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发信人: JianQiShen (冷核聚变), 信区: Physics
标 题: 超弦理论 --毛鸿编著 发信站: 飘渺水云间 (Thu Dec 7 19:38:04 2000), 转信 超 弦 理 论 毛鸿 弦理论的最终确定将给人们对自然界的认识带来巨大的变化，其影响将不亚于二十 世纪的量子理论。若干基本问题如时空的起源、宇宙的大小和维数、自然界为什么会量 子化的都会在这个理论框架下得到很好的解答。 弦理论最早出现在粒子物理中是在二十世纪六十年代后期，当时维涅吉阿诺、南部 等人提出弦理论模型，用来解释实验上发现强子共振态质量和自旋的关系（称Regge轨迹 ）。该模型认为强子如介子由一个夸克和一个反夸克通过色力线束缚而成，可以形象用 夸克和反夸克之间的色力线代表。由于色力线很强，这些色力线在胶子和胶子作用下形 成管状并携带能量，夸克的质量与之相比可忽略，于是强子的质量主要来自这个色力线 构成的管。好象橡皮筋两端系着小球，如果橡皮筋粗壮有力而小球很轻的话，人们很容 易只感到橡皮筋而忽略了小球的存在。将强子的质量分布在弦上可以算出质量与自旋的 关系，刚好可以解释Regge轨迹，同时预言了存在一个质量为零自旋等于2的粒子，而在 强子谱中没有这样的粒子，这是理论的一个缺憾。然而正当弦理论等待人们进一步发展 的时候，在七十年代初期，另一个成功的能处理强相互作用理论--量子色动力学诞生了 ，这使强相互作用的弦理论显得过早了，这样弦理论的发展也就陷入了第一个低谷中。 但当很多理论家放弃弦模型的时候，仍有一些优秀物理学家在不断地探索。如舍科 和施瓦兹，而促使他们两个继续下去的动力之一就是由于弦模型中可以预言一个质量为 零自旋为2的粒子，若把这个粒子用来描写引力场的引力子，则弦的延展性将有助于克服 以往引力量子理论中存在的发散的问题。到1984年，格林和施瓦兹又沿着这个方向推进 了一大步，他们构造了一种特殊的弦模型--超弦模型，它具有时空的超对称性。那么何 谓超对称呢？粒子世界可以根据其自旋分成两大类：玻色子（自旋为整数）和费米子（ 自旋为半整数），超对称要求对于每个费米子都存在一个质量与之相等的玻色子（称超 对称伙伴），反之亦然，而超对称基本的变换操作就是把一个粒子或它的场转化为另一 个与之自旋相差1/2的粒子或场，也就是这样一种对称把费米子变成玻色子，把玻色子变 成费米子。由于自然界到目前为止没有迹象表明存在超对称伙伴，所以如果超对称存在 那么必定是被破坏，但超对称即使是被破坏了，只要是自发的，那么它仍有不可忽略的 作用。当把超对称规范定域化之后，人们就会发现爱因斯坦的广义相对论就成为理论的 必然结果，故超对称必然包含引力论，从而把四种相互作用统一到一个理论框架中将成 为可能。所以超对称与弦理论的结合，使弦理论的发展又进入了一个快速发展的时期。 但是，随着理论的进一步发展，疑难也在不断地产生，使得弦理论又很快进入了第 二个低潮。这些疑难是：第一，人们只能运用微扰论来处理超弦理论；第二，为什么存 在五种不同的弦理论，而描写自然界应该是唯一的；第三，超对称需要十一维的时空， 而为什么超弦理论只需十维；第四，既然我们可以认为点粒子可以是弦，那么为什么就 不可能是膜或着更高维的物体呢。可是弦理论深刻的物理内涵和优美的数学结构使得很 多人仍坚持研究。到了1994年，几个新的重要发现使得是弦理论从新成为了研究的热点 ，使弦理论进入了第三个高潮。而这个时期最主要的进展是对偶性。对偶的含义是，两 个看起来完全不同的理论实际上是等价的。一种最为有趣的情形是，一个看起来是弱相 互作用的理论描述一个看起来是强相互作用的理论。这使得人们发现过去被认为是完全 不相同的几种超弦理论是一个更大理论的不同表现，这里弦不再是唯一的激发态。在不 同的情况下，有粒子、有弦、有更高维的物体。这个理论被称为M理论。弦论和许多量子 场论有史以来第一次在非微扰的层次上得到理解及有效的研究。 弦理论在近期进入了发展的第三个低潮。而深究这次低潮的原因，使得我们看到了 更大的希望。前几年不可思议的发展使得人们对弦论的信心大为增加，而提出的许多新 问题加快理论的发展，同时人们深感对第一原理缺乏认识。M理论是如此深刻优美的统一 体，对它的不同极限我们只有不同的描述。一个统一的便于操作和计算的理论还有待发 现。过去的发展昭示着两种可能。其一，人民有可能被迫放弃一个或着两个第一原理； 其二，也许人们不需要放弃任何神圣的第一原理，恰恰相反，这些看上去完全独立的原 理可能是更为深刻第一原理的不同表现。即20世纪初物理学的两大革命，相对论和量子 力学实际上是一个主干的两个支干。这两种可能中，不管是那一种都可能预示着21世纪 新的物理学革命。并且M理论或超弦理论的发展将不可避免地带来新数学的发现和发展。 一个统一的、基于新原理的理论需要崭新的数学。可以毫不夸张地说，M理论既是21世纪 的物理学也是21世纪的数学。就象17世纪的牛顿力学一样，在创立牛顿力学的过程中， 牛顿并构造了微积分。我们较为长期的预言是：3至5年内弦论将进入第四个高潮；而10 年之后，弦论直接和间接的理论预言将为加速器实验和宇宙学观测证实。而一个不懂得 弦理论的粒子物理学家将几乎无法进行有效的研究工作。 最后，用一句非常形象的话来形象地描述当前弦论的现状："Indeed ，future ter restrial historians may judge the late 20th century as a time when the theor ists were like children playing on the seashore diverting themselves with th e smoother pebbles or prettier shells of superstrings while the great ocean of M-theory lay undiscovered before them." -- |