-
四種力的相對強度以及作用範圍都有著巨大的區彆。從相對強度上來說,假定以電磁力的強度為一個單位強度,則強力要比這個單位大出100倍,弱力隻有11000,引力小到幾乎是可以忽略不計的:在微觀世界中,它隻有電磁力的10^40分之一!從作用範圍上來說,引力的作用範圍是宇宙範圍的;電磁力的作用範圍在理論上可以達到無限遠,但實際上,大多數物體正負電荷相互抵消,其外部都呈電中性;而強力和弱力的作用範圍則極小,隻能在粒子範圍內發生作用。
這四種強弱懸殊、性質各異的基本力,完全控製了我們的宇宙。
弦本身很簡單,隻是一根極微小的線,弦可以閉合成圈(閉弦),也可以開啟像頭髮(開弦)。一根弦還能分解成更細小的弦,也能與彆的弦碰撞構成更長的弦。例如,一根開弦可以分裂成兩根小的開弦;也可以形成一根開弦和一根閉弦;一根閉弦可以分裂成兩個小的閉弦;兩根弦碰撞可以產生兩個新的弦。
超弦理論屬於弦理論的一種,也指狹義的弦理論,是物理學家追求統一理論的最自然的結果。這裡的“超”有超對稱性的意思。為了將玻色子(bosons)和費米子(fermions)統一,科學家預言了這種粒子,由於實驗條件的限製,人們很難找到這種能夠證明弦理論的粒子。超弦理論作為最為艱深的理論之一,吸引著很多理論研究者對它進行研究,如果真是理論預言的那樣,我們將有可能建立一種大統一理論,來描述我們的宇宙。
弦論最初在1960年代末被用於解釋強相互作用,1974年朱爾·謝克等人提出基本粒子不是點而是一維弦,這被視為弦論的起源。超對稱概念首次於1971年出現在弦論的文章裡。
1984年秋,邁克爾·格林等人發現了九維空間的超對稱理論可以設法解決量子力學的某些不連貫性問題,並展現了統一所有相互作用的潛力。在1984年至1985年期間,研究者們確認了五種不同的超弦理論。
到1990年代初,理論物理界形成了五種10維超弦理論與一種11維超引力理論並存的格局。
1995年,愛德華·威騰提出m理論,試圖統一上述六種理論。d膜理論的發展引出了全息原理(adscft對偶)。
理論後續發展包括對“弦論景觀”和多元宇宙的探討。超弦理論研究中出現的新觀念和方法已經在數學和物理的其他領域產生了深遠的影響。
超弦理論的基本物件是一維的“弦”,分為開弦和閉弦,而非傳統點粒子;弦的不同振動模式對應不同的基本粒子。
該理論的自洽性要求時空為10維(9維空間 1維時間);額外的6維空間高度捲曲(緊緻化),尺度極小,因此日常無法觀測。
理論名稱中的“超”指其包含超對稱性,為每個費米子預言一個玻色子超對稱夥伴(超伴子),反之亦然。
該理論旨在統一所有基本相互作用(引力、電磁力、強力、弱力),特彆是為量子引力提供了可能描述;弦的延展性結構避免了點粒子量子場論中的無窮大(發散)問題。
存在五種自洽的超弦理論(i型、iia型、iib型、雜化so(32)、雜化e8xe8);研究表明,存在一個更基本的理論框架,稱為m理論,五種超弦理論和十一維超引力理論被認為是m理論在不同極限下的不同表現形式或相互關聯的部分,m理論還可能引入不同維度的“膜”作為基本客體。
宇宙學告訴我們,我們肉眼看到的三個空間維數正在膨脹,由此可以推測它們曾經是很小和高度彎曲的。一個自然的可能性是;也許存在與我們觀測到的三個空間
維數垂直的其它空間維數,這些額外空間維數曾經是但仍然是很小和高度彎曲的。如果這些維數的尺度是夠小,以我們現有的觀測手段仍不是以直接推測到,但
是這些維數仍將以許多間接的效應表現出來。
特彆地,這是一個強有力的統一觀念:在低維中觀測到的不同粒子也可能是同一種粒子,在額外維數空間中,它們都是同一粒子不同方向的運動的表現。實際上,額外維數還是弦理論不可分割的一部分:弦理論的數學方程要求空間是9維的,再加上時間維度總共是10維時空。更進一步的研究表明,由m理論給出的更完全的認識揭示了弦理論的第10維空間方向,因此理論的最大維數是11維。
最近的一些發展還提出了我們也許生活在低維的膜上麵,但是引力仍然是10維的,為了得到現實的3維引力,可以通過引入“影子膜”或者randall-
sundrum機製。randall-sundrum機製是一種束縛引力的新方法,這時,額外維度可以不是很小很小的。通過觀測小距離情況下引力對平方反
比定律的偏離,或者是在粒子加速上或者是通過超新星爆發中產生的粒子散射進入額外維度因而看起來像消失一樣等等奇怪的現象,也許我們有能力探測到這
些額外維度。弦理論不僅大大地拓展了人們的思維空間,將大大地拓展人們的活動空間。
還冇有人觀測到基本的弦。但正如多數參加“2006年國際弦理論會議”的人所相信的那樣,如果弦是真實的,那麼由愛因斯坦開創的廣義相對論和量子理論的完美結合就不是遙遙無期的奢望了。
弦理論的近期發展:第二次革命。
如果說超弦理論的第一次革命統一了量子力學和廣義相對論,那麼近年來發生的弦理論的第二次革命則統一了五種不同的弦理論和十一維超引力,預言了一個更大的m理論的存在,揭示了相互作用和時空的一些本質,並暗示了時間和空間並不是最基本的,而是從一些更基本的量匯出或演化形成的。m理論如果成功,那將會是一場人類對時空概念、時空維數等認識的革命,其深刻程度不亞於上個世紀的兩場物理學革命。
-