入只是解决了很多人的饭碗;这些研究人员利用这个饭碗的工作,帮助解决了国家或社会需要解决的问题。如果我们的经济真正发达了,普通人的生计已经不是问题,又有了健全的社会福利制度,真正的大家也就自然而然的产生了。 但问题也还不是这样简单。周天龙先生说:他在中科院从1975年开始花了15年时间集累资料, 到1990年确定了探索"万有引力之谜"的研究题目。开场能在中科院成都分院主办的《科成报》上发表《神奇的万有引力之谜》一文,到1999年终于找到了正确答案:万有引力是一种特殊的"复合库仑力"。它是由中子、质子的特殊结构----"中子引力场元粒子结构"产生的。他的这种设想,已发展成为《电子模型》理论,已得到多项实验验证,让人们看清了物质世界是由等量正负电子组成的。它必将成为人类认识自然,改造自然的强大思想武器。他几十年如一日的对科学的执着追求没有白费!周天龙真的正确吗?我们来看邢志忠教授在2012年第5期《科学世界》杂志上怎么说的。 3、邢志忠教授说,1897年英国物理学家汤姆孙在阴极射线实验中发现了电子,之后历时一百余年科学家们费尽周折,终于勾勒出比较完整的组成物质世界以及传递相互作用力的基本粒子族谱,它包含六个夸克、六个轻子、传递电磁力的光子、传递强核力的胶子、传递弱核力的带电和中性玻色子以及与基本粒子质量起源有关的希格斯玻色子。迄今为止只有希格斯粒子还没有被探测到,但正在欧洲运行的大型强子对撞机,有望在2012年发现它。 1)夸克和轻子在粒子物理学中被赋予"味道"含义形象的概念,是由美国的盖尔曼和德国的弗里奇1971年突发奇想而引入物理学的。当时他们二人正在美国加州一家冰淇淋店闲谈,发现冰淇淋不仅色彩斑澜而且有巧克力、草莓等不同的口味。于是他们决定用"味道"来区分不同的夸克和轻子。质量小的粒子叫做"轻味",质量大的粒子叫做"重味"。如今味物理学已经成为基本粒子物理学的主要分支之一,它所关注的基本问题包括夸克和轻子的质量起源、不同粒子之间的相互转化以及物质与反物质的不对称性。 2)盖尔曼除了给费米子粒子分类起名"味道"之外,诸如"夸克"、"胶子"以及"色"量子数等粒子物理学名词都出自他的妙想。为什么西方科学家的弦论研究能如此幽默和诙谐,并能取得极大成功,而中国的弦论智慧却如此不堪回首?例如邢志忠教授说,英国理论物理学家埃利斯和别人打个赌,就能把与基本粒子毫无关系的"企鹅"这个名词,用来描述夸克的味道改变过程,引入物理学。原因西方发达国家共同建立起了完整的高能物理实验体系,所有的理论物理学家和实验物理学家是自觉自愿捆绑在一起,即使有观点的分歧,并不存在唯物论没有弦学内容的共识,所有理论物理学家都是共同追逐实验物理学家的发现,实验物理学家也是追逐追逐理论物理学家的预测。我们不是,有时科学是比地位。 请看埃利斯如何把企鹅与自己的基本粒子理论研究课题,自然而然地联系起来的?他不在乎自己的冥思苦想,而在于紧紧地盯着与他打赌的未来的哈佛大学物理系主任的女实验物理学家弗兰克林未来的实验,即使当时弗兰克林还是个年轻学生。即所有的理论物理学家和实验物理学家都是共同盯着实验和理论的国际进展,而不是像陈伯达、张春桥和姚文元等引导的一天盯着要打倒谁,对今天的科学也有一定的影响。所以类似遵循"卢瑟福散射"的理念和方法的费曼弦学用的费曼图,即使看似粗糙,也能把西方的理论物理学家和实验物理学家的智慧聚焦在一起,埃利斯正是想到这一点,就把描述两种电荷相同、味道不同的夸克之间相互转化的费曼图,画成企鹅的形状。正是有共同点,"企鹅图"也才能被理论物理学家和实验物理学家所理解。"企鹅图"不仅在味物理学中广泛应用,而且成为研究味混合与CP对称性破坏的经典文献。反观我国60多年来大中小学的弦学教材跟不上,一个类圈体具有三种自旋的动画图像,半个世纪以来都难以被国人理解,可见"家科"和"公科"哪来共同语言? 