《大統(tǒng)一理論》word版

1、.大統(tǒng)一理論 大統(tǒng)一理論（grand unified theories，GUTs）。試圖用同一組方程式描述全部粒子和力(強相互作用、弱相互作用、萬有引力、電磁相互作用四種人類目前所知的所有的力)的物理性質(zhì)的理論或模型的總稱。這樣一種尚未找到的理論有時也稱為萬物之理，或TOE。 這并非完全荒唐可笑的夢想，因為在統(tǒng)一物理學(xué)家對物質(zhì)世界的描述方面已經(jīng)取得了相當成就。就在19世紀中葉，電和磁還被看成是兩種獨立的事物，但麥克斯韋研究證明它們實際上是現(xiàn)在叫做電磁現(xiàn)象的同一種基本相互作用的兩個方面，可以用同一組方程式加以描述。到20世紀中葉前，這一描述又改進到包括了量子力學(xué)效應(yīng)，并以量子電動力學(xué)(QED)形

2、式成為物理學(xué)家提出過的最成功的理論之一，它以極高精度正確預(yù)言了諸如電子等帶電粒子相互作用的性質(zhì)。 地球上的物體不管形狀、大小如何，最終總要乖乖地落到地面上，原因是什么？天空中地球圍繞太陽轉(zhuǎn)、月亮圍著地球轉(zhuǎn)，原因又是什么？科學(xué)家牛頓經(jīng)過艱苦的思索和研究，找出了統(tǒng)一的理論萬有引力。不論是地球上的物體，還是天空中的天體，都可以用萬有引力來解釋它們的運動。關(guān)于熱現(xiàn)象人們總結(jié)出熱學(xué)理論，關(guān)于電磁現(xiàn)象人們也總結(jié)出電磁場理論，物理學(xué)的各部分內(nèi)容就是總結(jié)各種不同運動形式的規(guī)律和理論。這些規(guī)律之間能不能再總結(jié)出更基本的規(guī)律，解釋更廣泛的內(nèi)容，這一直是物理學(xué)家關(guān)心的問題。 現(xiàn)在，人們發(fā)現(xiàn)微觀粒子之間僅存在四種相互

3、作用力，它們是萬有引力、電磁力、強相互作用力、弱相互作用力。宇宙間所有現(xiàn)象都可以用這四種作用力來解釋。進一步研究四種作用力之間聯(lián)系與統(tǒng)一，尋找能統(tǒng)一說明四種相互作用力的理論稱為大統(tǒng)一理論。 霍金在他的時間簡史中坦言，當今世界上可能會有些人在有生之年，發(fā)現(xiàn)大統(tǒng)一理論。但這個大統(tǒng)一理論并不是愛因斯坦最初想的大統(tǒng)一理論，不可能通過一個簡單的美妙的公式來描述和預(yù)測宇宙中的每一件事情。因為宇宙是確定性和不確定性相互統(tǒng)一的，量子理論中測不準原理體現(xiàn)了不確定性。 發(fā)展歷程力的發(fā)現(xiàn)和本質(zhì)： 引力：萬有引力，乃任何有質(zhì)體（即有質(zhì)量之物）之間的相互吸引力。牛頓發(fā)現(xiàn)所有的東西一旦失去支撐必然會墜下，繼而他發(fā)現(xiàn)任何兩

4、物體之間都存在著吸引力，而這引力更與距離的平方成反比，總結(jié)出萬有引力定律。 電磁力：電磁相互作用力乃是帶電荷粒子或具有磁矩粒子通過電磁場傳遞著相互之間的作用。 法拉第發(fā)現(xiàn)了某種具有深遠意義的事情盡管表面現(xiàn)象不同，但是電和磁僅僅是同一個基本現(xiàn)象的不同的方面。 1861年，蘇格蘭理論家詹姆斯·麥克斯韋成功地把法拉第的發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)語言。其成果就是現(xiàn)在著名的麥克斯韋電磁方程組。這些方程闡明了電與磁實質(zhì)上的統(tǒng)一性。 強相互作用力：強相互作用力乃是讓強子們結(jié)合在一塊的作用力，人們認為其作用機制乃是核子間相互交換介子而產(chǎn)生的。 1973年，維爾切克，格羅斯，波利策三位物理學(xué)家用完美的數(shù)學(xué)公式提出