3)既然不是共同盯着实验和理论的国际进展,在探索弦学未知的道路上,我们不可避免地要经历很多长期不被人们智慧理解的寂寞和失败的考验。在这种情况下有时拿西方"舶来品"的弦论说事,作比较,也是一种策略。因为这既是一种中国弦学需要融入世界,世界也需要中国弦学的激发创造力的心灵源泉;中国弦论的健康由于易遭西方"舶来品"弦论的误读,"21世纪新弦学" 成为目前中国弦论的代代名词,即弦学为弦论框架各分支的总称。 中国现代的自然科学教育,基本上是从西方较早时期所建立的元素学说基础上启蒙的,如认为所有物质是由只佔1度空间的"点"状粒子所组成,这也是目前许多我国"家科"和"公科"追逐"以太"说或"元气"说广为接受的物理模型,并被认为是很成功地解释和预测了他们遇到的相当多的物理现象及问题。但是此"点"状或说球体模型,在遵循"卢瑟福散射"的理念和方法的趋势上却遇到一些无法解释的问题。比较起来,从"点"模型的"原子论"扩容"孤子链"的弦论,却能够避开"点"状或说球体模型所遇到的问题;且更深的弦论框架不只是描述类似孤子链式的"弦"状(闭弦和开弦)物体,还包含了点状、薄膜状物体,以及更高维度的空间,甚至平行宇宙。 例如,从"开弦"和"闭弦"引出的"杆线弦"及"试管弦"、"管线弦"及"套管弦"作纤维看,就能够编织成诸环构成的一个3维网络,或者作成布一样的编织态。所以无论是宇宙弦还是量子弦,它们无处不在,类似电子云、负电子海、夸克海、海夸克、胶子海、色荷云等新以太。即根据庞加莱猜想的变换和共形变换,如果把真空和时空的整体规范变换,产生的"开弦"和"闭弦"对应的球与环,称为第一类规范变换。那么庞加莱猜想定域规范变换,"开弦"产生的"杆线弦"及"试管弦","闭弦"产生的"管线弦"及"套管弦",就称为第二类规范变换。 其次,在日常生活中我们看到的链条是圈套圈,这是既含间断又含连续的味道。用此扩容看彭罗斯阐述的里奇张量和韦尔张量这种结合结构域,如麦克斯韦的电磁场方程电场E和磁场B结合结构域,那么有类似其耦合原理的,就至少可以作4种扩容归类: a)孤子链:单链扩容成双链,是类似电磁波传播的多对单链,有的编码可成为类似正弦-戈登方程描述的"孤子链"。这在我国,有庞小峰教授的非线性量子力学阐述的孤波方程,类似可对应。电磁波传播,其实"源"效应的"电荷",对应里奇张量圆周运动是类似彭罗斯的"扭量球"图像;电磁波的"流"效应可作韦尔张量平移看。这对应"电流",类似"里奇流",可联系类似傅里叶级数、泰勒级数展开式变换的孤子链。 b)电磁波链:从双链反观单链也许是两个类型:A)麦克斯韦的电磁场方程描述变化的电场产生变化的磁场;变化的磁场产生变化的电场,电磁波也类似圈套圈起伏波动,是一种单链式的传播。B)量子隐形传输,如量子纠缠和量子关联的隧道效应和EPR效应,类似两条平行的电磁波单链,一条需光速或亚光速传播,另一条类似存在点内超光速传播。链路图是将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分,它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。中微子或参与弱衰变的粒子,也许就包含有此现象。 c)泰勒涡柱链:泰勒桶是指两个水桶套在一起,两桶之间充满流体,一个桶转一个桶不转。涡柱链前置冠名"泰勒",是因该"涡"结合泰勒级数展开法,可推导出新的壁涡公式,使得涡量流函数法能够更方便、更准确的用于微尺度下二维不可压缩气体滑移流动的计算。泰勒桶产生泰勒涡、泰勒涡柱,还可变形为泰勒球,可联系彭罗斯的"扭量球"图像。联系薛定谔量子波函数方程的"波包"图像,有线性和非线性之分。 d)卡西米尔效应链:立方体延伸到超立方体的套娃式的链柱。把立方体的3对平面对应卡西米尔平板效应,看成是时空能量振荡整合的最佳结合结构域,是8个顶点数,以此联系门捷列夫元素表的8周期律,构成量子色动化学的分析基础。这还可联系勒梅特解释宇宙是从一个初级原子爆炸而来的大爆炸推导,和霍金黑洞物理涉及的高维时空场链。
这是一种终极统一:所有所知的基本粒子都可用一种客体来描述,那就是弦!这是南部阳一郎从最开始解出强作用力的作用模式,发现所有的最基本粒子,包含正反夸克,正反电子,正反中微子等,以及四种基本作用力的强、弱作用力粒子,电磁力粒子,以及重力粒子,都是由一小段的不停抖动的能量弦线所构成,而各种粒子彼此之间的差异,只是这弦线抖动的方式和形状的不同而已。即这种振动模式可用诸如质量、自旋之类的各种量子数来刻划。从此弦论的基本思想是每一种弦的振动模式,都携带一组量子数。 而这组量子数与某类可区分的基本粒子相对应。即弦理论带根本性的一种特性是,相互作用的世界片是一种光滑表面。这种特性使得弦理论免受无穷大奇点的困扰,而关于点状粒子的量子场论都受到了这种困扰。在关于点状粒子的场论中,类似的费曼图弦论相互作用点发生在一个拓扑奇异点上(在这点三条世界线相交)。这就导致了关于点状粒子的理论在高能态下的失效性。而如是将两种基本的封闭弦的世界片相互作用胶合在一起,就能得到了一个过程。在这个过程中两种封闭弦接合成一种作为中间状态的封闭弦,而这个中间状态的封闭弦又重新分裂成两种封闭弦。这种先合后分,称为树级别下的相互作用。 微扰理论是研究微弱耦合很有用的工具,关于粒子物理图景的大部分理解以及弦论,都是基于微扰理论的,但微扰理论还远远谈不上完善。对于许多最深层次的问题,只有当拥有一套完整的非微扰性的理论描述时,才能给出问题的答案。为了利用微扰理论来计算量子力学几率幅,对来自高阶量子过程的贡献得加以考虑。只要阶数越高则贡献越小的假设成立,那么微扰理论就能给出良好的答案。于是只须计算最初的少数几张相互作用过程图,便可以获得精确的结果。在弦论中,高阶图的阶数是与世界片中的洞眼数或手柄数相对应的。在关于点状粒子的场论中,高阶所对应的图数是成指数增长的。在弦论中用微扰理论来进行计算的便利之处,是每一个阶数只对应一张图。不便之处则是从多于大约两个手柄的图中,提取答案是很困难的。这是因为要处理好这些表面在数学上是相当复杂的。
其一,是它只简单描述了标量玻色子,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。这些问题得到很好解决,是在推广到超弦理论后,即原本包含了26维的玻色弦理论,加入了超对称性的超弦理论。所以目前舶来品的弦理论,一般是专指"超弦理论",而较早的"玻色弦理论"则以全名称呼。 超弦理论包含了组成物质的基本粒子之一的费米子。1990年代,威滕提出了一个具有11 度空间的M理论,证明当时许多不同版本的超弦理论,其实是M理论的不同极限设定条件下的结果。这就是沈致远教授所说的威滕激起的第二次超弦革命。弦理论因为有可能成为大一统理论,以及可能是量子重力的解决方案之一,自然成功地描述了包含电磁力和其他自然界存在的各种作用力。弦论是一个正确的研究方向,它本来就存在于传统弦论框架以来的自然科学实验证实的过程中,并不需要什么证实不证实。 但有人说弦理论无法获得实验证明的原因之一,是目前尚没有人对弦理论有足够的了解而做出正确的预测,另一个则是目前说的高速粒子加速器还不够强大。但就算新一代的高速粒子加速器真的找到了超粒子,这仍不能算是可以证实弦理论的强力证据,因为那也只是找到一个本来就存在于这个宇宙的粒子而已。其实以上说法是个悖论,因为他是把弦理论预先设定为一个无限实验系列要求的证实,而不承认弦论是一个框架体系。框架体系则属于继往开来,有实验证实的;有尚未证实的预测的实验,且有两种情况:一是预测本身就不正确;二是预测正确,但实验还不成熟。 B)有人说这个证实的三块基石是20世纪的狭义相对论、广义相对论和量子力学。特别是在1923~1926年通过德布罗意、海森堡、薛定谔和.