5、了一種新理論。乍一看，他們的理論是完全矛盾的，因為對他們的數(shù)學(xué)結(jié)果的解釋表明，夸克間的距離越近，強作用力越弱。當夸克間彼此非常接近時，強作用力是如此之弱，以至它們的行為完全就像自由粒子。物理學(xué)家們將這種現(xiàn)象稱為“漸近自由”，即漸近不縛性。反過來也是正確的，即當夸克間的距離越大時，強作用力就越強。這種特性可用橡皮帶的性質(zhì)來比喻，即橡皮帶拉得越長，作用力就越強。 漸近自由理論解釋了質(zhì)子和中子的成分夸克為何從來都不會分離。這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了一個全新的理論量子色動力學(xué)的誕生。這一理論對標準模型有著重要的貢獻。標準模型描述了與電磁力、強作用力、弱作用力有關(guān)的所有物理現(xiàn)象，但它并沒有包括重力。在量子色動力學(xué)家

6、的幫助下，物理學(xué)家終于能夠解釋為什么夸克只有在極高能的情況下它才會表現(xiàn)為自由粒子。在質(zhì)子和中子中，夸克總是像“三胞胎”一樣出現(xiàn)。 弱相互作用：上個世紀末,在發(fā)現(xiàn)衰變的時候,關(guān)于弱相互作用是一個不同的物理作用力的想法,其演化是很緩慢的.只有當實驗上發(fā)現(xiàn)了其它弱作用,如衰變,俘獲等等,并且理論上認識到所有這些作用能夠近似地用同一個耦合常數(shù)來描述之后,這一看法才變得明朗起來,才產(chǎn)生了普適的弱相互作用的看法.只有在此之后,人們才慢慢地認識到,弱相互作用力形成一個獨立的領(lǐng)域,或許可與萬有引力,電磁力和強作用核力及亞核力等等量齊觀. 最早觀察到的原子核的衰變是弱作用現(xiàn)象。弱作用僅在微觀尺度上起作用，其力程

7、最短，其強度排在強相互作用和電磁相互作用之后居第三位。其對稱性較差，許多在強作用和電磁作用下的守恒定律都遭到破壞（見對稱性和守恒定律），例如宇稱守恒在弱作用下不成立。弱作用的理論是電弱統(tǒng)一理論，弱作用通過交換中間玻色子(W+/-,Z)而傳遞。弱作用引起的粒子衰變稱為弱衰變，弱衰變粒子的平均壽命大于10-13s。 事實上，物質(zhì)的原始形態(tài)應(yīng)該是非常簡單的，就象計算機運用二進制排列組合編制程序一樣。這樣想來，我們就可以不受許多現(xiàn)象的影響，尋找物質(zhì)本質(zhì)性的東西。我們知道物質(zhì)都是有原子組成的，原子又是有質(zhì)子和電子組成的。因為中子可分解成質(zhì)子和電子，我們暫且認為它不存在，至此我們已經(jīng)有了兩個物質(zhì)基本形態(tài)，

8、但還不足以編排出我們所知道的大千世界?，F(xiàn)代物理學(xué)認為有四種基本力存在：一是質(zhì)子帶正電，電子帶負電，它們通過電磁力相互作用；二是所有物質(zhì)之間有萬有引力；三是大多數(shù)基本粒子通過弱相互作用力結(jié)合在一起；四是原子核內(nèi)的粒子通過強相互作用力結(jié)合在一起，這些力都是看不見摸不著的，我們暫且認為它們是物質(zhì)的表面現(xiàn)象，是不存在的東西。那么這些力是怎樣產(chǎn)生的？基本粒子質(zhì)子和電子都有粒子的性質(zhì)和波的性質(zhì)，這種波又是怎樣產(chǎn)生的？朝向陽光我們觀察空氣中漂浮的塵埃，塵埃在空氣中并不走直線，而是在空氣中做布朗運動。我們可以聯(lián)想一下，質(zhì)子和電子會不會也是在一種氣體中做布朗運動，形成概率波。如果真是這樣的話，真空中一定還有一種