玻恩等人的努力,建立的非相对论量子力学。70多年来这个理论体系是自洽的,数学形式是优美的,物理内容和实验事实是符合的,而且它已成为20世纪物理学的核心。再是量子力学和狭义相对论的结合、广义相对论和量子力学的结合,导致的相对论量子场论产生的量子场论和规范场论。 海森堡和泡利建立的量子场论的普遍数学形式,把传统的量子场论应用于电磁作用研究,经过施温格、朝永振一郎和费曼提出重正化理论,从而建立了量子电动力学。利用杨振宁和米尔斯提出的规范场论,1967年温伯格和萨拉姆提出SU(2)×U(1 )弱作用和电磁作用统一模型,从而发展成为一个自洽的与实验事实符合的弱电统一规范理论。1973年波利策、格罗斯和维尔切克等人提出了量子色动力学,建立了夸克间强相互作用的SU(3 )规范理论。在70年代后期所谓的标准模型,已提出强作用、弱作用和电磁作用统一的SU(3)×SU(2)×U(1 )规范理论,使得量子力学和狭义相对论的结合达到了高峰。 C)这里U(1)代表电磁力。SU(2)代表弱力。SU(3)代表强力。Gravity是引力的意思。量子力学和广义相对论相结合,是要建立量子引力理论,简称量子引力。首先要解决引力场量子化,其次是量子引力的重正化。由于引力常量具有-1的质量量纲,因此量子引力是不可重正化的。即量子引力理论中将出现不可消除的发散行为,使得所建立的量子引力是不自洽的。70年代中期以来在超引力和超弦两个方向的探索,就是对量子引力的研究。 超引力是超对称引力理论的简称。1971年雷蒙德等人联系自旋为半整数的粒子(费米子)和自旋为整数的粒子(玻色子)之间的对称性,引入超对称性。引力是通过超对称定域化而产生的,所以又称定域超对称性,由此建立的超引力有简单超引力和扩充超引力。在扩充超引力中,有10维超引力和11维超引力。但由于超引力最终仍是不可重正化的,且不能导出粒子的手征性,在80年代中期后研究衰落下去。而继超引力之后,才是沈致远教授说的格林和施瓦茨等主导的"第一次超弦革命"。它是把超对称性和弦相结合的理论,1981年格林和施瓦茨在玻色弦和费米弦理论基础上提出的一种同时具有10维时空超对称性和 2维弦空间超对称性的弦理论,认为构成我们物质世界最基本的组元不是点粒子,而是具有超对称性的一维物质线段,即弦;这种弦称为超弦。这是对南部阳一郎的扩容。 弦明确的长度是普朗克长度,即10-33 厘米。根据超弦理论,引力子、规范玻色子、夸克和轻子等都是弦在弦空间中振动的不同模式。弦分闭弦和开弦两种,闭弦零质量模式构成超引力多重态,包含引力子、引力微子等;开弦零质量模式构成超杨-米尔斯多重态,包括规范场和规范费米子。此外,弦还有无穷多高激发态模式。弦与弦之间是通过分裂和接合而相互作用的。当弦的张力趋向无穷大时,弦理论过渡到通常的点粒子理论。这样10维超弦理论不仅避免了广义相对论和量子力学相结合时遇到的重正化困难,而且还可能成为一种把引力相互作用、弱相互作用、电磁相互作用、强相互作用统一起来的理论形式,因此它已成为1984~1985年粒子物理学理论最活跃的研究方向。 D)一般而言,具有分数自旋的费米子是构成物质的粒子,而具有整数自旋的玻色子是传递力的粒子。当把费米子包括在弦的世界片理论中时,就自动获得了一种新的类型的对称性,这种新对称性叫超对称。超对称将玻色子和费米子联系起来,在超对称性下,费米子和玻色子相互联系而组合成超多重子。这就是"超弦"的"超"字的含义。只有在10维时空的条件下,自洽的超弦量子场论才得以存在。不然的话,某些量子效应将使得弦论不自洽而呈现"病态"。从超弦再到M理论,或说大扩容,是由10维超弦理论发展而来的。 这是弦论框架的继续,它把1984年格林和施瓦茨的证明,精确到一圈图。如果规范群为SO(32),在Ⅰ型超弦理论无反常且有限的基础上,1985年格罗斯等人提出杂化弦理论,讨论规范群E8×E8的有关问题。在1985年威藤等人还提出把杂化弦紧致化,以过渡到4 维时空超对称爱因斯坦-杨-米尔斯理论。这是一种紧致化空间,称为卡拉比-丘流形。 至此超弦理论有5种不同型式,即Ⅰ型、ⅡA型、ⅡB型、杂化弦E8×E8和杂化弦SO(32)等。5种又可分为三种类型:Ⅰ型,由开弦和非定向闭弦构成,其低能极限等价于N=1的10维超引力和超杨-米尔斯理论,规范群为SO(N)和USP(N);Ⅱ型,仅由定向闭弦构成,不能描述规范相互作用,低能极限等价于N=2的10维超引力理论;Ⅲ型是1985年由格罗斯等人提出的杂交弦,由26维空间玻色弦和10维空间费米弦"杂交"而成,虽然它仅包含定向闭弦,但由于在环面上紧致化及孤立子的存在,可以描述规范相互作用,规范群为E8×E8或Apin(32)/Z2,其中Apin(32)为SO(32)的覆盖群,其低能极限与Ⅰ型超弦相同。 I 型SO(32)弦论,是一种包含开放弦的弦论。在10维时空中,这种理论含有一种超对称性(N=1)。开放弦可在端点具备规范自由度。为了让"病态"消失,规范群必然地被限定成 SO(32)。这种理论含空间维数为1、5、9的D-膜。 IIA 型弦论,是一种关于封闭弦的理论,在10维时空中含两种超对称性(N=2)。两种雌引力子(引力子的超级伙伴)在封闭弦的世界片上朝相反的方向运动,并且在10维洛仑兹群下,具有相反的手征性。所以这实际上是一种非手征理论。这种理论不涉及规范群,含具有空间维数为0,2,4,6,8的D-膜。 IIB 型弦论,是一种关于封闭弦的理论,含两种超对称性,因此N=2。不过在这种理论中,两种雌引力子在10维洛仑兹群下具有相同的手征性。所以这种理论是一种手征理论。这种理论也不涉及规范群,但包含空间维数为-1,1,3,5,7的D-膜。 SO(32) 杂化弦论,是一种封闭弦论。在世界片上沿某个方向运动的世界片场具有某种超对称性,而沿相反方向运动的世界片场则不具超对称性。这导致了10维时空的N=1的超对称性,非超对称的场为弦谱贡献了无质量的向量玻色子。为了让"病态消失",这种非超对称场必须具备SO(32)规范对称性。 E8×E8杂化弦论与SO(32)杂化弦论基本上相同,但是其规范群是E8×E8。这是唯一的能使"病态"消失的别种规范群。以上杂化弦论不含D-膜。不过它们的确包含不是D-膜的5-膜孤波。IIA型和IIB型弦论除包含D-膜外,也包含这种孤波。 为什么超弦理论具有5种不同的型式?原因是弦论框架,本身是一种多模具理论,而人们只习惯于单模具理论,才有不适应的感觉。1995 ~1997年威滕等人的第二次超弦革命,还特别研究了超弦理论的对偶性、D-brane、非微扰解、矩阵理论、量子黑洞和量子宇宙等方面的问题。他们把5种不同型式的超弦唯象,看作起源于某个11维理论的第11维卷曲,而称为M理论,并预言弦可以和具有不同维数的膜存在,即p-brane膜超块。 弦论不光只是关于弦的理论。超块是M理论扩容超弦的基本思想之一,这是汤森德的创造。他认为构成世界的基本组元是块(brane),既包含1维的弦,又包含2维的膜,更包含3维的体,还含有高于3维的物质实体。块具有超对称性,所以把它们称为超块,写作p-brane,即为 p维延展体。p=1,2,3......,此种p=1是弦,p=2是膜,p=3是三维体,等等。而且还有各种具体的超块,如Dp-brane或D-brane、M2-brane、M5-brane、杂化5-brane 等。此中D-brane之所以重要的,是弦可以服从各类边界条件。 例如,封闭弦服从周期性边界条件(封闭弦回归自己)。开放弦可服从两类边界条件:一类叫做纽曼边界条件,另一类则叫狄利克雷边界条件。在纽曼边界条件下,弦的端点可自由运动,不过这种自由运动的前提是没有动量流出边界。在狄利克雷边界条件下,弦的端点只允许固定在某种拓扑流形上运动。