9、粒子，我們把它取名叫易子，易子是有質(zhì)量的。這樣我們現(xiàn)在已經(jīng)有了三種基本粒子，那么，這三種粒子又是怎樣相互作用表現(xiàn)出我們已知的四種力呢？首先讓我們看一下力的本質(zhì)是什么：實驗用小滾珠做易子模型，把裝有滾珠的杯子拿到秤盤上方5cm處，把1粒滾珠倒在秤盤上，秤的指針會擺動一下，再在相同的高處把100?；蛘吒嗟臐L珠持續(xù)快速地倒在秤盤上，如圖，秤的指針會在一個位置附近擺動。這說明大量滾珠撞擊秤盤，對秤盤產(chǎn)生了持續(xù)的、均勻的壓力。在一定的時間內(nèi)，碰撞的滾珠越多，對秤盤產(chǎn)生的壓力越大。如果使這些滾珠從更高的位置倒在秤盤上，可以觀察到秤的指針指示的壓力更大。這表明，滾珠的動能越大對秤盤產(chǎn)生的壓力越大。力產(chǎn)生的

10、本質(zhì)原因找到了，萬有引力、電磁力、弱相互作用力、強相互作用力產(chǎn)生的原因也就找到了，也就是說這四種力都是由粒子碰撞產(chǎn)生的。 發(fā)展過程愛因斯坦在提出相對論以后，從20年代開始就致力于尋找一種統(tǒng)一的理論來解釋所有相互作用，也就是解釋一切物理現(xiàn)象，愛因斯坦晚年偏離物理界大方向自己研究大統(tǒng)一理論想通過“弱作用，磁場，強作用”來簡單的解釋宇宙直到他1955年逝世。他幾十年的努力雖未成功，但卻激勵了后人。愛因斯坦在創(chuàng)建相對論時就意識到，自然科學(xué)中“統(tǒng)一”的概念或許是一個最基本的法則。還在30年代愛因斯坦就著手研究“大統(tǒng)一理論”，試圖將當時已發(fā)現(xiàn)的四種相互作用統(tǒng)一到一個理論框架下，從而找到這四種相互作用產(chǎn)生的

11、根源。這一工作幾乎耗盡了他后半生的精力，以致于一些史學(xué)家斷言這是愛因斯坦的一大失誤。但是，在愛因斯坦的哲學(xué)中，“統(tǒng)一”的概念深深扎根于他的思想中，他越來越確信“自然界應(yīng)當滿足簡單性原則”。雖然“大統(tǒng)一理論”沒有成功，可是建立統(tǒng)一理論的思想?yún)s始終吸引著成千上萬的物理學(xué)家們。 弱電統(tǒng)一理論 60年代格拉肖、溫柏格、薩拉姆三位科學(xué)家提出弱電統(tǒng)一理論，把弱相互作用和電磁相互作用統(tǒng)一起來，這種統(tǒng)一理論可以分別解釋弱相互作用和電磁相互作用的各種現(xiàn)象，并預(yù)言了幾種新的粒子，他們因此榮獲1979年諾貝爾物理學(xué)獎，1983年實驗發(fā)現(xiàn)了理論中預(yù)言的粒子，進一步證明了理論的正確性。 今天我們已經(jīng)知道自然界一共有4種

12、相互作用，除了引力相互作用和電磁相互作用外，還有強相互作用和弱相互作用。這4種相互作用強度大小相差懸殊，作用范圍也大相徑庭。例如，引力的強度只有強相互作用力的100萬億億億億分之一，但引力的作用范圍卻非常大，從理論上說可以一直延伸到無限遠的地方，所以引力是長程力；而強相互作用力的范圍卻很小很小，只有1厘米的10萬億分之一，所以說強相互作用力是短程力；弱相互作用力也是短程力，力程不到1厘米的1000萬億分之一，強度是強相互作用力的1萬億分之一；電磁力與引力一樣是長程力，但它的強度要比引力大得多，是強相互作用力的1/137。4種相互作用在性質(zhì)上看來有明顯的差異，然而科學(xué)家們卻在思索：自然界為什么有

13、這4種相互作用？這4種相互作用是否只有差異而無共同之處？這4種相互作用能不能在一定條件下得到統(tǒng)一的說明？從科學(xué)史來看，第一個認真思索并付諸行動的是物理學(xué)家愛因斯坦。愛因斯坦在完成廣義相對論的理論建設(shè)后，就一直在考慮能不能把引力相互作用和電磁相互作用統(tǒng)一起來。統(tǒng)一引力和電磁力，幾乎成了愛因斯坦中老年時期所要攻克的主要目標，然而遺憾的是愛因斯坦終究沒有完成這一偉大的工程。自幼就崇敬愛因斯坦的溫伯格十分贊賞統(tǒng)一思想。但是既然引力和電磁力的統(tǒng)一障礙重重，那能不能先統(tǒng)一其他相互作用呢？從60年代起，溫伯格就著手弱相互作用與電磁相互作用的統(tǒng)一。統(tǒng)一之路并不平坦，溫伯格甚至不清楚該從哪里入手。從50年代末到

14、60年代，在基本粒子理論領(lǐng)域里，對稱性自發(fā)破缺理論獲得了較大的發(fā)展。例如，李政道和楊振寧在1956年就已發(fā)現(xiàn)弱相互作用里的一種破缺對稱性（即破缺手征對稱性）。所謂對稱性自發(fā)破缺理論，通俗地說，它認為一些不同的現(xiàn)象或規(guī)律可追溯到同一源頭，最初有著共同的對稱性，后來由于種種原因?qū)ΨQ性被自發(fā)地破壞，這樣我們就可以從對稱性來研究它們的共性，從對稱性自發(fā)破缺機制來研究它們的特殊性。1965年起溫伯格也開始了關(guān)于對稱性自發(fā)破缺理論的研究，并漸漸意識到這將是通向相互作用統(tǒng)一理論的合適道路。1967年秋，溫伯格終于確定弱相互作用和電磁相互作用可根據(jù)嚴格的、但自發(fā)破缺的規(guī)范對稱性的思想進行統(tǒng)一的表達。他的理論結(jié)

15、果發(fā)表在這一年的物理評論快報上，題目是“一個輕子的模型”。溫伯格的理論被稱為弱電統(tǒng)一理論，這是科學(xué)上第一個成功的相互作用統(tǒng)一理論。理論中所預(yù)言的中間玻色子W和Z，在1983年被歐洲核子研究中心找到。弱電統(tǒng)一理論的成功，肯定了相互作用統(tǒng)一思想的正確性，促使許多科學(xué)家進一步去研究把強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用統(tǒng)一在一起的大統(tǒng)一理論，以及把引力相互作用也統(tǒng)一進去的巨統(tǒng)一理論。 強、弱、電磁三種作用統(tǒng)一理論 70年代中期，人們進一步提出強、弱、電磁三種作用統(tǒng)一的大統(tǒng)一理論。大統(tǒng)一理論的結(jié)論之一是預(yù)言質(zhì)子要衰變，這與實驗結(jié)果有矛盾。大統(tǒng)一理論雖然還未獲得成功，但是尋找四種相互作用統(tǒng)一的研究工作不

16、會中斷，人們?nèi)栽谂实沁@一高峰。 引力在其中的關(guān)系 將引力統(tǒng)一到這一圖像中之所以如此困難，是因為引力與其他三種自然力相比極其微弱。不過，在某種意義下，引力和電磁力同樣簡單和易于處理，因為它只要求一種傳達粒子，即無質(zhì)量的引力子。 約翰"馬隆著科學(xué)難解之謎中的一段話說得非常清楚：“在基本粒子層面，引力基本不起作用。一個電子和的一個質(zhì)子組成的氫原子，靠的不是引力，而是強度更大的電磁力。到底多大呢？大1040倍。正如法國物理學(xué)家和作家蒂阿納所說：如果沒有電磁力，僅僅在引力的作用下的話，1個氫原子就將充滿整個世界。引力非常微弱，不可能使電子和質(zhì)子結(jié)合的如此緊密.除非能將引力與其他三種力統(tǒng)一起來，