这种拓扑流形就叫做D-膜或Dp-膜(其中p为整数,它是这种拓扑流形的空间维数。) 开放弦的两端或一端被固定在2维D-膜或D2-膜上。D-膜的D就取自数学家狄利克雷(Dirichlet)名字的开头那个英文字母。 D-膜的维数范围小至-1,大至我们这个时空的空间维数。例如,因为超弦存在于具有9维空间维度和1维时间维度的10维时空,所以在弦论中,D9-膜具备D-膜的维数上限。在这种D-膜为D9-膜的情形下,弦的端点被固定在充满全部空间的拓扑流形上运动,所以弦的端点实际上可以自由移动到任何地方。这时所谓的狄利克雷边界条件实际上就变成了纽曼边界条件。当 p = -1, 所有的时空坐标全被固定。这种D-膜叫做瞬间子或D-瞬间子。
矩阵理论也是M理论的非微扰的拉氏量表述,这一表述要求选取光锥坐标系和真空背景至少有6个渐近平坦的方向。利用这一表述已经证明了许多偶性猜测,得到了一类新的没有引力相互作用的具有洛仑兹不变的理论。如果将注意力放在能量为1/N量级的态(N为矩阵的行数或列数),在N趋于无穷大的极限下,可以导出一类通常的规范场理论。在大N极限下,理论将变得更简单,许多有限N下的自由度将不与物理的自由度耦合,因而可以完全忽略。所有这些结论都是在光锥坐标系和有限N下得到的,可以预期一个明显洛仑兹不变的表述将是研究上述问题极有力的工具。 M理论的时空是11维的,其中时间是1维的,空间是10维的。多余的7维空间称为额外空间,一般应是紧致化的。紧致化后的空间其线度大小是普朗克长度,所以观测不到。剩下的4维时空是我们的现实世界。而空间紧致化的机理通常被称为卡路扎-克莱因理论或紧致化。卡路扎阐明了假如把广义相对论建立在5维时空维度上,并把其中一维空间卷缩成一个圆周,那么就得到了关于4维广义相对论和电磁场的统一理论!原因是电磁场论是U(1)规范理论,而U(1)规范群就是绕圆周旋转的旋转群。如果假设电子具有对应于圆周上的点的自由度,这个点将伴随时空中的运动可在圆周上任意变化位置,就会发现这样一种理论必含光子,而这个电子服从电磁场运动的麦克斯韦方程。卡路扎-克莱因机理简单地给出了这个圆的几何解释。这对应中国传统弦学的类圈体,翻译为西方舶来品的"量子",实际上等价于第5维度且被卷缩成圆。 虽然这个紧致维度太小,难于直接观测,但仍有深刻的物理含义:在量子力学中,假如某种空间维度是周期性的(如紧致圆),那么动量跃迁在这个维度上就是量子化的,p = n/R (n=0,1,2,3......。而假如那个维度不受约束,那么动量便可取连续值。当紧致维度的半径减小(使得圆变得很小)时,所允许的各种动量值之间的间隔就变得很宽。假如圆的半径很大(这个维度未被紧致化),那么所允许的动量值的间隔就很小而形成连续区。这些卡路扎-克莱因动量状态,会在非紧致世界的质谱图中显示出来。特别是,高维理论的无质量态会在低维理论中以质量态的形式出现。于是通过粒子加速器,或许能观察到质量间距相等的一组粒子。但即使要观察到这些有质量的粒子中的质量最轻者,也得要有一个能量很高的粒子加速器。当所在空间被紧致时,弦还有另外一种迷人的性质:它们可缠绕在紧致维度上而导致质普仪中的种种缠绕模式的出现,封闭弦可在周期性维度上绕上某个整数次。与卡路扎-克莱因所描述的情况相类似,这些缠绕的闭弦能贡献动量 p = w R (w=0,1,2,...)。这里的根本差异是动量随紧致维度半径R的变化而沿另一种方向变化:当紧致维度变得很小时,缠绕模式也变得很轻。