17、否則就不會存在萬物理論，或者大統(tǒng)一理論這類的現(xiàn)代科學(xué)的圣杯。 將引力包括到TOE中的困難，可以通過考察四種基本力如何從一種統(tǒng)一的相互作用中分裂出來而得到了解，物理學(xué)家認為這種分裂應(yīng)發(fā)生在宇宙由大爆炸中剛產(chǎn)生之時。光子與中介矢量玻色子和膠子的本質(zhì)差別之一，是光子沒有質(zhì)量，其他粒子卻有質(zhì)量。光子因沒有質(zhì)量而容易被創(chuàng)造，且能夠(原則上)在整個宇宙范圍內(nèi)傳播。傳達弱力和強力的玻色子則做不到這點。在一次相互作用中，創(chuàng)造特定玻色子組所需要的質(zhì)量是按照量子力學(xué)的測不準原理向真空借來的。但測不準原理指出，這些所謂的虛粒子能夠不時出現(xiàn)和隨即消失，條件是它們不能存活過久以避免被宇宙注意到它們的存在。這樣一個粒子的

18、質(zhì)量越大，它在短暫生存期需要借用的能量越多，它也就必須越快地償還債務(wù)。這就限制了玻色子在完成任務(wù)并消失之前運動所及的范圍。 但是，當宇宙很年輕時，它浸泡在原始火球的能量大海之中。只要這一能量的密度足夠高，即使是膠子和中介矢量玻色子也能從火球抽取足夠能量而變成真實的粒子，并在火球中到處游蕩。那時，它們真正與光子等效，而不僅僅是類似；所有基本相互作用也都是同樣強和遠程的作用。但是隨著宇宙膨脹和冷卻，它們逐步失去部分能耐，變成了我們今天看到的局限在原子核內(nèi)部的短程粒子。 在這幅圖像中，引力仍然獨樹一幟。根據(jù)目前的最好理論，當作為整體的宇宙溫度為時，引力與所有其他力一樣強。 當宇宙開始平緩膨脹和冷卻時

19、，其他三種力仍然是統(tǒng)一的。但在開始之后秒、溫度達到時，宇宙冷卻到不能供養(yǎng)強力的載體，于是強力被局限在今天我們所見的距離以內(nèi)。到秒時，溫度為，宇宙冷卻到無法維持中介矢量玻色子，于是弱力也變成了短程力。這是在整個宇宙的溫度與地球上的粒子加速器迄今達到的最高能量相當?shù)臅r期發(fā)生的弱電理論之所以比QCD遠為堅實可靠，這就是原因之一(因為能夠與實驗進行比較)。 由上述圖像不難看出將引力包括到統(tǒng)一理論中的困難所在。然而有趣的是，還在發(fā)現(xiàn)強和弱兩類相互作用之前，引力就已經(jīng)與電磁力包括到一個統(tǒng)一理論中了！對統(tǒng)一理論的這一探討，在兩種附加力發(fā)現(xiàn)之后很多年內(nèi)基本上被人遺忘，而現(xiàn)在看來它算得上是長期追求萬物之理征途上

20、的領(lǐng)跑人。 卡魯扎克萊因理論 廣義相對論用的曲率來描述引力。阿爾伯特·愛因斯坦提出這一概念后不久，就發(fā)現(xiàn)用與愛因斯坦廣義相對論方程式等效的方程式來描述五維曲率時，就得到我們熟知的、與麥克斯韋電磁場方程式并列的愛因斯坦理論中的場方程式。幾年以后的1920年代，引力和電磁場這種五維形式的統(tǒng)一甚至推廣到包括了量子效應(yīng)，這就是后來以兩位開創(chuàng)此項研究的先驅(qū)科學(xué)家姓氏命名的卡魯扎克萊因理論。 計算中涉及增加額外維度的所有理論現(xiàn)在都叫做卡魯扎克萊因理論，但這種處理方法長期無人采用，因為，要把卡魯扎克萊因理論最初獲得成功后就發(fā)現(xiàn)了的更復(fù)雜的弱和強相互作用效應(yīng)包括進來，它要求的就不是一個而是好幾個額外