T-对偶性指把紧致空间的半径为R的理论与紧致空间的半径为1/R的理论联系起来。于是当在一种理论的物理图景中有一维度被卷缩成小圆时,在另外一种理论的物理图景中则有某一维度位于半径很大的圆上。然而这两种理论描述的却是同样的物理图景。IIA型超弦理论和IIB型超弦理论是以T-对偶性相联系的,而SO(32)杂化弦和E8×E8杂化弦也是以T-对偶性相联系的。 S-对偶性是将一种理论的强耦合极限同另一种理论的弱耦合极限联系起来的对偶性。例如SO(32)杂化弦论和I型弦论在10维时空就有S-对偶性。这意味着SO(32)杂化弦论的强耦合极限就是I型弦论的弱耦合极限,反之亦然。寻求强弱耦合对偶性的证据的方法之一是比较每种物理图景的轻态谱,看看两者是否一致。比如I型弦论的D-弦态在弱耦合时较重(具有较大的质量),而在强耦合时较轻,这种D-弦与SO(32)杂化弦的世界片传播同样的轻态场。于是当I型弦论的D-弦因很强的耦合而变得很轻时,就看到上述杂化弦描述的却是弱耦合的情形。 10维时空中还有一种S-对耦性,那就是IIB型弦论的自对耦性。IIB型弦论的强耦合极限也是IIB型弦论的另外一种弱耦合极限。IIB型弦论中也含一种D-弦,这种D-弦在强耦合下变成轻态,不过这种D-弦看上去却象是IIB型弦论的另一种基本弦。在IIB型弦论中,运动的能量方程有两种广义解:D-弦和F-弦或基本弦。D-弦在强耦合下同于弱耦合下的F-弦,这就是所谓的IIB型弦论的自对耦性。 再说1995年威滕提出的M-理论,这种新的11维理论将IIA型弦论和E8×E8型弦论联系起来。而对T-S-U对偶性及其在不同弦真空中关联的研究,亦称M理论。它揭示出通过一串对偶性的努力,能把所有弦论联系起来;反之各种弦理论之间的对偶性,也为所有的弦论都是同一种根本理论的不同描述的论点,提供了强有力的证据。也说明多模具框架中,每一种描述模具,都有自己的适应范围。在某种极限上,一种模具描述失效了,另一种模具描述却可取而代之。如当M理论紧致化到10维时得到ⅡA 型和杂化弦E8×E8,继续紧致到9维时所有5种超弦和M理论合并到一个统一的框架,成为一种对偶性网络。 M-理论描述的是低能物理,这种理论有一2-膜和作为孤波的5-膜,但是却没有弦。那么如何得到弦呢?可以把M-理论的第11维紧致在一个小圆周上而获得10维弦论。假如把具有环面拓扑结构的2-膜中的一维限定在这个紧致圆上,这个2-膜就变成了一种封闭弦。假如这个紧致圆变得小极了,那么IIA型超弦就会得以复原。假如把M-理论紧致在一小线段上,也能得到自洽的10-维理论。 所谓紧致在一小线段上,就是说让11维中的一维长度有限。并把线段的端点限定为与9维空间交界的边界,开放型的2-膜可以这些边界为终端。因为2-膜与边界的交界面是弦,所以每一边界的9+1维世界体就能包含作为2-膜端点的弦。这样做的结果是为消除超引力理论中的"病态",边界必须具备E8规范(群)对称性。于是,当边界之间的距离很小时,就得到具有E8×E8规范群的10-维弦论,它就是E8×E8杂化弦论。 F)如果一个理论的真实性的特征不是依赖于近似的微扰计算,而是精确的,那么就称为是非微扰的。超弦理论是以微扰论的形式建立起来的,在超弦理论中,和紧致化相关的一个问题,是如何挑选理论众多的可能经典解中的一个为实际所取的解。而为了让10-维超弦世界同我们这个4-维世界交往,得把这种10维弦论图景的额外6-维空间紧致在某个6-维紧致拓扑流形上,上述卡路扎-克莱因的那一套就变得更加复杂一些。 一种简单的空间紧致化的方法,是把这6维额外的维度紧致在6个圆周上而形成6-维环面,这种搞法却被证明会保留太多的超对称。为了在4-维时空保留最少数量的超对称N=1,得把10维超弦时空的额外6-维空间紧致在一种特殊的6-维拓扑流形上。这个特殊的6-维拓扑流形叫做卡-丘( Calabi-Yau)流形,或叫卡--丘空间。从某种意义上来讲,4-维低能物理世界是如何从10维物理世界中演化而来?这个10维物理世界或许在宇宙大爆炸这个高能态时期确实存在过。再就是为什么会那样演化?或许我们会发现,某种独一无二的卡-丘流形使得这种演化得以实现的。舶来品的M理论非微扰描述,流行形式是矩阵。