21、維度。如果說光子是第五維度中的漣漪，那么(粗略地說)Z粒子就可以看成是第六維度中的漣漪，等等。 有兩個原因使這類理論在1980年代再次流行。第一，構(gòu)建大統(tǒng)一理論的嘗試復(fù)雜到了令人厭煩的程度，其中有一些看來無論如何也必須增加額外維度才能進行下去。既然總歸需要很多額外維度，為什么不用卡魯扎克萊因的辦法呢？第二，數(shù)學(xué)物理學(xué)家開始對弦理論感興趣，在弦理論看來，人們習(xí)慣視為點狀粒子的實體可描述成一維弦的細小片斷(遠遠小于質(zhì)子)。弦理論也只有在很多維度下才能工作，但它給我們極為豐厚的回報引力。 理論家們以推導(dǎo)各種描述這類多維弦相互作用的方程式自娛，他們發(fā)現(xiàn)有些方程式描述的封閉弦環(huán)正好具有引力描述所要求的性

22、質(zhì)弦環(huán)實際上就是引力子。 弦理論 弦理論（string theory）是理論物理學(xué)上的一門學(xué)說。弦論的一個基本觀點就是，自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的粒子。這些看起來像粒子的東西實際上都是很小很小的弦的閉合圈（稱為閉合弦或閉弦），閉弦的不同振動和運動就產(chǎn)生出各種不同的基本粒子。弦論是現(xiàn)在最有希望將自然界的基本粒子和四種相互作用力統(tǒng)一起來的理論。 超弦理論、M理論和黑洞物理學(xué) 超弦理論是物理學(xué)家追求統(tǒng)一理論的最自然的結(jié)果。愛因斯坦建立相對論之后自然地想到要統(tǒng)一當時公知的兩種相互作用萬有引力和電磁力。他花費了后半生近40年的主要精力去尋求和建立一個統(tǒng)一理論，但沒有成功?，F(xiàn)在回過

23、頭來看歷史，愛因斯坦的失敗并不奇怪。實際上自然界還存在另外兩種相互作用力弱力和強力?，F(xiàn)在已經(jīng)知道，自然界中總共4種相互作用力除有引力之外的3種都可有量子理論來描述，電磁、弱和強相互作用力的形成是用假設(shè)相互交換“量子”來解釋的。但是，引力的形成完全是另一回事，愛因斯坦的廣義相對論是用物質(zhì)影響空間的幾何性質(zhì)來解釋引力的。在這一圖像中，彌漫在空間中的物質(zhì)使空間彎曲了，而彎曲的空間決定粒子的運動。人們也可以模仿解釋電磁力的方法來解釋引力，這時物質(zhì)交換的“量子”稱為引力子，但這一嘗試卻遇到了原則上的困難量子化后的廣義相對論是不可重整的，因此，量子化和廣義相對論是相互不自洽的。 目前，超弦理論最引人注目，

24、但它距完成超對稱統(tǒng)一理論還相當遙遠。粒子理論的一個重要探索方向是關(guān)于超對稱統(tǒng)一理論的研究，其目標一是把大統(tǒng)一理論擴大到包括萬有引力在內(nèi)，從而把四種基本相互作用統(tǒng)一到一起來；二是探索夸克和輕子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提出“亞夸克”模型，從而把自旋為半整數(shù)的費米子和自旋為整數(shù)的玻色子統(tǒng)一到一起。 超弦理論是人們拋棄了基本粒子是點粒子的假設(shè)而代之以基本粒子是一維弦的假設(shè)而建立起來的自洽的理論，自然界中的各種不同粒子都是一維弦的不同振動模式。與以往量子場論和規(guī)范理論不同的是，超弦理論要求引力存在，也要求規(guī)范原理和超對稱。毫無疑問，將引力和其他由規(guī)范場引起的相互作用力自然地統(tǒng)一起來是超弦理論最吸引人的特點之一。因此

25、，從1984年底開始，當人們認識到超弦理論可以給出一個包容標準模型的統(tǒng)一理論之后，一大批才華橫溢的年輕人自然地投身到超弦理論的研究中去了。 經(jīng)過人們的研究發(fā)現(xiàn)，在十維空間中，實際上有5種自洽的超弦理論，它們分別是兩個IIA和IIB，一個規(guī)范為Apin(32)/Z2的雜化弦理論，一個規(guī)范群為E8×E8的雜化弦理論和一個規(guī)范為SO（32）的I型弦理論。對一個統(tǒng)一理論來說，5種可能性還是稍嫌多了一些。因此，過去一直有一些從更一般的理論導(dǎo)出這些超弦理論的嘗試，但直到1995年人們才得到一個比較完美的關(guān)于這5種超弦理論統(tǒng)一的圖像。 所有的五種超弦理論和M理論都是一個埸基本的理論的不同極限 這一

26、圖像可以有用上圖來表示。存在一個唯一的理論，姑且稱其為M理論。M理論有一個很大的?？臻g（各種可能的真空構(gòu)成的空間）。5種已知的超弦理論和十一維超引力都是M理論的某些極限區(qū)域或是模空間的邊界點（圖中的尖點）。有關(guān)超弦對偶性的研究告訴我們，沒有?？臻g中的哪一區(qū)域是有別于其他區(qū)域而顯得更為重要和基本的，每一區(qū)域都僅僅是能較好地描述M理論的一部分性質(zhì)。但是，在將這些不同的描述自洽地柔合起來的過程中我閃也學(xué)到了對偶性和M理論的許多奇妙性質(zhì)，尤其是各種D膜相互轉(zhuǎn)換的性質(zhì)。 在此我們不得不提到超弦理論成功地解釋了黑洞的熵和輻射，這是第一次從微觀理論出發(fā)，利用統(tǒng)計物理和量子力學(xué)的基本原理，嚴格了導(dǎo)出了宏觀物體

27、黑洞的熵和輻射公式，毫無疑問地確立了超弦理論是一個關(guān)于引力和其他相互作用力的正確理論 將5種超弦理論和十一維超引力統(tǒng)一到M理論無疑是成功的，但同是也向人們提出了更大的挑戰(zhàn)。M理論在提出時并沒有一個嚴格的數(shù)學(xué)表述，因此尋找M理論的數(shù)學(xué)表述和仔細研究M理論的性質(zhì)就成了這一時期理論物理研究熱點。 道格拉斯（Douglas，MR）等人仔細研究了D膜的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了在極短距離下，D膜間的相互作用可以完全由規(guī)范理論來描述，這些相互作用也包括引力相互作用。因此，極短距離下的引力相互作用實際上是規(guī)范理論的量子效應(yīng)。基于這些結(jié)果，班克（Banks，T）等人提出了用零維D膜（也稱點D膜）作為基本自由度的M理論的一種

28、基本表述矩陣理論。 矩陣理論是M理論的非微擾的拉氏量表述，這一表述要求選取光錐坐標系和真空背景至少有6個漸近平坦的方向。利用這一表述已經(jīng)證明了許多偶性猜測，得到了一類新的沒有引力相互作用的具有洛侖茲不變的理論。如果我們將注意力放在能量為1/N量級的態(tài)（N為矩陣的行數(shù)或列數(shù)），在N趨于無窮大的極限下，可以導(dǎo)出一類通常的規(guī)范場理論。許多跡象表明，在大N極限下，理論將變得更簡單，許多有限N下的自由度將不與物理的自由度耦合，因而可以完全忽略。所有這些結(jié)論都是在光錐坐標系和有限N下得到的，可以預(yù)期一個明顯洛侖茲不變的表述將是研究上述問題極有力的工具。具體來說，人們期望在如下問題的研究上取得進展： （1）

29、全同粒子的統(tǒng)計規(guī)范對稱性應(yīng)從一個更大的連續(xù)的規(guī)范對稱性導(dǎo)出。 （2）時空的存在應(yīng)與超對稱理論中玻色子和費米子貢獻相消相關(guān)聯(lián)。 （3）當我們緊致化更多維數(shù)時，理論中將出現(xiàn)更多的自由度，如何從量子場論的觀點理解這一奇怪的性質(zhì)？ （4）有效引力理論的短距離（紫外）發(fā)散實際上是某些略去的自由度的紅外發(fā)散，這些自由度對應(yīng)于延伸在兩粒子間的一維D膜，從場論的觀點來看，這此自由度的性質(zhì)是非常奇怪的。 （5）將M理論與宇宙學(xué)聯(lián)系起來。 顯然，沒有太多的理由認為矩陣理論是M理論的一個完美的表述。值得注意的是矩陣理論的確給出了許多有意義的結(jié)果，因此也必定有其物理上合理的成分，這很像本世紀初量子力學(xué)完全建立前的時期