即马尔德森纳基于D-膜的近视界几何的研究发现,紧化在AdS5×S5上的IIB型超弦理论与大N SU(N)超对称规范理论是对偶的,有望解决强耦合规范场论方面一些基本问题,如夸克禁闭和手征对称破缺。早在70年代特霍夫特就提出:在大N情况下,规范场论中的平面费曼图将给出主要贡献,从这一结论出发,波利考夫早就猜测大N规范场论可以用(非临界)弦理论来描述,现在马尔德森纳的发现将理论和规范理论更加具体化了。斯特洛明格的某些重要工作,又显示各种卡-丘流形可通过锥点变换而连续性地连接起来,而且通过改变理论参数可以实现从一种卡-丘流形运动到另一种卡-丘流形。这似乎暗示由各种卡-丘流形产生的4-维理论图景,或许都是某种根本理论图景的不同阶段。 在这个领域中一个突出的问题是,现今具有轨形(orbifold)和卡-丘空间的可能的经典解,存在有数百万个,我们不知道该用哪一种。这就是所谓的"卡-丘疑难",这个疑难可被中国本土弦学求衡论解决。反之也证明卡-丘流形的各种性质,确实可能对低能物理中诸如所观察到的粒子类型、质量、量子数和世代数之类的问题有重要意义。回顾1968年韦内齐亚诺为了解决相互作用而提出的弦理论,发现弦理论是一个可以用来统一四种相互作用力的统一理论;对偶性的研究引出了M理论,现在马尔德森纳的研究又将M理论和超弦理论与规范理论(可以用来描叙强相互作用)联系起来,从某种意义上来说,又回到了强相互作用的认识。但是仍没有完全解决强相互作用的问题,也没有解决四种相互作用力的统一问题,因此对M理论、超弦理论和规范理论的研究,仍是一个长期和非常困难的问题。 总结舶来品的超弦理论框架有5点:(1) 统一四种相互作用力;即全同粒子的统计规范对称性应从一个更大的连续的规范对称性导出。(2)弦是物质最基本的单元,基本粒子是弦的不同振动激发态;即有效引力理论的短距离(紫外)发散实际上是某些略去的自由度的红外发散,这些自由度对应于延伸在两粒子间的一维D-膜。(3) 数学上能自冾结合广义相对论和量子力学;即时空的存在应与超对称中玻色子和费米子贡献相消相关联。(4)能解决黑洞的本质和宇宙的起源;即可将M理论与宇宙学联系起来。(5)改变对物质结构、空间和时间的认识;即当我们紧致化更多维数时,理论中将出现更多的自由度。 由于弦理论是有关时间和空间的量子理论,因此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)。舶来品的闭弦,由不同振动和运动就给出不同的基本粒子。而中国本土的弦理论,是类圈体不同自旋的排列组合通过编码,给出不同的基本粒子。所以超弦闭合圈是中外物理学家追求统一理论的最自然的共同结果。它抛弃了基本粒子是点粒子的假设。这是一种激动人心的共识,从前曾尝试通过微扰理论围绕5种弦论和11维超引力这些经典极限,进行展开以得到的量子理论,如今通过利用对偶性、超对称性等来研究这些理论的非微扰性的方方面面,似乎只有一种量子理论结论:即指向中国本土弦学求衡论解决的大量子论。 这也联系广义相对论对引力的经典描述中含有的叫做"黑洞"的解。黑洞解的种类很多,但不太严格地讲,事件视界是时空中的一表面,它把黑洞分成内部和外部。即点内和点外空间。因此经典黑洞相对而言是无特征的,不过可用一组诸如质量、电荷、和角动量之类的可观测参数来描述。实际上黑洞已成为检验弦理论的重要"实验室"。这是因为即使对于宏观黑洞,量子引力效应也非常显著这一事实的缘故。黑洞并非"一团漆黑",黑洞有辐射效应。霍金向人们展示了在事件视界,黑洞会发出热辐射能谱。超弦论也得到了某些本身是超对称的黑洞解,点内和点外空间的超对称性就寓于其中。通过考量形成黑洞的微观弦状态来推导适用于黑洞的贝肯斯坦-霍金熵公式,也能够通过点内和点外空间球面的无破裂的弦结构量子状态的简并性翻转推导出来。 这个引人注目的证据表明庞加莱猜想定理可以用来总揽21世纪新弦学的框架。 |