30、（那時，普良克提出能量量子導(dǎo)出黑體輻射公式，玻爾提出軌道量子化給出氫原子光譜），一些有關(guān)一個全新理論的跡象和物理內(nèi)涵已經(jīng)被人們發(fā)現(xiàn)了。但是，我們離真正建立一個完美自洽M理論還相距甚遠，因此有必要從超弦理論出發(fā)更多更深地發(fā)掘其內(nèi)涵。在這方面，超弦理論的研究又有了新的突破。 1997年底，馬爾達塞納（Maldacena）基于D膜的近視界幾何的研究發(fā)現(xiàn)，緊化在AdS5×S5上的IIB型超弦理論與大NSU（N）超對稱規(guī)范理論是對偶的，有望解決強耦合規(guī)范場論方面一些基本問題如夸克禁閉和手征對稱破缺。早在70年代，特胡夫特（´tHooft）就提出：在大N情況下，規(guī)范場論中的平

31、面費曼圖將給出主要貢獻，從這一結(jié)論出發(fā)，波利考夫（Polyakov）早就猜測大N規(guī)范場論可以用（非臨界）弦理論來描述，現(xiàn)在馬爾塞納的發(fā)現(xiàn)將理論和規(guī)范理論更加具體化了。1968年維內(nèi)齊諾（Veneziano）為了解決相互作用而提出了弦理論，發(fā)現(xiàn)弦理論是一個可以用來統(tǒng)一四種相互作用力的統(tǒng)一理論，對偶性的研究引出了M理論，現(xiàn)在馬爾達塞納的研究又將M理論和超弦理論與規(guī)范理論（可以用來描敘強相互作用）聯(lián)系起來，從某種意義上來說，我們又回到了強相互作用的這一點，顯然我們對強相互作用的認識有了極大的提高，但是我們?nèi)詻]有完全解決強相互作用的問題，也沒有解決四種相互作用力的統(tǒng)一問題，因此對M理論、超弦理論和規(guī)范

32、理論的研究仍是一個長期和非常困難的問題。 終結(jié)理論 大統(tǒng)一理論 在文明的歷史中，人們有一種樸素的愿望，世界是統(tǒng)一的。 自然界中，有四種基本的作用力，它們分別是萬用引力，電磁相互作用力，弱相互作用力和強相互作用力。大統(tǒng)一理論就是四種基本的作用力在理論上的統(tǒng)一，理論上的統(tǒng)一意味著四種基本的作用力擁有統(tǒng)一的起源，這就要追溯到宇宙之初，來尋求力的起源。 有理論認為，在宇宙大爆炸10-35秒，宇宙同一場分化出四種基本的作用力。這一觀念推動人們不斷地尋求大統(tǒng)一理論，盡管道路艱難。 在統(tǒng)一的道路上，做的最成功的是麥克斯韋的電和磁兩種相互作用的統(tǒng)一，以及電磁力和弱相互作用力的統(tǒng)一，這是由溫伯格和薩拉姆在格拉肖

33、早期工作的基礎(chǔ)上完成的。電磁力和弱相互作用力被統(tǒng)一成一種力，即電弱力，而電磁力和弱相互作用力則被看做一種力的不同表現(xiàn)形式。 時至今日，人們?nèi)栽趯で笠Γ娙趿蛷娤嗷プ饔昧Φ慕y(tǒng)一，最但終都不成功。假如在宇宙之初，最先生成的應(yīng)是引力，而不是四種基本作用力的統(tǒng)一體，這樣會更有利于四種基本作用力的統(tǒng)一。 我們設(shè)想，引力是最先生成的力，跟據(jù)對稱性原則，與之同時生成的還有反引力，引力和反引力是相互矛盾統(tǒng)一的，它們在宇宙中是相等的。 緊接著，隨著時間的推移，宇宙中的引力和反引力的對稱性開始被破壞，由反引力分化出電磁相互作用力，弱相互作用力和強相互作用力。三種基本的相互作用力都是反引力性質(zhì)的力，它們是反引力的三種不同表達形式。這一點很像電磁力和弱相互作用力的統(tǒng)一，二者是電弱力的